Nhật Bản thử nghiệm động cơ ramjet Mach 5 bay xuyên Thái Bình Dương chỉ trong 2 giờ

[Mẫn Nhi]

Thời gian di chuyển bằng đường hàng không xuyên Thái Bình Dương giữa Nhật Bản và Mỹ hiện nay đang kéo dài trung bình từ 12 đến 14 giờ. Khoảng cách địa lý lớn này có thể sớm được rút ngắn xuống chỉ còn dưới hai giờ nhờ một bước tiến công nghệ từ các kỹ sư Nhật Bản.

Nhóm nghiên cứu đã thực hiện thử nghiệm đốt cháy thành công động cơ ramjet trên một máy bay thử nghiệm đạt tốc độ Mach 5, tương đương 6.174 km/h. Thử nghiệm này nằm trong khuôn khổ dự án nghiên cứu tập trung vào việc kiểm soát đồng bộ bộ khung và lực đẩy cho các phương tiện bay siêu thanh tương lai.

Thiết kế máy bay chở khách siêu thanh tốc độ Mach 5 của JAXA. Ảnh: JAXA​

Thử nghiệm mô phỏng độ cao 25 km tại Kakuda​

Để kiểm chứng khả năng vận hành của động cơ ramjet ở tốc độ Mach 5, nhóm nghiên cứu gồm các kỹ sư từ Cơ quan Thám hiểm Hàng không vũ trụ Nhật Bản (JAXA), Đại học Waseda, Đại học Tokyo và Đại học Keio đã tiến hành thử nghiệm đốt cháy trên mặt đất.

Máy bay thử nghiệm được đặt bên trong cơ sở kiểm tra động cơ ramjet thuộc Trung tâm Vũ trụ Kakuda của JAXA tại tỉnh Miyagi. Tại đây, nhóm nghiên cứu sử dụng hệ thống đường hầm gió mô phỏng môi trường ở độ cao khoảng 25 km, nơi không khí loãng hơn gấp 100 lần so với mực nước biển.

Ở độ cao này và khi di chuyển với tốc độ Mach 5, luồng không khí va đập vào mũi và phần rìa trước của máy bay sẽ bị nén mạnh, tạo ra mức nhiệt độ vượt quá 1.000 độ C. Sự gia tăng nhiệt độ cực hạn này là một trong những rào cản vật lý lớn nhất đối với việc thiết kế cấu trúc phương tiện bay siêu thanh.

Giải pháp bảo vệ nhiệt và đo lường phân bố nhiệt bề mặt​

Nhằm đối phó với mức nhiệt độ khắc nghiệt trên 1.000 độ C, các kỹ sư Nhật Bản đã thiết kế một hệ thống chống nóng tiên tiến cho máy bay thử nghiệm.

Trong suốt quá trình thử nghiệm, hệ thống bảo vệ này đã duy trì thành công nhiệt độ bên trong phương tiện ở mức gần như bình thường. Nhờ đó, toàn bộ các linh kiện điện tử và hệ thống điều khiển bên trong máy bay hoạt động chính xác mà không bị ảnh hưởng bởi sức nóng bên ngoài.

Bên cạnh hệ thống chống nóng, các nhà nghiên cứu cũng lắp đặt mạng lưới cảm biến dày đặc để lập bản đồ phân bố nhiệt độ trên bề mặt vỏ máy bay. Dữ liệu thu được giúp họ kiểm tra, đối chiếu các tính toán lý thuyết về tác động của nhiệt độ tới kết cấu cơ học, cung cấp thông tin thực tế phục vụ việc chế tạo phương tiện chở khách kích thước thật sau này.

Ngoài ra, việc đo đạc nhiệt độ khí thải từ động cơ ramjet sử dụng nhiên liệu hydro cũng được thực hiện để thu thập dữ liệu cụ thể về tác động của động cơ này đối với môi trường.

Mối quan hệ khí động học và nguyên lý động cơ ramjet​

Thiết kế phương tiện siêu thanh đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa khung vỏ máy bay và hệ thống động cơ, khác biệt hoàn toàn so với máy bay dân dụng thông thường. Ở tốc độ cực cao như Mach 5, luồng không khí xung quanh máy bay và lực đẩy từ động cơ có mối liên hệ mật thiết và ảnh hưởng trực tiếp lẫn nhau.

