NASA muốn hồi sinh vận tải hàng không siêu thanh

Tại Aviation 2014 - triển lãm thường niên do Viện hàng không không gian Hoa Kỳ tổ chức, NASA đã trình diễn những công nghệ mới đang được cơ quan này nghiên cứu nhằm làm sống lại lĩnh vực vận tải hàng không siêu thanh trong 15 năm tới. Những nỗ lực của NASA cũng như các công ty tư nhân như Aeron hay Spike Aerospace hứa hẹn sẽ mở ra một thế hệ máy bay vận tải siêu thanh tiếp theo, nối tiếp những thành công của huyền thoại bầu trời - Concorde.

>>> Máy bay siêu thanh màn hình khổng lồ
>>> Máy bay có vận tốc gấp 4 lần âm thanh

Viễn cảnh về loại hình vận tải hành khách siêu thanh đã bắt đầu được nhen nhóm vào những năm 1950 và điều này dường như là một bước tiến hợp lý trong lĩnh vực hàng không dân dụng vốn đã trải qua rất nhiều bước đột phá và phát triển nhanh chóng đặc biệt là trong thời đại kỹ thuật số ngày nay. Ý tưởng về đường bay từ London đến New York trong chỉ 3 giờ được xem là một sự thúc đẩy mạnh mẽ đối với nền kinh tế cũng như là một phương pháp để đưa thế giới đến gần nhau hơn.

Vào thập niên 60, Mỹ, Anh, Pháp và Liên Xô - tất cả đều theo đuổi các chương trình phát triển và khai thác máy bay chở khách với tốc độ trên Mach 1 (> 1235km/h). Một cuộc chạy đua về công nghệ lớn đã diễn ra và viễn cảnh về những chiếc máy bay chở khách siêu thanh Concorde, Tupolev, Boeing và Lockheed bay quanh thế giới dưới sự điều hành của các hãng hàng không lớn dường như mở ra trước mắt.

Tupolev Tu-144 - máy bay siêu thanh đầu tiên.​

Tuy nhiên, năm 1973 được xem là một năm thảm hoạ của ngành hàng không khi chiếc TU-144 - mẫu máy bay được xem là phiên bản Concorde của Tupolev, Liên Xô đã rơi ngay trong màn trình diễn tại triển lãm hàng không Paris Air Show. Kèm theo đó là lệnh cấm vận dầu mỏ của OPEC khiến nhiều nền kinh tế, đặc biệt là các nước phương Tây gặp khó khăn và bản thân Cục hàng không liên bang Mỹ (FAA) cũng đã ban hành một lệnh cấm các chuyến bay siêu thanh hạ cánh trên lãnh thổ nước Mỹ. Kết quả là các chương trình phát triển máy bay vận tải siêu thanh đồng loạt bị huỷ bỏ, không có đơn đặt hàng và chỉ có vỏn vẹn 20 chiếc Concorde do liên minh Aerospatiale của Pháp và British Aircraft Corp (BAC) của VQ Anh sản xuất. Concorde cũng chỉ được khai thác bởi Air France và British Airways nhờ sự hỗ trợ của chính phủ 2 nước. Không thể phủ nhận rằng Concorde là một mẫu máy bay rất quyến rũ, thanh thoát và sở hữu những công nghệ đi trước thời đại. Nhưng sau vụ tai nạn nghiêm trọng của chuyến bay Air France 4590 ngày 25/7/2000 tại Paris, đến ngày 24/10/2003 thì Concorde chính thức bị ngưng hoạt động sau 27 năm phục vụ.

Điều đó dường như là sự chấm dứt của những chuyến bay siêu thanh ngoại trừ những chiếc máy bay siêu thanh quân sự. Thế nhưng tính đến nay, công nghệ hàng không đã trải qua hơn 40 năm và những công ty tư nhân cũng như tổ chức chính phủ đang tìm cách làm mới lĩnh vực hàng không siêu thanh dân dụng.

Một chiếc Concorde của British Airways

Nếu muốn dịch vụ vận tải hành khách siêu thanh thành công, ngành hàng không phải vượt qua rất nhiều trở ngại. Một trong số đó là làm sao chế ngự vụ nổ siêu thanh khi máy bay phá vỡ tường âm thanh. Peter Coen - lãnh đạo dự án tốc độ cao (High Speed Project) thuộc ban điều hành nhiệm vụ nghiên cứu hàng không của NASA cho biết: "Việc hạn chế tác động của vụ nổ siêu thanh hay sóng xung kích gây ra bởi một máy bay bay nhanh hơn vận tốc âm thanh là trở ngại quan trọng nhất để đưa các chuyến bay siêu thanh thương mại trở lại. Những rào cản khác còn bao gồm vấn đề khí thải trên độ cao lớn, hiệu quả nhiên liệu và tác động của tiếng ồn đối với dân cư xung quanh các sân bay".

Vấn đề trên sẽ được giải quyết như thế nào phụ thuộc một phần vào yếu tố kỹ thuật, một phần vào thái độ của cộng đồng và một phần vào việc cải tiến các điều luật của FAA vốn khá mơ hồ trên giấy tờ. Do đó, NASA cùng các đối tác đang tiến hành phương pháp tiếp cận 3 mũi nhọn để đi đến một giải pháp thống nhất.

