Một thí nghiệm mới đã củng cố giả thuyết Morkovin vốn được tranh luận lâu nay, cho thấy nhiễu loạn ở tốc độ Mach 6 tương tự như ở các luồng khí chậm hơn. Phát hiện này mở ra khả năng biến chuyến bay siêu thanh — và thậm chí việc tiếp cận không gian — trở nên khả thi hơn nhiều.
Nếu trở thành hiện thực, chuyến bay siêu thanh, từng chỉ xuất hiện trong khoa học viễn tưởng, có thể hoàn toàn thay đổi cách chúng ta di chuyển toàn cầu. Những hành trình kéo dài cả ngày giờ đây có thể rút ngắn chỉ bằng thời lượng một bộ phim. Chẳng hạn, chuyến bay từ Sydney đến Los Angeles có thể chỉ mất một giờ thay vì mười lăm giờ.
“Điều này thực sự thu nhỏ hành tinh,” Giáo sư Nicholaus Parziale, chuyên nghiên cứu về việc hiện thực hóa chuyến bay siêu thanh và là người chủ trì thực hiện thí nghiệm, nhận định. Ông nói thêm: “Nó sẽ khiến du lịch nhanh hơn, dễ dàng hơn và thú vị hơn.”
Theo quy ước phổ biến, chuyến bay siêu thanh (hypersonic) là chuyến bay có tốc độ từ Mach 5 (22.050 km/giờ) trở lên, trong khi tốc độ dưới Mach 5 được gọi là chuyến bay vượt âm (supersonic).
Rào cản nhiệt độ và nhiễu loạn
Bay nửa vòng Trái đất trong một giờ nghe có vẻ bất khả thi, nhưng mục tiêu này đang tiến gần hơn. Máy bay quân sự hiện đã đạt tốc độ gấp hai hoặc ba lần tốc độ âm thanh, tức Mach 2 và Mach 3. Để hoàn thành chuyến Los Angeles–Sydney trong một giờ, máy bay cần đạt Mach 10, tức mười lần tốc độ âm thanh. Thách thức lớn nhất là nhiệt độ và nhiễu loạn cực cao sinh ra khi máy bay cắt qua bầu khí quyển ở tốc độ này.
Không khí không vận hành giống nhau ở tốc độ thấp và cao. Các kỹ sư hàng không vũ trụ dùng các thuật ngữ “dòng không nén” và “dòng nén” để mô tả sự khác biệt. Trong dòng không nén (xảy ra ở tốc độ thấp, dưới Mach 0,3 hay 225 dặm/giờ), mật độ không khí gần như không thay đổi, giúp việc tính toán thiết kế đơn giản hơn. Khi vượt qua bức tường âm thanh, dòng khí trở nên nén được. “Điều này vì khí có thể ‘bị ép lại’,” Parziale giải thích.
Sự nén khiến mật độ không khí thay đổi mạnh theo áp suất và nhiệt độ, ảnh hưởng tới cách máy bay tương tác với không khí xung quanh. “Khả năng nén ảnh hưởng đến luồng khí đi quanh thân máy bay và có thể thay đổi lực nâng, lực cản và lực đẩy cần thiết để cất cánh hoặc duy trì bay.” Những yếu tố này rất quan trọng trong thiết kế máy bay.
Các kỹ sư đã hiểu rõ luồng khí đối với máy bay bay dưới hoặc gần tốc độ âm thanh. Nhưng thiết kế phương tiện bay gấp năm đến mười lần tốc độ đó đòi hỏi hiểu luồng khí trong điều kiện khắc nghiệt hơn. Bí ẩn này vẫn còn tồn tại, ngoại trừ một ý tưởng định hướng: giả thuyết Morkovin.
Giả thuyết Morkovin: Nhiễu loạn vượt bức tường âm thanh
Được Mark Morkovin đề xuất giữa thế kỷ 20, giả thuyết này cho rằng khi không khí chuyển động ở Mach 5 hoặc Mach 6, hành vi nhiễu loạn không thay đổi nhiều so với tốc độ chậm. Mặc dù mật độ và nhiệt độ không khí thay đổi mạnh hơn trong dòng khí nhanh, chuyển động “gợn sóng” cơ bản của nhiễu loạn vẫn giữ nguyên.
