Những thách thức trong việc chế tạo máy bay siêu thanh

"Đó là một chiếc máy bay ma thuật... bay trong nó là một niềm vui trần tục", dẫn lời bông đùa của bà Joelle Cornet-Templet, Trưởng chiêu đãi viên của Hãng hàng không Pháp (Air France) khi nói về chiếc Concorde: một trong những chiếc máy bay chở khách dân sự siêu thanh đầu tiên trên thế giới, đã từng tung hoành bầu trời trong khoảng thời điểm năm 1976 đến 2003 và trở thành một khẩu hiệu về phong cách đi lại. 

Loại máy bay "thuần chủng" này có thể bay từ London đến Sydney chỉ trong vòng 17 tiếng, 3 phút và 45 giây; so với quãng thời gian 22 tiếng của loại máy bay Boeing 747. Concorde là thành viên nổi tiếng nhất trong câu lạc bộ độc quyền gồm 2 thành viên là nó và Boeing 747; và chỉ có một loại máy bay dân sự khác có thể phá vỡ vận tốc âm thanh là Tupolev Tu-144 của Liên Xô, chiếc này bay cho đến năm 1999. Một biến thể của Tupolev đã được sử dụng trong các thử nghiệm của NASA và các ngành công nghiệp không gian của Mỹ và Nga trong một chương trình nghiên cứu chung sau khi kết thúc thời kỳ Chiến tranh lạnh.

Khi những chiếc Concorde tung hoành bầu trời vào năm 2003, ngành hàng không siêu thanh đã ra đời nhờ nó.

Sự kết thúc của những chiếc Concorde và Tupolev đã để trống không thị trường máy bay siêu thanh. Nhưng giờ đây, 12 năm sau khi kết thúc hạm đội máy bay Concorde, những thế hệ máy bay nhanh hơn đang được định hình tại các cơ sở nghiên cứu. Một trong những thiết kế dạng này là mẫu Lapcat-II, đây là loại máy bay do châu Âu thiết kế, nó có thể bay với vận tốc nhanh gấp 8 lần tốc độ âm thanh (8.500km/giờ), tức là đưa hành khách từ Brussels đến Sydney chỉ trong vòng 2 tiếng và 55 phút. 

Tại Hội nghị máy bay không gian siêu thanh AIAA (gọi tắt là Hội nghị AIAA) vừa được tổ chức tại Glasgow (Scotland) vào tháng 7/2015 vừa qua, một bài báo được công bố bởi các nhà nghiên cứu máy bay Lapcat-II đã tiết lộ rằng, những thử nghiệm máy bay đầu tiên của họ sẽ xanh hơn so với loại máy bay hiện nay, không những an toàn mà còn không tốn quá nhiều chi phí nhiên liệu cho những chuyến bay chặng hành trình dài.

Nhân tố nhiên liệu

Ông Johan Steelant, một kỹ sư nghiên cứu cao cấp tại Cơ quan vũ trụ châu Âu (ESA) và đồng thời là điều phối viên của Lapcat-II, cùng với các đồng nghiệp đã thử nghiệm 2 nguyên mẫu máy bay. Một trong số đó là chiếc máy bay Mach 5 - Lapcat-A2 hoạt động bằng động cơ khí phản lực được làm lạnh trước; và hứa hẹn nhất là mẫu thiết kế của ESA là chiếc máy bay Mach 8 cũng hoạt động bằng động cơ phản lực dòng thẳng (không khí vào thẳng động cơ mà không cần thông qua máy nén). 

Theo nguyên lý vận hành này thì động cơ tiến về phía trước, nó nén không khí đi vào bên trong máy với tốc độ cực cao, đẩy thứ không khí này đi thẳng vào buồng đốt. Một minh họa dễ nhận thấy nhất là các thế hệ tên lửa mới nhất được sử dụng bởi máy bay tiêm kích Eurofighter Typhoone.

