Đột phá siêu vượt âm mở ra kỷ nguyên bay vòng quanh Trái Đất trong 1 giờ

Một thí nghiệm mới đã mang lại bằng chứng mạnh mẽ ủng hộ giả thuyết Morkovin – ý tưởng lâu nay vẫn gây tranh cãi trong lĩnh vực khí động học. Theo kết quả này, dòng không khí nhiễu loạn ở tốc độ Mach 6 (gấp 6 lần vận tốc âm thanh) có hành vi tương tự như ở tốc độ thấp hơn. Phát hiện này có thể mở đường cho các chuyến bay siêu vượt âm – và thậm chí là du hành không gian giá rẻ hơn – trở thành hiện thực.

Giấc mơ “bay vòng quanh thế giới trong một giờ”

Bay siêu vượt âm (hypersonic flight), vốn chỉ xuất hiện trong truyện khoa học viễn tưởng, giờ đang dần tiến gần thực tế. Nếu thành công, điều này có thể thay đổi hoàn toàn ngành hàng không toàn cầu: những chuyến bay kéo dài cả ngày sẽ rút ngắn chỉ còn bằng thời lượng một bộ phim. Ví dụ, hành trình Sydney – Los Angeles hiện mất khoảng 15 tiếng, có thể chỉ còn 1 tiếng nếu đạt tốc độ Mach 10 (gấp 10 lần tốc độ âm thanh).

Dù viễn cảnh ấy nghe như bất khả thi, nhưng các bước tiến đang đến gần. Một số máy bay quân sự hiện đã đạt tốc độ Mach 2 đến Mach 3, tương đương gấp 2–3 lần vận tốc âm thanh. Tuy nhiên, bay ở Mach 10 để hoàn thành chuyến đi xuyên Thái Bình Dương trong 1 giờ đòi hỏi vượt qua lượng nhiệt khổng lồ và nhiễu động khí động cực mạnh sinh ra khi máy bay xé gió ở vận tốc cực cao.

Ở tốc độ thấp, không khí được xem là dòng chảy không nén (incompressible flow) – mật độ không khí hầu như không thay đổi, giúp việc tính toán đơn giản. Nhưng khi vượt qua rào cản âm thanh, dòng khí trở thành dòng chảy nén (compressible flow) – nơi mật độ, áp suất và nhiệt độ thay đổi liên tục, gây khó khăn lớn cho thiết kế khí động học.

Giả thuyết Morkovin – chiếc chìa khóa cho bay siêu vượt âm

Được nhà khoa học Mark Morkovin đưa ra vào giữa thế kỷ 20, giả thuyết này cho rằng tính chất nhiễu loạn của dòng khí ở tốc độ Mach 5–6 vẫn tương tự như ở tốc độ thấp hơn, dù mật độ và nhiệt độ thay đổi mạnh.

“Hiểu đơn giản, giả thuyết này nói rằng chuyển động ‘lốc xoáy’ của không khí nhanh và chậm không khác nhau nhiều,” – Giáo sư Nicholaus Parziale giải thích. “Nếu điều đó đúng, ta có thể áp dụng cùng mô hình mô phỏng khí động học cho cả dòng chảy nhanh, mà không cần phát minh một hệ thống hoàn toàn mới.”

Nếu được chứng minh, điều này sẽ giúp đơn giản hóa thiết kế máy bay siêu vượt âm, vì không phải thay đổi toàn bộ mô hình tính toán khí động học hiện nay.

Để kiểm chứng, nhóm của Parziale thực hiện nghiên cứu mang tên “Hypersonic Turbulent Quantities in Support of Morkovin’s Hypothesis” (Các đại lượng nhiễu động siêu vượt âm nhằm kiểm chứng giả thuyết Morkovin), công bố ngày 12/11 trên tạp chí Nature Communications.

Trong thí nghiệm, nhóm bơm khí krypton vào luồng không khí trong hầm gió rồi chiếu laser để ion hóa, tạo ra một vệt sáng thẳng. Sau đó, họ dùng camera độ phân giải cực cao để ghi lại cách vệt sáng ấy xoắn, uốn và chuyển động trong dòng khí – tương tự như cách một chiếc lá xoay vòng trong dòng sông.

“Từ hình dạng gợn sóng của vệt sáng, ta có thể hiểu sâu về cấu trúc nhiễu động của dòng khí,” Parziale nói. “Kết quả cho thấy ở tốc độ Mach 6, dòng khí nhiễu loạn thực sự rất giống với dòng chảy không nén ở tốc độ thấp.”

Nhóm nghiên cứu được tài trợ bởi Không quân Mỹ (AFOSR) và Hải quân Mỹ (ONR) trong suốt nhiều năm, bắt đầu từ các chương trình Nhà nghiên cứu trẻ (YIP) vào năm 2016 và 2020.

Hướng tới kỷ nguyên bay siêu vượt âm và du hành không gian

Dù chưa thể xác nhận hoàn toàn, kết quả nghiên cứu này là bước tiến lớn hướng tới hiện thực hóa bay siêu vượt âm. Nếu giả thuyết Morkovin là chính xác, việc mô phỏng và thiết kế máy bay Mach 6 trở nên khả thi hơn nhiều, vì không cần siêu máy tính khổng lồ để tính toán hàng tỷ biến động nhỏ của không khí.

Giáo sư Parziale cho biết, phát hiện này còn mở ra cơ hội cho công nghệ bay vào không gian kiểu mới:

“Nếu ta có thể chế tạo máy bay bay ở tốc độ siêu vượt âm, thì cũng có thể dùng chúng để bay lên quỹ đạo Trái Đất thấp, thay vì phải phóng tên lửa. Điều đó sẽ thay đổi hoàn toàn cách con người di chuyển — không chỉ trên Trái Đất, mà còn giữa Trái Đất và không gian gần.”