Sóng xung kích hình thành xung quanh thân máy bay sẽ làm thay đổi tính chất của luồng khí đi vào cửa nạp động cơ. Ngược lại, lực đẩy phát ra từ động cơ cũng tác động mạnh tới độ ổn định khí động học của toàn bộ cấu trúc máy bay trong quá trình di chuyển. Động cơ ramjet được lựa chọn làm công nghệ cốt lõi cho thử nghiệm này nhờ cấu tạo đặc biệt không chứa các bộ phận chuyển động bên trong.

Loại động cơ này hoạt động dựa trên nguyên lý tận dụng chính chuyển động tịnh tiến siêu nhanh về phía trước của máy bay để tự nén luồng không khí nạp vào, sau đó trộn với nhiên liệu hydro và đốt cháy để tạo ra lực đẩy phản lực cực lớn. Cơ chế này cho phép máy bay đạt được tốc độ vượt xa giới hạn của động cơ turbine truyền thống.

Tuy nhiên, động cơ ramjet có một hạn chế lớn là không thể khởi động khi máy bay ở trạng thái đứng yên mà đòi hỏi phương tiện phải được gia tốc đến tốc độ siêu âm bằng một nguồn lực khác trước khi động cơ ramjet có thể tự vận hành.

Mốc thử nghiệm thực tế và lịch sử hàng không siêu thanh​

Kết quả thử nghiệm tại Trung tâm Vũ trụ Kakuda xác nhận hệ thống chống nóng, bề mặt điều khiển và động cơ ramjet của máy bay đều hoạt động đạt hiệu suất cao trong điều kiện siêu thanh mô phỏng. Nhật Bản hiện đang tiến gần hơn tới việc giải quyết các bài toán kỹ thuật phức tạp về giữ vững độ ổn định của động cơ, bảo toàn cấu trúc cơ khí và chống nóng ở vận tốc cực hạn.

Sau khi hoàn thành thử nghiệm trên mặt đất, giai đoạn tiếp theo của chương trình nghiên cứu sẽ là gắn máy bay thử nghiệm lên một tên lửa để tiến hành bay thực tế ngoài không trung ở tốc độ Mach 5. Theo JAXA, ứng dụng thực tiễn của dự án này trong tương lai là chế tạo các dòng máy bay thương mại kết nối Nhật Bản và Mỹ với thời gian bay chỉ khoảng hai giờ.

Theo định nghĩa từ Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Mỹ (NASA), chỉ số tốc độ Mach được đặt theo tên của nhà vật lý Ernst Mach. Đây là đơn vị đo tỷ lệ giữa tốc độ của một vật thể di chuyển so với vận tốc âm thanh trong cùng một môi trường truyền dẫn, thường được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực hàng không quân sự và nghiên cứu vũ trụ.

Ở mực nước biển, Mach 1 tương đương với tốc độ âm thanh là 1.235 km/h. Khi đạt tốc độ Mach 5, máy bay sẽ di chuyển nhanh gấp 5 lần tốc độ âm thanh. Hiện nay, nhiều dòng máy bay quân sự có thể đạt tốc độ từ Mach 1,6 đến Mach 3.

Trong lịch sử hàng không dân dụng thế giới, chỉ có hai mẫu máy bay chở khách siêu thanh từng được vận hành thương mại là dòng Concorde của Anh - Pháp (đạt tốc độ Mach 2,04, tương đương khoảng 2.410 km/h) và dòng Tupolev Tu-144 của Liên Xô (đạt tốc độ Mach 2,35, tương đương khoảng 2.500 km/h).

Thử nghiệm thành công động cơ ramjet Mach 5 của các kỹ sư Nhật Bản đánh dấu bước tiến quan trọng trong việc hiện thực hóa thế hệ máy bay siêu thanh thế hệ mới. Dù việc đưa công nghệ này vào khai thác thương mại vẫn cần vượt qua thử nghiệm bay thực tế bằng tên lửa đẩy ở giai đoạn tiếp theo, những kết quả thu được về khả năng chịu nhiệt và duy trì lực đẩy ổn định đã đặt nền móng kỹ thuật vững chắc cho việc rút ngắn thời gian bay xuyên Thái Bình Dương xuống dưới hai giờ.