Chiếc xe nhanh nhất thế giới được thiết kế như thế nào?

Cách đây 100 năm, tay đua Lydston Hornsted cùng với chiếc xe Benz No.3 đã phá vỡ kỷ lục tốc độ của một chiếc xe di chuyển trên mặt đất với vận tốc 229 km/h. Đến năm 1997, chiếc xe đua với thiết kế vô cùng đặc biệt Thrust SSC của tay đua Andy Green đã vượt qua vận tốc siêu âm và đạt mức 1200 km/h.

Không dừng lại ở đó, các nhà thiết kế vẫn nghiên cứu và chế tạo những chiếc xe chạy với vận tốc siêu nhanh, phá vỡ mọi rào cản về vận tốc của một chiếc xe chạy trên mặt đất. Để có thể đạt đến vận tốc siêu âm hoặc vượt âm, những chiếc xe phải có thiết kế vô cùng đặc biệt. Trong bài viết này chúng ta sẽ tìm hiểu xem những nhà thiết kế đã làm thế nào để một chiếc xe có thể đạt vận tốc 1600 km/h.

Câu hỏi đầu tiên được đặt ra đối với một chiếc xe đạt vận tốc siêu âm là “làm thế nào để giữ chiếc xe ở trên mặt đất”. Điều này vô cùng quan trọng, bởi khi đạt vận tốc siêu âm lên tới hơn 1600 km/h, một chiếc xe có thể “bay” khỏi mặt đất. Năm 1967, tay đua Donald Campbell đã gặp phải một tai nạn kinh hoàng khi lái thử một chiếc tàu siêu tốc. Khi đạt đến vận tốc cực cao, chiếc tàu bị “bay” khỏi mặt nước và lộn nhào.

Động cơ phản lực

Ban đầu, những chiếc “siêu” xe này được trang bị động cơ đốt trong sử dụng piston, chạy bằng xăng hoặc dầu diesel, tuy nhiên những chiếc xe sử dụng các loại động cơ truyền thống chỉ có thể đạt vận tốc tối đa 400 km/h.

Để có thể đẩy vận tốc lên mức siêu âm, những chiếc xe cần nhiều năng lượng hơn nữa. Các nhà thiết kế bắt đầu thử nghiệm các loại động cơ phản lực và động cơ tên lửa. Khi đã có thể đạt đến vận tốc cao hơn, lực cản của không khí trở thành một vấn đề lớn cần giải quyết. Lúc này, thiết kế động lực học của chiếc xe trở thành một phần vô cùng quan trọng.

Bloodhound được trang bị động cơ phản lực EJ200 của máy bay chiến đấu Eurofighter-Typhoon kết hợp cùng một tên lửa đẩy Falcon cho công suất 133.000 mã lực. Với lực đẩy 90kN tạo ra bởi động cơ EJ200 cộng với lực đẩy 212kN (tương đương 180 chiếc xe F1) từ tên lửa Falcon thì nhóm thực hiện dự án tính toán xe có thể tăng tốc từ 0 đến 1000 dặm/h chỉ trong 42 giây.

Thiết kế khí động lực học

Khí động lực học nghiên cứu sự di chuyển của các dòng chảy không khí qua các vật di chuyển và lực cản mà không khí tác động lên chúng. Việc tính toán khí động lực học vô cùng phức tạp và gặp rất nhiều khó khăn cho đến khi các siêu máy tính ra đời, có khả năng thay thế con người. Trong một vài thập kỷ trước đây, việc nghiên cứu khí động lực học được tiến hành trong các hầm thí nghiệm với những cỗ máy tạo gió khổng lồ.

Mô phỏng khí động lực học trên máy tính.

Tuy nhiên bây giờ các nhà khoa học đã có thể lập trình và tính toán với các mô hình mô phỏng trên máy tính. Lúc này, việc giữ được mũi xe không bị nhấc lên khỏi mặt đất không còn là vấn đề lớn, khi mà các nhà thiết kế có thể tính toán cân bằng dòng chảy phía trên và phía dưới của mũi xe. Lúc này, việc giữ cho phần đuôi xe không bị “bay” trở thành một vấn đề nan giải hơn. Để giải quyết vấn đề này, các bánh xe được làm lớn hơn và nằm bên ngoài thân xe giúp giải phóng luồng khí di chuyển qua các bánh xe.

Bên cạnh đó, thiết kế thống treo bánh xe đặc biệt theo kiểu “delta fairing” góp phần giải quyết các vấn đề khí động lực học, giúp chiếc xe không bị “bay” khỏi mặt đất. Bánh xe được làm đặc để luồng không khí không thể đi qua, bên cạnh đó hai bánh xe sau còn được lắp một phần cản gió với thiết kế đặc biệt để phân tàn luồng không khí.

Thiết kế này giúp loại trừ các lực nâng từ đệm khí hình thành khi chiếc xe đạt vận tốc siêu âm. Nếu như không có thiết kế hệ thống treo này, một lực nâng rất lớn sẽ khiến chiếc xe bị nhấc khỏi mặt đất khi đạt vận tốc cận âm Mach 0,9.

Việc thiết kế vị trí lắp đặt của động cơ tên lửa EJ200 cũng gặp nhiều khó khăn, ban đầu các nhà thiết kế lắp đặt hai động cơ phản lực bên thân xe tuy nhiên vẫn không đảm bảo tính động lực học. Sau đó, các nhà thiết kế quyết định chỉ sử dụng một động cơ đặt trên thân xe, phía trên tán buồng lái.

Thiết kế thay đổi của chiếc xe từ năm 2007 đến nay.

Thiết kế của thân xe cũng thay đổi rất nhiều so với những chiếc xe thông thường, thu gọn bề ngang và chỉ sử dụng một chỗ ngồi cũng như hình dáng mũi tên góp phần giảm lực cản của không khí lên chiếc xe. Từ năm 2007 đến nay, thiết kế của chiếc xe đã trải qua hơn 12 mô hình điều chỉnh về thiết kế. Mỗi mô hình đều được thử nghiệm mô phỏng khí động lực học trên máy tính để tìm ra được thiết kế tối ưu nhất.

Sau những cải tiến về thiết kế, chiếc “siêu” xe Bloohound đã khá hoàn thiện, tuy nhiên hóm thiết kế vẫn chưa dừng lại ở đó. Dự kiến quá trình thử nghiệm Bloodhound SSC sẽ được tiến hành tại Anh quốc vào đầu năm tới, trước khi chiếc xe có thể thực hiện màn lập kỷ lục vào năm 2015 tại Nam Phi trên một sa mạc rộng hơn 3 km và dài khoảng 19 km.

Tham khảo: Livescience