“Về cơ bản, cách không khí nhiễu loạn chuyển động ở tốc độ thấp và cao không khác nhau nhiều,” Parziale nói. “Nếu giả thuyết đúng, chúng ta không cần một phương pháp hoàn toàn mới để hiểu nhiễu loạn ở tốc độ cao. Có thể áp dụng cùng khái niệm với dòng khí chậm.” Điều này cũng có nghĩa là máy bay siêu thanh không cần thiết kế khác biệt đáng kể.
Cho đến nay, chưa ai cung cấp đủ bằng chứng thực nghiệm để hỗ trợ giả thuyết Morkovin. Đây là chủ đề nghiên cứu mới của Parziale, mang tên “Các Đại Lượng Dòng Nhiễu Siêu Thanh Hỗ Trợ Giả Thuyết Morkovin”, công bố ngày 12/11 trên tạp chí Nature Communications.
Thử nghiệm giả thuyết: Laser, Krypton và một thập kỷ nỗ lực
Nhóm của Parziale dùng laser ion hóa khí krypton, được thêm vào luồng không khí trong đường hầm gió. Các nguyên tử krypton hình thành một đường thẳng phát sáng ban đầu. Camera siêu phân giải chụp lại cách đường sáng này uốn cong, xoắn và chuyển động qua luồng không khí — giống như một chiếc lá xoay trong các dòng xoáy nhỏ trên sông.
“Khi đường sáng di chuyển cùng khí, bạn có thể thấy cấu trúc và nếp nhăn trong luồng khí, từ đó học được nhiều về nhiễu loạn,” Parziale nói. Ông cho biết đã mất 11 năm xây dựng nghiên cứu này. “Chúng tôi nhận thấy ở Mach 6, hành vi nhiễu loạn gần giống dòng không nén.”
Nhóm Parziale được hỗ trợ bởi Chương trình Nghiên cứu Nhà khoa học trẻ của Không quân Mỹ (YIP, 2016) và Văn phòng Nghiên cứu Hải quân (ONR, 2020). Nghiên cứu hiện nay cũng được ONR hỗ trợ.
Hướng tới chuyến bay siêu thanh và không gian
Mặc dù giả thuyết chưa được xác nhận hoàn toàn, nghiên cứu đưa chúng ta gần hơn tới chuyến bay siêu thanh vì cho thấy máy bay không cần thiết kế hoàn toàn mới để bay ở tốc độ này.
“Hôm nay, chúng ta phải dùng máy tính để thiết kế máy bay, và mô phỏng mọi chi tiết cho máy bay bay Mach 6 sẽ là bất khả thi,” Parziale nói. “Giả thuyết Morkovin cho phép đưa ra các giả định đơn giản, giúp việc tính toán thiết kế phương tiện siêu thanh khả thi hơn.”
Các kết quả nghiên cứu cũng mở ra tiềm năng thay đổi vận tải không gian. “Nếu chế tạo được máy bay bay siêu thanh, chúng ta có thể đưa chúng vào không gian, thay vì phóng tên lửa, giúp cho việc di chuyển tới và từ quỹ đạo Trái đất thấp dễ dàng hơn,” ông nói. “Điều này sẽ thay đổi cuộc chơi cho vận tải không chỉ trên Trái đất mà còn ở quỹ đạo thấp.”
Một thí nghiệm sử dụng laser tiết lộ các bí mật về nhiễu loạn có thể biến chuyến bay siêu thanh — và hành trình toàn cầu chỉ một giờ — thành hiện thực. Ảnh: Shutterstock
Nicholaus Parziale cho biết máy bay siêu thanh có thể bay từ Los Angeles đến Sydney chỉ trong vòng một giờ. Ảnh: Stevens Institute of Technology
