Động cơ siêu âm Mach 5 của Nhật Bản: Bay từ Tokyo đến Mỹ chỉ trong 2 giờ

Động cơ siêu âm Mach 5 của Nhật Bản: Bay từ Tokyo đến Mỹ chỉ trong 2 giờ

Nghe có vẻ như cốt truyện của một bộ phim viễn tưởng: những chiếc máy bay siêu âm có thể vượt qua đại dương Thái Bình Dương rộng lớn trong chưa đầy hai giờ. Tuy nhiên, các thử nghiệm gần đây của Cơ quan Thám hiểm Hàng không Vũ trụ Nhật Bản (JAXA) phối hợp với một số trường đại học hàng đầu nước này đã biến tầm nhìn từng dường như bất khả thi này trở nên gần gũi hơn bao giờ hết.

Mô phỏng máy bay siêu âm

Một nhóm kỹ sư từ JAXA, Đại học Waseda, Đại học Tokyo và Đại học Keio đã hoàn thành thành công thử nghiệm đốt cháy trên mặt đất cho một động cơ ramjet được thiết kế cho máy bay siêu âm Mach 5. Đây là bước tiến quan trọng hướng tới tương lai nơi những chuyến bay từ Tokyo đến Los Angeles có thể chỉ mất thời gian ngắn như một chuyến bay nội địa. Thử nghiệm được thực hiện tại Trung tâm Vũ trụ Kakuda của JAXA, mô phỏng điều kiện bay ở tốc độ gấp 5 lần tốc độ âm thanh, tập trung xác nhận khả năng chịu nhiệt, bề mặt điều khiển và hiệu suất động cơ trong điều kiện khắc nghiệt.

Cơ chế hoạt động của động cơ Ramjet Mach 5

Nguyên lý hoạt động động cơ

Ramjet, công nghệ nằm ở trọng tâm của thử nghiệm này, là một loại động cơ phản lực khí nạp không có bộ phận chuyển động. Tên gọi bắt nguồn từ việc động cơ dựa vào chuyển động tiến nhanh để "nén" không khí vào trước khi trộn với nhiên liệu và đốt cháy để tạo lực đẩy. Công nghệ này loại bỏ nhu cầu về máy nén khí quay nặng nề, cho phép chúng vận hành ở tốc độ vượt xa khả năng của động cơ tuốc giáp thông thường. Tuy nhiên, nhược điểm lớn là ramjet không thể hoạt động từ trạng thái đứng yên; để hoạt động, nó trước tiên cần được tăng tốc đến tốc độ siêu âm.

Trong thử nghiệm của Nhật Bản, một mẫu máy bay thử nghiệm được lắp đặt trong đường hầm gió mô phỏng điều kiện ở độ cao khoảng 25 km, nơi mật độ không khí chỉ bằng khoảng một phần trăm so với mực nước biển. Ở độ cao đó và ở tốc độ Mach 5, không khí quanh mũi máy bay và các cạnh dẫn hướng có thể đạt nhiệt độ vượt quá 1.000 độ C (1.832°F), một thách thức mà Không quân Hoa Kỳ cũng đang gặp khó khăn khi phát triển các máy bay siêu âm của riêng họ.

Để xử lý mức nhiệt này, các kỹ sư đã xây dựng một hệ thống bảo vệ nhiệt tiên tiến giúp duy trì nhiệt độ bên trong máy bay ở mức hoạt động bình thường, cho phép hệ thống điện tử hàng không và điều khiển hoạt động bình thường. Đồng thời, các cảm biến đã lập bản đồ phân bố nhiệt độ bề mặt để xác minh các tính toán cấu trúc nhiệt, yếu tố then chốt để mở rộng quy mô lên một chiếc chở khách thực thụ.

Từ tên lửa thăm dò đến hành trình 2 giờ xuyên Thái Bình Dương

Tương lai du lịch hàng không

Cần làm rõ rằng, thử nghiệm ban đầu này vẫn còn một khoảng cách lớn so với một chuyến bay thực tế. Nó đại diện cho sự xác nhận trên mặt đất của một mô hình thu nhỏ. Bước tiếp theo, JAXA lên kế hoạch gắn phương tiện thử nghiệm lên một tên lửa thăm dò (một loại tên lửa quỹ đạo con thường được dùng để đo lường và thực hiện các thí nghiệm khoa học trong không gian) và cố gắng thực hiện một chuyến bay thực tế ở tốc độ Mach 5. Giả sử thành công và vượt qua các rào cản về quy định cũng như kỹ thuật, mục tiêu là đưa dịch vụ hành khách siêu âm vào hoạt động thương mại vào thập niên 2040.

Nếu tiến độ tiếp tục được duy trì, một chiếc máy bay Mach 5 bay ở độ cao 25 km (gấp gần đôi độ cao của các hãng hàng không thương mại hiện tại) về mặt lý thuyết có thể rút ngắn hành trình Tokyo - Los Angeles từ khoảng 10 giờ xuống còn khoảng 2 giờ, mà không gặp phải sự phức tạp của việc vào quỹ đạo đầy đủ. Điều này có nghĩa là thời gian di chuyển sẽ được cắt giảm mạnh, biến chuyến đi từ Mỹ sang Nhật Bản vốn mất cả tuần lễ thành một chuyến đi trong ngày chỉ với vài giờ trên không.