Máy bay siêu thanh trong hàng không dân dụng

Bản quyền hình ảnh Reaction Engines

“Thật là một máy bay thần kỳ... được bay với nó là niềm vui gần như không gì sánh nổi,” Joelle Cornet-Templet, nữ tiếp viên chính của hãng Air France, nói về máy bay siêu thanh Concorde. Đó là một trong những máy bay siêu thanh dân dụng đầu tiên trên thế giới hoạt động từ năm 1976 cho đến năm 2003 và hầu như đã trở thành biểu tượng của việc đi lại đẳng cấp.

Concorde có thể bay từ London đến Sydney trong 17 tiếng, ba phút và 45 giây so với khoảng 22 tiếng nếu bay bằng Boeing 747.

Concorde là máy bay nổi tiếng nhất trong dòng máy bay chuyên biệt chỉ có hai thành viên; loại máy bay dân dụng còn lại có khả năng vượt tốc độ âm thanh là Tupolev Tu-144 của Liên Xô vốn hoạt động cho đến năm 1999.

Một chiếc Tupolev với một số cải tiến đã được Nasa dùng trong thí nghiệm và trong một chương trình hợp tác nghiên cứu chung của ngành hàng không hai nước Mỹ và Nga sau khi Chiến tranh Lạnh kết thúc.

Sự cáo chung của Concorde và Tupolev đã khiến thị trường máy bay siêu thanh không còn lại gì. Nhưng giờ đây, 12 năm sau chuyến bay cuối cùng của Concorde, đã có những máy bay còn nhanh hơn đang được thành hình ở các cơ sở nghiên cứu.

Một trong những mẫu này là máy bay Lapcat-II của châu Âu thiết kế, có khả năng di chuyển với tốc độ nhanh gấp tám lần vận tốc âm thanh (tức 8.500 km/h). Nó có thể đưa hành khách từ Brussels đến Sydney trong vòng 2 giờ 55 phút.

Tại một hội thảo về máy bay siêu thanh ở Glasgow, Scotland hồi tháng Bảy 2015, nghiên cứu do các khoa học gia thiết kế Lapcat-II đệ trình nói rằng những thử nghiệm ban đầu của họ cho thấy mẫu máy bay này thân thiện với môi trường hơn những máy bay hiện tại cũng như rất an toàn và không tốn kém hơn bao nhiêu so với các chuyến bay đường dài hiện nay.

Yếu tố năng lượng

Johan Steelant, kỹ sư nghiên cứu cấp cao tại Cơ quan Hàng không châu Âu (ESA) và là người điều phối của chương trình máy bay Lapcat-II, cùng với các đồng sự đã thử nghiệm hai mẫu máy bay.

Một là mẫu có tốc độ Mach 5 – chiếc Lapcat-A2 sử dụng động cơ phản lực dòng thẳng gắn động cơ tăng áp khí tiền giảm nhiệt. Mẫu kia là mẫu nhiều triển vọng - thiết kế của Esa - chiếc phi cơ Mach 8, cũng được gắn một động cơ phản lực dòng thẳng.

Máy bay phản lực dòng thẳng là loại máy bay sử dụng chuyển động về phía trước của động cơ để nén khí vào mà không dùng các bộ phận chính nào di chuyển cả.

Việc động cơ đẩy về phía trước với vận tốc lớn làm không khí được nén vào trong một khoang đốt nóng.

Động cơ phản lực dòng thẳng giúp phi cơ di chuyển rất nhanh. Nhưng chúng ta cần dùng loại nhiên liệu gì cho loại động cơ này?

Lựa chọn loại năng lượng nào là điều rất quan trọng, nhất là khi bất cứ đội bay siêu thanh nào trong tương lai cũng cần phải xem xét việc phát thải ở mức thấp nhất có thể.

Bản quyền hình ảnh Science Photo Library
Image caption Khi Concorde ngưng hoạt động hồi 2003, thị trường hàng không tốc độ siêu thanh cũng ngưng theo

Đó là lý do tại sao hydrogen được chọn thay vì một loại nhiên liệu có hydrocarbons.

Hơn nữa, nhiên liệu hydrogen lỏng không dễ dàng bắt cháy khi đang bay. Mặc dù hydrogen có thể được kích hỏa nhưng nguy cơ cháy nổ thấp hơn so với nhiên liệu xăng dầu dùng cho máy bay thông thường. Đó là loại nhiên liệu mà Nasa đã sử dụng để chạy các phi thuyền không gian của họ.

“Nếu xảy ra rò rỉ thì do hydrogen rất nhẹ nên nó bay thẳng lên trên. Do đó không xảy ra trường hợp tích tụ hydrogen ở phía dưới như trong trường hợp xăng dầu. Hydrogen, cũng như dầu hỏa, cần nguồn nhiệt để kích hỏa, do đó nó không tự bốc cháy được,” Steelant giải thích.

