Khám phá những bí mật giúp máy bay chiến đấu "Chim Đen" vẫn giữ kỷ lục về tốc độ và độ cao trong suốt 40 năm qua

Hình ảnh dưới đây là là những ấn tượng ban đầu nhằm cho bạn hiểu rõ được rằng tại sao chiếc BlackBird SR-71 lại có thể nắm giữ kỉ lục bầu trời lâu được như thế. Quả thực quá đáng tiếc khi con quái vật này không còn được phục vụ trong quân đội, nhưng với những dấu mốc mà nó đã thiết lập, chẳng dễ gì để những chiếc phi cơ "đàn em" có thể vượt mặt được "lão già gân" này.

Bài viết chi tiết ở ngay dưới sẽ cho bạn thấy một cái nhìn chi tiết hơn về bá chủ bầu trời: Con Chim đen SR-71 huyền thoại.

Cho dù chiếc cuối cùng trong dòng máy bay nổi tiếng này đã ngừng cất cánh từ hơn 17 năm nay, nhưng cái tên BlackBird SR-71 vẫn là một biểu tượng khó vượt qua. Kỷ lục về tốc độ đối với một chiếc máy bay có người lái được nó lập nên từ năm 1976 đến nay vẫn là một tượng đài khó xô đổ. Có lẽ không phải ngẫu nhiên khi chiếc máy bay nổi tiếng này trở thành nguyên mẫu cho chiếc phi cơ được sử dụng trong series phim đình đám, X-Men.

Nhưng nó đã được làm ra như thế nào, và điều gì làm cho chiếc máy bay này có thể đạt đến vận tốc siêu thanh gần với ngưỡng của tàu không gian như vậy?

Khai sinh của chiếc Blackbird (Chim Đen)

Trong những năm 1950, lo ngại về một cuộc tấn công bất ngờ từ phía Liên Xô đã khiến tổng thống Mỹ lúc đó là ông Eisenhower đưa ra sáng kiến Open Skies (Những bầu trời mở) để cho phép máy bay phản lực bay qua lãnh thổ của nhau. Trong khi điện Kremlin bác bỏ đề xuất này, người Mỹ đã âm thầm bắt tay vào chế tạo những chiếc máy bay do thám đầu tiên của mình.

Năm 1955, chiếc máy bay phản lực với thiết kế cánh tàu lượn, U2, đã chứng minh được tốc độ và sự hiệu quả của mình khi bay thử nghiệm tại Hồ Groom, Mỹ. Tuy nhiên, CIA đã đánh giá quá thấp khả năng phòng không của Liên Xô khi đó, và những chuyến bay đầu tiên của chiếc máy bay này đã bị phát hiện và thậm chí một chiếc còn bị bắn hạ.

Chiếc A-12, với kiểu dáng gần giống chiếc SR-71.

Trong khi đó, phương án thay thế cho U2 đã được Lockheed Martin sẵn sàng với dự án mang mật danh Oxcart nhằm phát triển chiếc A-12, chiếc máy bay do thám siêu âm với một chỗ ngồi. Ý tưởng của A-12 là tạo ra một chiếc máy bay có thể bay cao hơn và nhanh hơn bất cứ thứ gì trên bầu trời. Ngoài ra, kiểu dáng hẹp, mỏng và những loại vật liệu đặc biệt sẽ giúp nó giảm khả năng phản xạ radar đi 90%. Phần lớn những công nghệ của chiếc A-12 sau này đã được ứng dụng trên chiếc SR-71.

Chiếc SR-71 ra mắt

Trong khi đó, Không quân Mỹ lại cần một phiên bản nhanh hơn, lớn hơn và nặng hơn, có thể mang theo phi hành đoàn gồm hai người thay vì một. Chính điều này đã dẫn đến sự ra đời của chiếc SR-71 (SR viết tắt của Strategic Reconnaissance: Trinh sát Chiến lược), hay còn có cái tên khác là Blackbird hoặc Habu, tên một loài rắn độc ở Nhật Bản.