Các loại động cơ phản lực dòng thẳng này có thể di chuyển máy bay cực nhanh. Nhưng làm cách nào bạn nạp nhiên liệu cho chúng? Lựa chọn nhiên liệu là hết sức quan trọng, đặc biệt là với việc xem xét các hạm đội máy bay siêu thanh trong tương lai sẽ giúp hạn chế khí thải xuống mức tối đa. Đó là lý do vì sao Hydrogen lại được chọn lựa thay vì là sử dụng nhiên liệu từ Hydrocarbon. 

Thêm nữa, nhiên liệu Hydrogen lỏng không hề dễ cháy giữa chuyến bay. Mặc dù Hydrogen có thể được đốt cháy nhưng rủi ro của một vụ nổ hoặc phát hỏa vẫn có thể xảy ra nếu đối chiếu với loại nhiên liệu dầu hỏa máy bay thông thường. Hiện, NASA vẫn đang cung cấp dạng nhiên liệu tương tự cho tàu con thoi của họ. 

NASA cũng đang thăm dò, chuẩn bị cho các chuyến bay siêu thanh.

Ông Johan Steelant phân tích: "Nếu có sự rò rỉ, Hydrogen vì rất nhẹ nên chúng đi thẳng; vì thế không thể trữ Hydrogen trên mặt đất như đối với dầu hỏa. Mặt khác, Hydrogen cũng giống như dầu hỏa cần một ngọn lửa hoặc một nguồn nhiệt để bắt đầu quá trình đốt cháy, vì nó không thể đốt cháy một cách tự phát".

Nhóm nghiên cứu Lapcat-II không hề độc quyền trong lĩnh vực này. Họ đang chia sẻ các khái niệm và ý tưởng với các nhà nghiên cứu trên khắp Thái Bình Dương. 

Ở châu Á, Cơ quan thăm dò hàng không Nhật Bản (JAXA) cũng đang làm việc với một máy bay chở khách siêu thanh mang tên Hytex với tham vọng vượt biển Thái Bình Dương trong vòng 2 tiếng với tốc độ đạt Mach 5. Cả Lapcat-II và JAXA đang là một phần của dự án chuyển giao kiến thức siêu thanh giữa châu Âu và Nhật Bản, gọi chung là Dự án Hikari.

Động cơ phản lực của Hytex đã được thử nghiệm thành công trong một chuyến bay thử nghiệm trong đó mô phỏng tốc độ đạt Mach 1.8. Hytex sử dụng Hydrogen lỏng làm nhiên liệu cũng như làm lạnh khí ở các tốc độ siêu thanh. 

Ông Hideyuki Taguchi, người đứng đầu nghiên cứu máy bay siêu thanh của JAXA, phát biểu: "Chúng tôi đã hoàn thành việc thiết kế ý tưởng và các thử nghiệm hầm gió khí động học của Hytex. Việc tiêu thụ nhiên liệu là 1/5 của động cơ tên lửa".

Cơn đói Hydrogen

Khai thác Hydrogen sao cho hiệu quả là một trong những nhân tố chính của chi phí vận hành. Nếu Hydrogen lấy nguồn từ khí đốt thiên nhiên thay vì phải điện phân nước thì vé máy bay cho các chuyến bay siêu thanh có thể giảm chỉ còn ½ ở dạng vé hạng thương gia. Dựa trên những dự đoán hiện nay, giá vé bay sẽ đắt khoảng 3 lần so với giá vé trung bình ở ghế hạng thương gia. Ước tính giá vé sẽ đội lên khoảng 5.000 euro/ghế trong chặng bay 1 chiều từ Brussels đến Sydney. Câu hỏi lớn là làm thế nào để tạo ra hydrogen? 

Kỹ sư Johan Steelant cho biết: "Các tuốc-bin gió có thể dự trữ năng lượng của chúng bằng cách sản sinh Hydrogen. Thực tế này đã có tại một chuỗi siêu thị của Bỉ, tại đó các xe nâng hàng của họ hoạt động bằng Hydrogen lấy từ một tuốc-bin gió được lắp đặt ở siêu thị".

