Máy bay siêu thanh giảm tiếng ồn được NASA thiết kế thế nào?

Hãy thử tưởng tượng chúng ta có thể đi vòng quanh thế giới với tốc độ hơn 1.500 km/h mà không có tiếng ồn gây khó chịu. Đây chắc chắn sẽ tạo ra bước đột phá lớn trong việc di chuyển, điều không thể thực hiện được trong nhiều thập kỷ.

Thực tế máy bay chiến đấu thường bay với tốc độ cao hơn nhiều so với vận tốc âm thanh, trong khi đó các máy bay thương mại lại bay qua khu vực dân cư nên không thể làm như vậy. Nguyên nhân là tiếng nổ siêu thanh và sóng xung kịch tạo ra bởi các vật thể di chuyển nhanh hơn so với âm thanh, sẽ tạo ra năng lượng đủ để làm vỡ cửa kính và âm thanh giống như tiếng sấm bên tai. Do gặp phải vấn đề tượng tự nên máy bay siêu thanh Concorde phải dừng hoạt động cách đây gần 2 thập kỷ.

Thế nhưng NASA đang muốn biến giấc mơ này thành hiện thực. Theo đó, tại Trung tâm nghiên cứu bay Armstrong ở ngoại ô Lancaster, California (Mỹ), NASA đang tiến hành phát triển máy bay X-59 QueSST (hay còn gọi là công nghệ siêu thanh không tiếng ồn). Đây là một máy bay thử nghiệm được thiết kế nhằm bay nhanh hơn vận tốc âm thanh, đồng thời chỉ tạo ra tiếng động nhẹ.

Trên thực tế, máy bay siêu thanh truyền thống có thể tạo ra tiếng nổ vượt quá 100 decibel trong khi bay. Đây là một vấn đề khiến Cục Quản lý Hàng không Liên bang Mỹ (FAA) cấm bay siêu thanh thương mại ở trên đất liền vào năm 1973.

Tuy nhiên, X-59 lại được thiết kế để làm giảm thiểu sóng xung kích gây ra tiếng nổ siêu thanh trong khi bay. Thiết kế giúp độ ồn trên mặt đất giảm xuống còn 75 decibel. Âm thanh này chỉ lớn ngang với tiếng sập cửa xe ô tô ở trên đường.

Để có thể thiết kế ra máy bay với độ ồn thấp, NASA và Lockheed Martin đã quay trở lại với các nguyên tắc cơ bản của khí động học. Kết quả là các chuyên gia đã thiết kế một mẫu máy bay vừa tiên tiến, vừa đơn giản.

Hiện nay, ở trong nhà kho không cửa sổ ở giữa sa mạc California, các công nhân đang tiến hành lắp ráp máy bay X-59 và chuẩn bị cho thử nghiệm lần đầu tiên. Đặc biệt, khi quan sát gần, chiếc máy bay mũi nhọn trông như thiết kế ở trong truyện khoa học viễn tưởng vào thập niên 1950 với đường cong liền mạch và một buồng lái ở chính giữa.

X-59 được mô tả là máy bay siêu thanh của tương lai. Mục tiêu của dự án này là thuyết phục những cơ quan quản lý như FAA huỷ bỏ lệnh cấm chở khách bằng phương tiện siêu thanh ở trên đất liền. Sự thay đổi này có thể mở đường cho du lịch siêu thanh trong tương lai và lần đầu tiên có phương tiện bay nhanh hơn vận tốc âm thanh kể từ sau khi máy bay Concorde ngừng hoạt động vào năm 2003.

Để có thể hiểu về cách thức hoạt động của tiếng nổ siêu thanh, chúng ta cần biết mọt chút về vật lý cơ bản của âm thanh.

Theo đó, khi một chiếc máy bay bay trong không khí, nó sẽ di chuyển nhanh hơn, đẩy không khí ở phía trước và tạo ra sóng nén. Tuy nhiên, khi chiếc máy bay bay với tốc độ siêu thanh, nó sẽ di chuyển nhanh hơn so với sóng nén. Kết quả, máy bay sẽ tạo ra sóng xung kích truyền xuống mặt đất dưới dạng tiếng nổ siêu thanh.