Dù là một chiếc máy bay do thám, nhưng SR-71 có kích thước không hề nhỏ. Có chiều dài đến 107,4 feet (khoảng 32,74m) với sải cánh dài 55,6 feet (khoảng 16,94m) và chiều cao đến 18,5 feet (khoảng 5,64m). Khi không hoạt động, nó nặng 30.600 kg và khi được đổ đầy nhiên liệu cũng như mang trên mình các cảm biến và trang thiết bị do thám, nó nặng đến 69.000 kg.

Trong khi phần lớn các máy bay hiện đại đều được làm với vỏ bằng nhôm, nhưng với tốc độ của Blackbird, loại vật liệu này sẽ không thể trụ vững. Vì vậy, chiếc máy bay này được làm bằng Titan và nhựa composite.

Các khó khăn khi gia công Titan

Trên thực tế, SR-71 là vật thể lớn nhất được chế tạo bằng Titan cho đến thời điểm đó. Điều này gây ra rất nhiều vấn đề khác nhau. Đầu tiên, Titan là một kim loại hiếm và lúc đó, nước Mỹ không có đủ lượng vật liệu này cho chiếc SR-71, vì vậy người Mỹ phải sử dụng đến các công ty ma và các bên thứ ba để thu gom kim loại này từ nước ngoài, bao gồm chính Liên Xô. Tuy nhiên, họ lại gặp phải vấn đề khác khi có lúc, đến 80% lượng Titan mua từ bên ngoài là kém chất lượng.

Vấn đề khác là Titan rất khó chế tác và duy trì, điều này có nghĩa là sẽ cần đến những thiết kế và công nghệ chế tạo hoàn toàn mới. Ví dụ, chiếc kính chắn gió bên ngoài bằng thạch anh phải được hàn với lớp khung Titan bằng siêu âm.

Thêm vào đó, bề mặt lớp vỏ không được làm mịn mà phải có vết gợn sóng. Các vết gợn sóng như vậy cho phép lớp vỏ bề mặt có thể giãn nở theo chiều dọc và ngang khi gặp nhiệt độ cao, trong khi bề mặt phẳng mịn sẽ bị nứt vỡ ra dưới các điều kiện như vậy. Điều này cũng có nghĩa là đội nhân viên mặt đất phải rất thận trọng khi bước lên lớp vỏ đó.

Một vấn đề khác mà người ta phải sống chung với nó là việc rò rỉ nhiên liệu. Điều này xảy ra là vì chiếc Blackbird sẽ giãn nở ra vài inch do nhiệt độ cao khi đang bay, làm cho các tấm titan không thể khít với nhau.

Nhưng một ưu điểm đặc biệt của vật liệu này khiến người ta có thể bỏ qua các vấn đề đó. Từ mức nhiệt độ cao sinh ra khi đang bay ở tốc độ Mach 3 , lớp titan sẽ trở nên cứng hơn theo thời gian. Mỗi khi chiếc máy bay đi vào tốc độ siêu âm, các tấm titan lại như được trải qua một lần tôi nhiệt trong lò nung.

Khả năng tàng hình với công nghệ trong những năm 1960

Bộ khung rèn bằng titan không phải là công nghệ tiên tiến duy nhất trên SR-71 vào thời điểm đó, nó còn là một trong những chiếc máy bay chiến đấu đầu tiên có khả năng tàng hình. Mọi thứ trên Blackbird đều được thiết kế để nó có thể tàng hình càng nhiều càng tốt, ví dụ màu sơn xanh nước biển sẫm của nó là nhằm hòa trộn vào màn đêm trên bầu trời.