Theo NASA, cơ quan này hiện tại đang phát triển các công nghệ để có thể được dùng trên máy bay siêu thanh dân sự vào năm 2025. Do các vụ nổ siêu thanh không giống nhau nên một trong những dự án của NASA sẽ là cho các thành viên cộng đồng tại trung tâm nghiên cứu Langley, Hampton, bang Virginia nghe qua 140 vụ nổ siêu thanh khác nhau và thu nhận phản hồi từ họ.

Tương tự với các nghiên cứu được thực hiện bởi trung tâm nghiên cứu bay Armstrong tại căn cứ không quân Edwards, bang California, nghiên cứu trên sẽ giúp NASA tiến đến mục tiêu thứ 2 đó là ngồi vào bàn đàm phán với FAA và Tổ chức hàng không dân dụng quốc tế (ICAO) để thay đổi các luật lệ về các chuyến bay siêu thanh được đưa ra từ những năm 70 của thế kỷ trước. NASA cho biết độ ồn của các vụ nổ siêu thanh không thể định rõ, do đó NASA cùng các đối tác hiện đang làm việc với các cơ quan hành pháp để đưa ra một cấp độ ồn chấp nhận được.

Mẫu thiết kế máy bay siêu âm của Lockheed.​

Về khía cạnh kỹ thuật, các trung tâm của NASA nằm rải rác trên nước Mỹ tại California, Ohio và Virginia đang tìm hiểu về đặc điểm tự nhiên của các vụ nổ siêu thanh đồng thời nghiên cứu các thiết kế máy bay để giảm thiểu tác động của chúng.

Tại trung tâm nghiên cứu Ames, các thử nghiệm trong hầm gió đã được thực hiện nhằm nghiên cứu khả năng định hình vụ nổ siêu thanh bằng cách kéo dài hoặc tản sóng xung kích ra xung quanh khi thay đổi thiết kế của thân, cánh, động cơ, vỏ động cơ và các thành phần khác trên máy bay. Thiết kế tốt nhất được các nhà nghiên cứu suy ra là mũi máy bay thon nhọn như cây kim, thân mỏng và cánh hình tam giác vuốt dài ra sau.

Mẫu thiết kế máy bay siêu thanh của Boeing với 2 động cơ đặt trên.​

Một số mẫu thiết kế đến từ các nhà sản xuất máy bay lớn đã được NASA đưa vào thử nghiệm trong hầm gió siêu thanh. Mẫu thiết kế từ Lockheed Martin trông giống như một phiên bản kéo dài thân của chiếc Concorde với 2 động cơ đặt dưới và 1 động cơ thứ 3 được đặt trên cánh. Trong khi đó, mẫu thiết kế của Boeing lại đặc biệt hơn với 2 động cơ đặt phía trên mỗi cánh. Theo NASA, vị trí lắp đặt động cơ có thể làm giảm tác động của vụ nổ siêu thanh. Động cơ đặt trên cánh có thể đưa vụ nổ hướng lên trên nhưng bù lại hiệu năng vận hành của máy bay sẽ bị ảnh hưởng.

Những thiết kế này đã trải qua các bài kiểm tra trong hầm gió của NASA. Các hầm gió đều được thiết kế theo mô hình đặc biệt nhằm tái tạo các đặc tính của một phương tiện bay kích cỡ đầy đủ vận hành ở tốc độ siêu thanh. Điều này cho phép các nhà khoa học đo đạt vụ nổ siêu thanh ở nhiều cự ly khác nhau đồng thời ước lượng hiệu năng động cơ. Dữ liệu thử nghiệm sau đó được dùng để phê chuẩn và điều chỉnh các mô hình trên máy tính.

Thử nghiệm mô hình máy bay trong hầm gió.​

Ngoài ra, bằng hầm gió và mô hình máy bay, các nhà nghiên cứu cũng tiến hành phân tích dòng khí đi vào và thoát ra để nghiên cứu vỏ động cơ và điều chỉnh dòng khí cũng như các tỉ lệ tại nhiều mức tốc độ từ dưới siêu thanh đến siêu thanh (tối đa Mach 1.8) để tìm cách tích hợp chúng vào thiết kế máy bay siêu thanh mà không làm giảm hiệu năng.

Theo Don Durston - kỹ sự thuộc dự án tốc độ cao tại trung tâm nghiên cứu Ames: "Mục đích của các thử nghiệm là đo tác động của hình dạng vỏ động cơ lên vụ nổ siêu thanh. Các kết quả ban đầu cho thấy đúng như chúng tôi dự đoán, mọi thay đổi nhỏ trên vỏ động cơ đặt trên cánh của mô hình máy bay Boeing ảnh hưởng không đáng kể đến vụ nổ siêu thanh, trong khi đó mô hình của Lockheed với 2 động cơ đặt dưới cánh lại cho thấy những tác động rõ rệt lên vụ nổ. Tuy nhiên, những tác động này đều đã được dự đoán và có thể là do quy trình thiết kế được Lockheed sử dụng".

Sau thử nghiệm, Peter Coen hồ hởi cho biết: "Chúng tôi tự tin khi đã có trong tay các công cụ thiết kế và cũng đã phê chuẩn cấp độ thiết kế cần thiết. Với đà phát triển này, chúng tôi cho rằng dịch vụ vận tải hành khách siêu thanh với độ ồn thấp hoàn toàn có thể đạt được".

Tiêu đề đã được khoahoc.tv đổi lại.