Ngoài ra, bất kỳ sự thay đổi lớn nào về hình dạng ở trên thân máy bay, chẳng hạn như buồng lái nhô ra phía trước, đều có thể tạo ra sóng xung kích. Do đó, để giảm tối đa sóng xung kích truyền xuống mặt đất, các chuyên gia cần thay đổi hình dạng của máy bay và làm cho nó trở nên thuôn dài, trơn nhẵn hơn so với các chỗ khác phân bố dọc theo phần thân dài hơn.

Đây cũng chính là điều mà NASA và Lockheed Martin đã làm với máy bay X-59. Theo đó, mẫu máy bay này dài 30,4 m, nhưng chỉ chở được 1 hành khách. Hơn nữa, với độ dài hơn 9 m, phần mũi chiếm khoảng 1/3 chiều dài của máy bay và nối liền với phần cánh mũi tên, động cơ duy nhất ở phía sau.

Đặc biệt, động cơ dài 4 m do General Electric Aviation sản xuất sẽ cung cấp lực đẩy tới 9.979 kg, giúp cho máy bay X-59 ở tốc độ là Mach 1,4 (1.728 km/h) và ở độ cao khoảng 16.764 m.

Ông Larry Cliatt, trưởng nhóm kỹ thuật thử nghiệm âm thanh của NASA về dự án X-59 , tất cả các đặc điểm trên nhằm đảm bảo sóng xung kích được tạo ra giữa không trung, đồng thời không tạo thành tiếng nổ siêu thanh lớn.

Một cách bay mới

Máy bay X-59 quá dài và thuôn tới mức buồng lái của nó không có cửa sổ phía trước. Thay vào đó, phi công sẽ sử dụng Hệ thống Tầm nhìn ngoài (XVS) do NASA tạo ra để điều khiển máy bay.

Cụ thể, XVS có sử dụng hai camera ở phía trên và dưới máy bay để cung cấp hình ảnh quan sát mặt trước của máy bay theo thới gian thực được hiển thị trên màn hình HD. Ngoài ra, XVS cũng hoạt động như màn hình trên cao (HUD), chiếu dữ liệu về độ cao, tốc độ bay và đường bay.

NASA hiện đã thử nghiệm XVS trong thiết bị mô phỏng bay X-59 tại Armstrong. Theo đó, XVS sẽ cho phép phi công có thể nhìn thấy cảnh báo loé lên hoặc chữ màu tại chân màn hình. Đây là điều mà họ thường không thể thấy qua cửa sổ buồng lái.

Trong năm 2022, NASA và Lockheed Martin đã tiến hành các cuộc kiểm tra ban đầu đối với X-59. Tuy nhiên, cuộc thử nghiệm thực sự với chiếc máy bay này sẽ diễn ra vào năm 2023, khi ở giai đoạn gọi là "kiểm duyệt âm thanh". NASA cho biết, cơ quan này sẽ cho X-59 cất cánh nhằm đảm bảo tiếng nổ siêu thanh đã được thu nhỏ. NASA cũng sẽ cho X-59 bay kèm với máy bay chiến đấu F-15 để đo sóng xung kích sản sinh ra giữa chuyến bay.

Bên cạnh đó, trong giai đoạn này, NASA cũng sẽ cài đặt hàng loạt microphone dọc theo lộ trình dài 48 km trên sa mạc Mojave (California) nhằm đo độ ồn và đảm bảo rằng chiếc máy bay hoạt động êm giống như dự kiến.

Sau cuộc kiểm tra này, X-59 sẽ bước vào giai đoạn thử nghiệm thứ 3 vào năm 2025. Khi đó, máy bay sẽ bay qua một số thành phố và thị trấn ở Mỹ để đánh giá về phản ứng của cộng đồng. Sau thử nghiệm, NASA sẽ gửi dữ liệu cho những nhà làm luật nhằm thay đổi hạn chế đối với bay siêu thanh.

Nếu như thành công, X-59 có thể mở đường cho các công ty và hãng máy bay tư nhân giới thiệu về bay siêu thanh với hành khách hàng ngày trên khắp thế giới.

Bài viết tham khảo nguồn: NASA, Cnet, Interestingengineering