Các vết cắt và góc cạnh của SR-71 không chỉ có các ưu điểm về khí động lực học, mà còn làm chệch hướng phản xạ sóng radar nhiều nhất có thể. Những bước sóng radar không bị chệch hướng sẽ bị hấp thu bởi lớp ferrit nhúng trong composite nhiệt độ cao. Trên thực tế, phần lớn bộ ổn định được làm từ composite, đây là lần đầu tiên loại vật liệu này trở thành thành phần chính trên máy bay.

Tàng hình cũng là lý do cho thiết kế hai cạnh lưỡi dao ở hai bên thân máy bay và hòa trộn với phần cánh máy bay. Tuy nhiên, thiết kế này lại làm các kỹ sư ngạc nhiên khi nhận ra rằng nó giúp cung cấp thêm lực nâng và cải thiện hiệu năng của máy bay, giúp Blackbird ổn định hơn, ít bị tròng trành khi bay, chở được nặng hơn, và ít bị lực cản ở tốc độ cao.

Tất cả những nỗ lực này đã được đền đáp xứng đáng, khi chiếc SR-71 chỉ có tiết diện phản xạ radar 10 m2 – gần bằng chiếc máy bay cánh quạt cỡ nhỏ J-3 Piper Cub. Thêm vào đó, nhiên liệu còn được pha trộn với Cesium để làm cho cặn khói xả ra từ động cơ khó bị radar phát hiện ra hơn.

Cất cánh

Dù có tốc độ khủng khiếp khi ở trên không trung, chiếc SR-71 lại không thể tự khởi động. Thay vào đó, những động cơ J58 của nó phải nhờ đến sự hỗ trợ của hai động cơ Buick v8 để làm điều này. Chúng được kết nối với nhau qua trục động cơ và tạo nên tiếng ồn khủng khiếp ở tốc độ 3.200 vòng/phút. Hệ thống này sau đó đã được thay thế bằng một thiết bị chạy bằng khí nén ở các căn cứ chính của SR-71.

Điều đầu tiên mỗi chiếc SR-71 phải làm sau khi cất cánh là tiếp nhiên liệu. Điều này không phải vì nó tiêu tốn quá nhiều nhiên liệu trong quá trình cất cánh hay do việc rò rỉ giữa các tấm titan. Nhiên liệu của máy bay luôn được giữ ở mức thấp khi cất cánh nhằm tối thiểu hóa sức ép lên bộ khung của nó. Điều này cũng có nghĩa là khoảng không gian trống trong các thùng nhiên liệu sẽ được lấp đầy bởi không khí. Nếu không đẩy hết chỗ không khí này ra khỏi đó, có khả năng nó sẽ gây cháy khi chiếc máy bay đạt tới tốc độ siêu ấm và nhiên liệu nóng tới 177 độ C.

Để tiếp nhiêu liệu cho nó, cần phải có một phi đội ba chiếc KC-135Q Stratotanker, được chỉnh sửa đặc biệt để có thể tiếp liệu khi chúng đang bay ở tốc độ tối đa. Khi việc tiếp liệu hoàn tất, 6 thùng nhiên liệu chính của Blackbird sẽ chứa tổng cộng 36.401 kg nhiên liệu, và bất kỳ khoảng không gian nào còn trống sẽ được lấp đầy bằng Cryogenic Nitrogen.

Động cơ tự cấu hình: mấu chốt cho khả năng bay cao và tăng tốc đáng kinh ngạc

Điều làm nên tên tuổi huyền thoại của Blackbird đến từ tốc độ siêu âm khủng khiếp của mình, do khó có loại tên lửa nào có thể đuổi kịp và bắn hạ chiếc máy bay do thám này. Khả năng đặc biệt này là nhờ vào hai động cơ Pratt & Whitney J58. Mỗi con quái vật này rộng 1,45 m, dài 5,44m và nó có thể dài thêm 15cm khi bị nung nóng. Mỗi động cơ nặng tới 2.700 kg và tạo rạ lực đẩy đến 15.400 kN.