Mặc dù các máy bay chở khách chạy nhiên liệu Hydrogen sẽ không thải ra khí thải nhà kính như Carbon dioxide, Sulphur oxides hay bồ hóng như loại máy bay dưới âm đang hoạt động ngày hôm nay, nhưng vẫn có một thách thức khác. Hơi nước được sản sinh từ đốt cháy Hydrogen đã lưu lại tại tầng bình lưu trong suốt một thời gian dài, và nó có đóng góp một nhân tố cho sự ấm lên trên toàn cầu. Một tác động tồi tệ khác, đó là hơi nước bị giữ lâu dài. 

Kỹ sư Johan Steelant phân vân: "Chúng tôi vẫn đang xem xét làm thế nào hơi nước có thể bị rã ra theo thời gian. Các nghiên cứu trước đây đã cho thấy rằng vòng đời của hơi nước giảm theo cấp số nhân, từ 30 năm ở độ cao 25km, và khoảng 1 năm ở độ cao từ 32km đến 34km". 

Mẫu thiết kế máy bay siêu thanh Lapcat A2 có thể bay từ châu Âu sang Australia chỉ mất vài tiếng.

Lapcat-II cũng đang lên kế hoạch cho biến thể Mach 8 của họ có thể bay cao hơn 33km, hy vọng sẽ làm giảm thiểu tối đa tác động tới môi trường. Nhiên liệu thay thế có thể hóa lỏng khí thiên nhiên chẳng hạn như methane lỏng siêu lạnh. Kỹ sư Steelant lạc quan nói: "Nếu thị trường của ngành công nghiệp máy bay phản lực nhỏ tồn tại thì kế hoạch này có thể được triển khai".

Cuộc chạy đua bầu trời

Các công ty khác đang hối hả làm việc để biến thị trường kinh doanh siêu thanh trở thành hiện thực. Hãng Airbus vừa cấp bằng sáng chế cho một thiết kế máy bay siêu thanh cánh tam giác đạt tốc độ Mach 4.5, nó có thể tạo ra các máy bay phản lực thương mại. Airbus cũng đang làm việc với Công ty Aerion (Mỹ) để tạo ra một hạm đội máy bay phản lực siêu thanh cho các khách hàng giàu có. 

Hay Hãng Spike Aerospace (Mỹ) cũng đang có kế hoạch khởi động một máy bay siêu thanh chở hành khách thương mại tương tự, nó được lắp đặt một số màn hình video nội bộ gắn với các camera bên ngoài thay vì các cửa sổ. Còn Hãng Lockheed Martin cũng có một máy bay thương mại gọi là N+2 bay với vận tốc Mach 1.7. 

Nhưng khi mà những chiếc máy bay bay quá nhanh sẽ dẫn đến sự bùng nổ nhu cầu phá vỡ bức tường âm thanh. Các máy bay phản lực siêu thanh châu Âu sẽ bay qua Bắc Cực và băng qua eo biển Bering, tránh vùng đất đông dân cư. Vì một tiếng nổ to với 160 decibel truyền xuống mặt đất có thể làm hư vĩnh viễn tai người. Concorde đã giải nghệ vì nó tạo ra tiếng ồn trên mặt đất đến 135 decibel - ồn hơn tiếng ồn của máy bay Airbus trung bình.

Một vấn đề đáng lo ngại khác là sự hình thành những cuộc diễn tập máy bay siêu thanh để tìm hiểu vận tốc, nhào lộn. Nếu mà như thế thì tiếng ồn trên mặt đất do những máy bay siêu thanh này phát ra sẽ ồn gấp 2, 3 lần so với cao độ của máy bay. 

