Cách thiết kế máy bay siêu thanh giảm tiếng ồn của NASA như thế nào?

(Tổ Quốc) - NASA dự kiến thử nghiệm máy bay siêu thanh giảm tiếng ồn và hy vọng sẽ đạt được bước tiến lớn.

Hãy tưởng tượng chúng ta có thể bay vòng quanh thế giới với tốc độ hơn 1.500 km/h mà không gây tiếng ồn khó chịu. Điều này chắc chắn sẽ đem lại bước tiến lớn trong việc di chuyển, điều mà 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 tốc độ âm thanh, trong khi 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 kích tạo ra bởi các vật thể di chuyển nhanh hơn so với âm thanh, có thể gây nên sự phá hủy và tiếng nổ như sấm bên tai. Do vấn đề này, máy bay siêu thanh Concorde đã phải ngừng hoạt động cách đây gần 2 thập kỷ.

Tuy nhiên, NASA đang nỗ lực biến giấc mơ thành hiện thực. Tại Trung tâm nghiên cứu bay Armstrong ở ngoại ô Lancaster, California (Mỹ), NASA đang phát triển máy bay X-59 QueSST (còn được gọi là công nghệ siêu thanh không tiếng ồn). Đây là một máy bay thử nghiệm được thiết kế để bay nhanh hơn vận tốc âm thanh, đồng thời chỉ tạo ra tiếng động nhẹ.

Thực tế, máy bay siêu thanh truyền thống có thể tạo ra tiếng nổ vượt quá 100 decibel khi bay. Điều này đã khiến Cục Quản lý Hàng không Liên bang Mỹ (FAA) cấm các chuyến bay siêu thanh thương mại trên đất liền từ năm 1973.

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

Để giảm thiểu độ ồn của máy bay, NASA và Lockheed Martin đã áp dụng lại các nguyên lý cơ bản của khí động học. Kết quả là họ đã thiết kế ra một mẫu máy bay tiên tiến và đơn giản.

Hiện nay, trong một nhà kho không có cửa sổ giữa sa mạc California, các công nhân đang lắp ráp máy bay X-59 và chuẩn bị cho thử nghiệm lần đầu tiên. Đặc biệt, khi nhìn gần, chiếc máy bay có hình dáng như thiết kế trong truyện khoa học viễn tưởng của những năm 1950 với đường cong mượt mà và buồng lái ở giữa.

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

Để hiểu về cách tiếng nổ siêu thanh hoạt động, chúng ta cần hiểu một chút về vật lý cơ bản của âm thanh.

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

Bất kỳ thay đổi nào về hình dạng trên thân máy bay, như buồng lái dịch chuyển về phía trước, đều có thể tạo ra sóng xung kích. Do đó, để giảm thiểu sóng xung kích truyền xuống mặt đất, các chuyên gia cần điều chỉnh hình dạng của máy bay và làm cho nó trở nên thon dài, mượt mà hơn so với các vị trí khác dọc theo thân máy dài hơn.

NASA và Lockheed Martin đã thực hiện điều này với máy bay X-59. Máy bay này có chiều dài 30,4 m, nhưng chỉ chở được 1 hành khách. Phần mũi chiếm khoảng 1/3 chiều dài của máy bay và nối với cánh mũi tên, động cơ đặt phía sau.

Động cơ dài 4 m của General Electric Aviation sẽ tạo lực đẩy lên đến 9.979 kg, giúp máy bay X-59 đạt tốc độ Mach 1,4 (1.728 km/h) và bay ở độ cao khoảng 16.764 m.

Ông Larry Cliatt, trưởng nhóm thử nghiệm âm thanh của NASA cho dự án X-59, nhấn mạnh rằng tất cả các điểm trên đảm bảo sóng xung kích được tạo ra giữa không trung mà không gây ra tiếng nổ siêu thanh lớn.

Phương pháp bay mới

Máy bay X-59 quá dài và thon để có buồng lái trước. Thay vào đó, phi công sẽ sử dụng Hệ thống Tầm nhìn ngoài (XVS) của NASA để điều khiển máy bay.

XVS sử dụng hai camera ở phía trên và dưới máy bay để cung cấp hình ảnh mặt trước của máy bay theo thời gian thực hiển thị trên màn hình HD. Ngoài ra, XVS còn hoạt động như màn hình đầu hiển thị (HUD), hiển thị dữ liệu về độ cao, tốc độ và đường bay.

NASA hiện đang thử nghiệm XVS trên thiết bị mô phỏng bay X-59 tại Trung tâm Nghiên cứu Bay Armstrong. XVS sẽ cho phép phi công nhận được cảnh báo trên màn hình chân không hoặc chữ màu. Điều này thường không thể thấy qua cửa sổ buồng lái.

Năm 2022, NASA và Lockheed Martin đã thực hiện các kiểm tra ban đầu trên X-59. Thử nghiệm thực sự với máy bay này sẽ diễn ra vào năm 2023, gọi là 'kiểm duyệt âm thanh'. NASA sẽ đảm bảo tiếng nổ siêu thanh đã được thu nhỏ trước khi X-59 cất cánh. Ngoài ra, X-59 sẽ bay cùng F-15 để đo sóng xung kích.

Trong giai đoạn này, NASA sẽ cài đặt hàng loạt micro dọc theo đường bay 48 km trên sa mạc Mojave (California) để đo độ ồn và đảm bảo X-59 hoạt động êm như dự kiến.

Sau kiểm tra này, X-59 sẽ tham gia thử nghiệm thứ 3 vào năm 2025. Máy bay sẽ bay qua một số thành phố và thị trấn ở Mỹ để đánh giá phản ứng của cộng đồng. Sau thử nghiệm, NASA sẽ gửi dữ liệu cho các nhà lập pháp để thay đổi hạn chế đối với bay siêu thanh.

Nếu thành công, X-59 có thể mở ra cơ hội cho các công ty và hãng hàng không tư nhân giới thiệu dịch vụ bay siêu thanh cho hành khách hàng ngày trên toàn cầu.

Tham khảo nguồn: NASA, Cnet, Interestingengineering