Được thiết kế bởi Hải quân Mỹ, động cơ J58 thường được gọi không chính xác là turboramjet, bởi vì nó hoạt động giống như một động cơ phản lực cánh quạt (turbofan engine) và có khả năng tự cấu hình để hoạt động như một động cơ phản lực thẳng dòng (ram jet) khi máy bay bay cao và tăng tốc. Điều này cho phép nó hoạt động liên tục ở tốc độ Mach 3.2 mà không bị nóng chảy.

Nhiệt độ cao trở thành một vấn đề mãn tính của SR-71. Khi hạ cánh, nó có thể nóng đến mức làm bỏng lớp da của các nhân viên mặt đất nếu họ không chú ý. Hai động cơ phải sử dụng một loại dầu bôi trơn đặc biệt, có thể duy trì sự ổn định của mình ở nhiệt độ tới 315 độ C và các cửa chắn gió đều được làm từ thạch anh để có thể chịu được nhiệt độ cao sinh ra trong chuyến bay. Ngoài ra, do nhiệt độ cao của chiếc R-71 nên các nhà nghiên cứu đã lựa chọn JP-7, một chất khó bắt cháy để làm nhiên liệu bay cho nó.

Trong quá trình tăng tốc lên Mach 2 (khoảng 2.450 km/h) J58 hoạt động như một động cơ phản lực cánh quạt. Không khí được hút vào qua mặt trước động cơ và sau đó được nén bởi máy nén 6 tầng, và tiếp tục đi vào buồng đốt, nơi nó được trộn với nhiên liệu và đốt, tạo ra lực đẩy. Điều này cũng giống các động cơ trên máy bay chở khách.

Tuy nhiên khi đạt tới tốc độ siêu âm, nhiên liệu được bắn vào buồng đốt sau của động cơ và đánh lửa với chất TEB (Tri-Ethyl-Borane), một chất dễ cháy khi tiếp xúc với không khí, để tiếp tục tăng tốc máy bay lên cao hơn nữa.

Vào thời kỳ đầu của loại động cơ có buồng đốt sau này, việc đạt tốc độ siêu âm chỉ đạt được trong các lần tăng tốc ngắn, một điều không có lợi cho Blackbird khi bay với tốc độ Mach 3.2. Mấu chốt cho giải pháp của vấn đề này nằm trong cách thiết kế đường dẫn khí trong động cơ J58. Do khi chiếc Blackbird bay nhanh hơn, các bộ phận chuyển động trong động cơ lại trở thành nơi sản sinh ra lực cản. Vì vậy, khi ở tốc độ Mach 2.2, không khí được bỏ qua máy nén để vào thẳng buồng đốt sau qua 6 ống dẫn tắt.

Thiết kế này sẽ biến động cơ phản lực cánh quạt của máy bay thành động cơ phản lực thẳng dòng - loại động cơ đơn giản hơn, nhanh hơn, với bản thân dòng khí nén sẽ trở thành tốc độ của máy bay khi tiến về phía trước. Điều này biến quá trình đốt sau của J58 trở nên hiệu quả hơn hẳn và cho phép nó hoạt động ở nhiệt độ tới 427 độ C.

Ngoài ra, để chiếc Blackbird có thể bay liên tục ở tốc độ Mach 3.2, một mấu chốt quan trọng nằm chóp nhọn của mỗi cửa hút gió trong động cơ. Mục đích của nó là nhằm bảo vệ cửa hút gió của động cơ trước sóng xung kích sinh ra do tác động của luồng không khí phía trước. Nó sẽ làm giảm tốc độ của luồng khí xuống mức hạ âm dưới áp suất cao trước khi đưa nó vào buồng nén của động cơ.

Để làm được điều này, chóp nhọn được thiết kế để có thể tiến về phía trước hoặc lùi về phía sau một khoảng chênh lệch 26 inch, phụ thuộc vào tốc độ của máy bay. Bằng cách làm này, thay vì triệt tiêu sóng xung kích, động cơ sẽ tự cấu hình để sóng xung kích nằm ở vị trí tối ưu trong động cơ và tối đa hóa hiệu quả sử dụng năng lượng.