Máy bay siêu thanh châu Âu sẽ bay cao hơn, sóng xung kích trên mặt đất của nó sẽ lan rộng và hình thành những sóng xung kích nhỏ. NASA đang bắt tay làm việc với Lockheed Martin và Boeing để thiết kế nên những loại máy bay siêu thanh có thể im lặng mà phá vỡ bức tường âm thanh. Từ năm 2020 đến năm 2025, những chiếc máy bay có thể vượt ngon lành bức tường âm thanh bên trên các khu dân cư đông đúc mà không gây xáo động bên dưới. 

Ở châu Âu, nhóm nghiên cứu của ông Steelant đang thử nghiệm một mô hình bay với 300 ghế - là mô hình với quy mô 1:120, bay với vận tốc Mach 8 ngay trong một hầm gió. Họ chứng minh rằng mô hình đã tạo ra một lực đẩy khá tích cực. Trong khi mô hình này tiêu thụ gấp 2 nhiên liệu/giây hơn là loại máy bay đạt Mach 4, nhưng nó đến điểm đã định chỉ bằng một nửa thời gian - vì thế nhiên liệu tiêu thụ trong suốt chặng bay là gần như nhau.

Vấn đề nhiệt độ

Nhiệt thật sự là một vấn đề hóc búa. Bất kỳ máy bay nào bay ở vận tốc Mach 5 hoặc hơn nữa đều phải có khả năng chịu được nhiệt độ bề mặt lên đến 1.000 độ C. Nhôm và titan đều có thể tan chảy như miếng bơ ở tốc độ này. Người ta sử dụng các tấm gốm. Trong suốt các thử nghiệm, nhiệt tích lũy ở tốc độ Mach 8 không đầy 30% so với Mach 5. 

Loại máy bay Tu-144 của Liên Xô là loại máy bay chở khách bay nhanh hơn tốc độ âm thanh.

Trong hội nghị vào tháng 7/2015 ở Glasgow, ông Johan Steelant trình bày: "Việc bảo vệ nhiệt ở tốc độ Mach 8 có thể nhẹ hơn so với Mach 5. Khi chúng ta có những chiếc máy bay nhẹ cân, chúng ta sẽ tiêu tốn ít nhiên liệu và có bể chứa nhiên liệu nhỏ, đồng thời động cơ cũng được tiết chế nhỏ thêm". 

Dự án của JAXA đã nghiên cứu về thị trường tiềm năng cho các máy bay chở khách siêu thanh bay với vận tốc Mach 5, và nhận thấy rằng với những máy bay chở khoảng 100 hành khách bay 2 chặng/ngày, đây chính là thực tiễn của nghiên cứu thị trường. Hành khách đi loại máy bay này thường là sử dụng vé hạng nhất.

Đến năm 2030, ngành công nghiệp hàng không siêu thanh có thể chuyên chở trên 500.000 người, đạt giá trị 3,5 tỷ euro/năm, theo nghiên cứu của Airbus và Tập đoàn phát triển máy bay Nhật Bản (JADC). Ông Hideyuki Taguchi bật mí: "Ước tính giá vé cho chặng hành trình bay từ Tokyo đến Los Angeles cũng bằng với giá vé hạng nhất hiện nay". Điều này tượng trưng cho 10% thị trường hành khách sẵn sàng chi trả cho những chuyến bay tiết kiệm thời gian. 

Các thử nghiệm máy bay siêu thanh của Airbus và Aerion sẽ bắt đầu vào năm 2019. Máy bay Lapcat A2 đạt Mach 5 của châu Âu sẽ phải đợi 20 năm nữa mới hoàn thành. Loại máy bay Mach 8 của ESA sẽ đón khách thương mại vào giữa thế kỷ 21. Những loại máy bay Concorde và Tupolev đã mở đường cho việc đi lại hàng không siêu thanh vào thập niên 1970, giờ đây chúng đang phủ bụi trong các viện bảo tàng. Tuy nhiên, di sản của chúng vẫn được duy trì, và những chiếc máy bay bay nhanh hơn và cao hơn sẽ xuất hiện trên đầu chúng ta vào những năm sắp tới.