Nhóm nghiên cứu Lapcat-II không phải là những người đơn độc trong lĩnh vực này.

Họ đang chia sẻ các ý tưởng và khái niệm với các nhà nghiên cứu ở hai bờ Thái Bình Dương.

Ở châu Á, Cơ quan Khai thác Không gian của Nhật Bản (Jaxa) cũng đang phát triển một loại máy bay siêu thanh có tên gọi là Hytex với mục tiêu có thể vượt Thái Bình Dương trong vòng hai tiếng đồng hồ với tốc độ Mach-5.

Cả Lapcat-II và Jaxa đều nằm trong một dự án chuyển giao kiến thức về máy bay siêu thanh giữa châu Âu và Nhật Bản, dự án Hikari.

Động cơ phản lực của Hytex đã được thử nghiệm thành công trong một chuyến bay thí nghiệm mô phỏng vận tốc đạt đến Mach 1.8, trong đó hydrogen lỏng được sử dụng vừa làm nhiên liệu vừa làm chất làm nguội cho máy bay di chuyển ở tốc độ siêu thanh.

“Chúng tôi đã hoàn tất thiết kế và thử nghiệm mẫu tunnel khí động học của Hytex. Mức tiêu hao nhiên liệu chỉ bằng một phần năm so với mức ngốn nhiên liệu ở động cơ tên lửa,” Hideyuki Taguchi, lãnh đạo nhóm nghiên cứu máy bay siêu thanh của Jaxa, cho biết.

Cơn khát hydrogen

Tuy nhiên, phát triển được hydrogen một cách hiệu quả lại là nhân tố chính khiến cho chi phí vận hành bị tăng cao.

Nếu hydrogen có thể có được từ khí đốt thiên nhiên thay vì bằng việc áp dụng biện pháp điện phân nước, thì giá vé đi máy bay siêu thanh sẽ giảm xuống còn phân nửa giá vé hạng thương gia.

Bản quyền hình ảnh Science Photo Library
Image caption Các cơ quan nghiên cứu như Nasa cũng đã đầu tư tìm hiểu về hoạt động di chuyển với tốc độ siêu thanh

Nếu dựa trên những dự toán hiện nay thì giá vé sẽ đắt gấp ba lần so với giá vé hạng thương gia. Người ta đưa ra một ước tính theo đó nói giá vé một chiều từ Brussels đến Sydney sẽ vào khoảng 5.000 euro.

Câu hỏi lớn hiện nay là làm sao tạo ra được đủ lượng nhiên liệu hydrogen cần thiết.

“Các turbine gió có thể tích trữ năng lượng bằng cách tạo ra hydrogen,” Steelant nói.

“Công nghệ này đã được một chuỗi siêu thị ở Bỉ áp dụng bằng cách chạy các xe nâng hàng bằng hydrogen được tạo ra từ một nhà máy turbin gió tại chỗ.”

Ngay cả khi các máy bay chạy bằng hydrogen không phát thải các khí gây hiệu ứng nhà kính như CO2 hay sulphur oxide như các máy bay thông thường hiện nay thì vẫn còn một vấn đề khác cần phải cân nhắc.

Hơi nước bốc lên từ quá trình đốt cháy hydrogen sẽ nằm ở tầng khí quyển rất lâu và có thể sẽ góp phần vào quá trình làm nóng ấm toàn cầu.

Điều này gây tác động tệ hại hơn so với các máy bay đường dài hiện tại, bởi hơi nước nằm lâu hơn trong khí quyển.

“Chúng tôi vẫn phải xem xét cách làm sao để cho hơi nước mất đi theo thời gian,” Steelant nói. “Các nghiên cứu trước đây đã cho thấy vòng đời của hơi nước giảm đi theo cấp số nhân – mất 30 năm ở độ cao 25 km cho đến chưa đến một năm ở độ cao từ 32 cho đến 34 km.”

Lapcat-II cũng có kế hoạch cho mẫu máy bay Esa đã qua cải tiến, đạt tốc độ Mach 8 bay ở độ cao trên 33 km với hy vọng sẽ giảm thiểu tác động đối với môi trường.

Một nhiên liệu khác thay thế có thể là khí tự nhiên được hóa lỏng, chẳng hạn như chất methane lỏng siêu lạnh. Khi được trữ ở dạng lỏng thì nó chiếm ít thể tích hơn nhiều so với ở dạng khí.

Chạy đua chiếm lĩnh bầu trời

Các công ty khác đang tìm cách đưa hoạt động của máy bay siêu thanh vào phục vụ trong ngành hàng không dân dụng.

Bản quyền hình ảnh Science Photo Library
Image caption Chiếc Tu-144 của Liên Xô cũ là loại máy bay duy nhất có thể vận chuyển hành khách đi nhanh hơn tốc độ âm thanh

Hãng Airbus đã đăng ký bằng sáng chế mẫu thiết kế siêu thanh với tốc độ Mach 4.5 có thể áp dụng để chế tạo ra máy bay thương mại.