Một yếu tố thông minh khác trong thiết kế chóp nhọn này là nó sử dụng các cửa lấy không khí để bắt dòng khí lại, giảm tốc độ xuống mức hạ âm, đưa dòng khí đó đi vào bên trong vỏ máy bay xung quanh động cơ để làm mát. Có những cửa dẫn khí phụ ở mặt trước và sau động cơ để không khí thoát ra ngoài và làm mát động cơ ở tốc độ hạ âm – đặc biệt khi đang cất và hạ cánh. Ngoài ra, còn có một bộ cửa dẫn khí thứ hai ở phía sau, chỉ được mở ở tốc độ rất thấp nhằm tránh gây ra sức cản trong động cơ.

Tất cả các bộ phận trên được điều khiển bởi phi công và các máy tính analog đơn giản. Nếu áp suất bên trong trở nên quá lớn, sóng xung kích sẽ thổi bay phần trước của động cơ và gây ra tình trạng “unstart”, có thể làm tắt buồng đốt phía sau và làm máy bay lắc dữ dội, cho đến khi phi công và hệ thống điều khiển lấy lại được cân bằng. Theo các phi công, điều này thường xảy ra vào những lúc họ ít ngờ tới nhất – khi mọi thứ dường như có vẻ ổn.

Những phút giây huy hoàng và sự lụi tàn của SR-71

Những nỗ lực thiết kế trên đã mang lại cho chiếc máy bay này một bộ sưu tập các kỷ lục khó xô đổ. Ngày 28 tháng Bảy năm 1976, đại úy Robert Helt phá vỡ kỷ lục về duy trì độ cao tuyệt đối khi đạt đến con số 85.069 feet (khoảng 25.929m) và trong cùng ngày hôm đó, một chiếc SR-71 khác đạt đến tốc độ kỷ lục của một thiết bị bay có người lái khi vượt qua Mach 3 (khoảng 3.529,6 km/h). Và kỷ lục về tốc độ này vẫn còn đứng vững đến tận bây giờ.

Chiếc máy bay này còn giữ một kỷ lục khác về tốc độ trên một quãng đường đã được công nhận khi nó bay từ New York đến London chỉ trong một giờ 54 phút và 56,4 giây, tương đương với tốc độ trung bình là Mach 2 (khoảng 3.332 km/h). Chiếc máy bay siêu âm chở khách Concorde cũng phải mất 2 giờ 52 phút để hoàn thành quãng đường này, còn với máy bay thông thường là hơn 6 giờ.

Chiếc SR-71 và người tiền nhiệm của nó, chiếc U-2.

Tuy nhiên, những kỷ lục này cũng đi kèm với một cái giá rất đắt. Dù không có chiếc Blackbird nào từng bị bắn rơi do các hoạt động của đối phương, nhưng có đến 12 chiếc trong tổng số 32 chiếc được chế tạo bị mất do các tai nạn trong khi hoạt động (trong đó có 11 chiếc bị rơi trong 6 năm từ 1966 đến 1972). Dường như thiết kế phức tạp trên đã khiến nó chịu nhiều sự chỉ trích vì độ tin cậy thấp của mình.

Tuy sự kết thúc của Chiến tranh Lạnh và sự phát triển của các hệ thống vệ tinh trinh sát đã làm vai trò của máy bay do thám trở nên mờ nhạt, nhưng chính tính an toàn và độ tin cậy thấp của chiếc SR-71 mới là thứ làm nó phải đưa vào viện bảo tàng sớm hơn người tiền nhiệm của mình, chiếc Lockheed U-2. Trong khi những chiếc Blackbird cuối cùng đã chính thức ngừng hoạt động vào năm 1998, những chiếc U-2 vẫn tiếp tục được nâng cấp và phục vụ trong không quân Mỹ cho đến tận bây giờ.

Tham khảo New Atlas