Ngoài ra, Airbus cũng làm việc với hãng Aerion của Mỹ để đưa vào hoạt động một đội bay siêu thanh phục vụ các khách hàng giàu có.

Spike Aerospace, một công ty Mỹ khác, cũng có kế hoạch tung ra máy bay chở khách siêu thanh tương tự.

Còn hãng Lockheed Martin đã có một mẫu máy bay thương mại, mẫu N+2 có khả năng bay ở tốc độ Mach 1.7.

Tuy nhiên, có một vấn đề phát sinh khi các máy bay bay quá nhanh – đó là tiếng ồn khi vượt qua giới hạn âm thanh.

Các máy bay siêu thanh của châu Âu sẽ bay trên vùng trời Bắc Cực và băng qua eo biển Bering nhằm tránh các vùng đông dân cư.

Động cơ siêu thanh sẽ gây ra tiếng ồn 160 decibel và tiếng ồn này sẽ đi xuống mặt đất, có thể làm hỏng vĩnh viễn đôi tai của con người.

Máy bay Concorde đã tạo ra tiếng ồn 135 decibel trên mặt đất – cao hơn rất nhiều so với mức trung bình của máy bay Airbus.

Một vấn đề khác là ‘tiếng nổ siêu lớn’ phát ra khi máy bay siêu thanh thay đổi tốc độ hay chuyển hướng.

Tiếng nổ siêu lớn tạo ra âm thanh trên mặt đất lớn hơn gấp ba lần so với khi máy bay trên không trung.

Bản quyền hình ảnh Reaction Engines
Image caption Máy bay thiết kế dựa trên mô hình Lapcat A2 có thể bay từ châu Âu tới Úc chỉ trong vòng vài giờ đồng hồ

Nasa đang làm việc với các hãng Lockheed Martin và Boeing để cho ra đời các mẫu máy bay có thể vượt tốc độ âm thanh nhưng gây ra âm thanh có mức ồn thấp hơn.

Từ năm 2020 cho đến năm 2025 có khả năng sẽ có máy bay siêu thanh bay qua những vùng đông dân cư mà không ra tiếng ồn lớn.

Vấn đề nhiệt

Xử lý vấn đề nhiệt sẽ là một mối lo thật sự. Bất cứ thứ gì di chuyển ở tốc độ từ Mach 5 trở lên phải chịu nhiệt độ bề mặt lên đến 1.000 độ C.

Ngay cả nhôm và titanium sẽ tan chảy như bơ ở nhiệt độ như thế. Do đó các tấm sứ sẽ được sử dụng.

Trong các thử nghiệm, mức nhiệt tích lũy ở tốc độ Mach 8 thấp hơn khoảng 30% so với Mach 5.

Đây là một ngạc nhiên thú vị đối với nhóm nghiên cứu của Steelant.

“Thiết bị bảo vệ trước nhiệt độ cao đối với tốc độ Mach 8 sẽ nhẹ hơn so với tốc độ Mach 5. Khi chúng ta có máy bay nhẹ hơn, chúng ta sẽ có mức tiêu hao năng lượng thấp hơn và nhờ vậy khoang chứa nhiên liệu sẽ nhỏ hơn. Điều này một lần nữa sẽ làm cho máy bay trở nên nhỏ gọn hơn,” Steelant cho biết.

Cho đến năm 2030, ngành hàng không siêu thanh có thể tạo việc làm cho 500.000 người và có giá trị 3,5 tỷ euro một năm, theo nghiên cứu của Airbus và Tập đoàn phát triển máy bay Nhật Bản.

“Giá vé dự tính cho chuyến bay từ Tokyo đến Los Angeles vẫn không khác gì so với giá vé ghế hạng nhất hiện nay,” Taguchi nói. Điều này có nghĩa là có 10% trong số các hành khách hiện tại sẵn sàng móc hầu bao để mua giá vé này để tiết kiệm thời gian di chuyển.

Các thử nghiệm máy bay của Airbus và Aerion sẽ bắt đầu vào năm 2019.

Mẫu A2 đạt tốc độ Mach 5 của châu Âu sẽ cần thêm 20 năm để hoàn thành.

Máy bay Mach 8 của ESA sẽ bền vững về mặt kinh doanh vào khoảng giữa thế kỷ 21.

Các mẫu máy bay Concorde và Tupolev vốn khai phá mảngmáy bay siêu thanh vào thời thập niên 1970 giờ đây đã phủ đầy bụi trong các viện bảo tàng.

Tuy nhiên, di sản mà chúng để lại vẫn sống mãi trong những năm sắp tới.

Bản tiếng Anh bài này đã đăng trên BBC Future.

Tin liên quan