Cách thiết kế Máy bay siêu âm cho đại đa số (Khá giả)

Một người có thể nghĩ rằng 2020, có lẽ, không phải là một năm tốt để nói về việc hồi sinh du lịch hành khách siêu âm. Nhờ Covid, không ai đi máy bay, và các hãng hàng không đang đậu toàn bộ đội máy bay của họ. Ngoài ra, bất cứ điều gì nhấn mạnh sự chia rẽ về kinh tế đều sẽ bị chỉ trích trên Twitter chắc chắn. Một Concorde mới? Giữ ly bia của tôi.

Không bị làm phiền, công ty khởi nghiệp hàng không có trụ sở tại Denver, Boom Supersonic, tuần trước đã mạnh mẽ giới thiệu một mô hình thu nhỏ cho máy bay phản lực siêu tốc mà họ đã phát triển từ năm 2014. Được đặt tên là XB-1, phương tiện thử nghiệm một chỗ dài 71 feet này được xây dựng để xác nhận thiết kế và công nghệ của sản phẩm cuối cùng dự kiến của công ty, một máy bay phản lực có giá 200 triệu đô la được gọi là Overture, có kích thước gấp ba lần XB-1 và chở 55 hành khách đến tốc độ Mach 2.2. Với một lớp lót màu đen, trắng và vàng sáng, XB-1 trông giống như một chiếc máy bay chiến đấu thiếu các tên lửa Sidewinder và lớp sơn quân sự.

Máy bay ba động cơ, cánh dương tam giác này là máy bay siêu âm doanh nghiệp đầu tiên được tài trợ bởi các nhà đầu tư tư nhân và Boom là công ty đầu tiên trong ít nhất ba công ty khởi nghiệp theo đuổi bay siêu âm để có một chiếc máy bay thử nghiệm do người lái lái ra khỏi cửa. (Aerion và Spike là hai công ty khởi nghiệp khác, mặc dù sản phẩm của họ sẽ là máy bay jet kinh doanh nhỏ hơn.) XB-1 sẽ bắt đầu thử nghiệm đất, bao gồm các thử nghiệm động cơ và taxi, tại trụ sở của công ty tại Sân bay Centennial trong vài tháng tới, trước khi được chuyển đến Mojave, California, cho chuyến bay đầu tiên vào năm sau. Các kỹ sư sẽ tích hợp các kết quả từ chương trình này vào thiết kế của Overture, dự kiến sẽ bắt đầu thử nghiệm bay vào năm 2025. Cuối cùng, mục tiêu là để vận chuyển hành khách giữa New York và London, ví dụ, trong ba giờ thay vì sáu giờ.

Về việc liệu thời điểm này có phải là lúc phô trương một chiếc máy bay nổi bật, có lẽ độc quyền và có thể gây chia rẽ rất lớn - thậm chí cả một mô hình thử nghiệm, và thậm chí xét đến việc nó sẽ không thực sự đi vào hoạt động cho đến sau các cuộc khủng hoảng sức khỏe và kinh tế hiện tại - người sáng lập và CEO của Boom, Blake Scholl, khăng khăng: “Năm nay, chúng ta đều chịu đựng sự chuyên chế của việc thiếu kết nối con người,” ông nói. Cuộc gọi Zoom chỉ mang lại một phần nhỏ lợi ích so với giao tiếp trực tiếp, sau tất cả. “Mọi người đang khao khát hơn bao giờ hết để xây dựng một thế giới trong đó nhiều người có thể đi nhiều nơi hơn, chỉ là họ muốn dành ít thời gian hơn tại sân bay và trên máy bay chung với người khác trong khi đến đó. Đó là vai trò của các máy bay siêu âm.”

Đúng là dễ dàng để làm lập luận khi đó là chiếc tên lửa sáng trên bầu trời của riêng bạn vẫy vẫy trên tầng bình lưu, nhưng thực tế có thể mang đến một vài điều bất ngờ cho Boom nếu sự trì hoãn và sự gia tăng chi phí diễn ra, như chúng thường xảy ra trong các chương trình thử nghiệm bay. Trên thực tế, dòng tiền có thể là rào cản lớn nhất. “Về mặt công nghệ, không có lý do gì chiếc máy bay này không thể được xây dựng, nhưng câu hỏi là liệu thực sự có một thị trường cho hơn 30 hoặc 40 chiếc,” Richard Aboulafia, nhà phân tích hàng không của Teal Group, nói. “Đây không phải là Airbus hoặc Boeing hoặc Northrop Grumman hoặc ai đó có túi tiền nghiên cứu và phát triển sâu, và các nhà đầu tư vốn rủi ro có kỳ vọng khác nhau về lợi nhuận từ việc đầu tư của họ. Ngành hàng không là một đầu tư chậm, dài hạn.”

Đến nay, Boom đã thu hút đầu tư từ Japan Airlines và Virgin Group, tổng cộng bán trước 30 chiếc máy bay và hơn 160 triệu đô la đầu tư từ Emerson Collective, Y Combinator Continuity, Caffeinated Capital, SV Angel và những người khác. Nhưng điều này vẫn còn rất xa so với 6 đến 8 tỷ đô la cần thiết để đạt được chứng nhận cho máy bay mới.

Tuy nhiên, CEO vẫn lạc quan, thậm chí còn lập luận rằng, trong bối cảnh khốn khó của chuyến đi hiện tại của chúng ta, chiếc máy bay có thể là giải pháp không chỉ cho các nhà quản lý C với quan điểm thời gian là tiền bạc. Đáp lại đại dịch, Boom nói rằng họ sẽ tích hợp các công nghệ để trải nghiệm không tiếp xúc và môi trường ghế ngồi được thiết kế với rào cản vật lý và dòng không khí để giúp tăng cường an toàn cho hành khách, mà Scholl lưu ý rằng không thể dễ dàng đưa vào máy bay hiện có. Scholl thậm chí đi xa hơn nói rằng đại dịch toàn cầu sẽ thực sự củng cố triển vọng của Boom, kể cả với các hãng hàng không. “Tôi đã nhìn thấy ước tính từ hai đến bốn năm cho đến khi các hãng hàng không sẽ muốn phát triển lại,” ông nói. “Các hãng hàng không có bộ nhớ lâu dài, và họ sẽ không quên giai đoạn này trong một thời gian dài. Họ đang nghĩ về cách hoạt động sao cho bất kể điều gì xảy ra sau này, mọi người vẫn sẽ vui vẻ khi đi du lịch.”

Tuy niềm tin đó không có nghĩa là các hãng hàng không nhất định sẽ nhìn nhận vấn đề theo cách đó, và Scholl cùng các kỹ sư của ông vẫn đối mặt với những thách thức đáng kể trong việc tạo ra một phiên bản mới của chiếc Concorde đồng thời được yêu thích và bị chê cười, có tính kinh tế, phù hợp với mức tiêu chuẩn đi công tác - ít nhất là theo tiêu chuẩn đi công tác. Chiếc máy bay này bay từ năm 1976 đến năm 2003 và được coi là một thành tựu hàng không vũ trụ nhưng cũng là một thảm họa tài chính và môi trường. Boom đã tuyên bố rằng các chuyến bay của họ sẽ có giá tương đương với ghế hạng thương gia quốc tế - giá của Concorde ít nhất cũng gấp đôi và mô hình XB-1 được giới thiệu tuần trước sẽ không gây ảnh hưởng đến môi trường, nhờ sự hợp tác với hãng nhiên liệu bền vững Prometheus Fuels. (Prometheus sử dụng quá trình gọi là thu hồi carbon trực tiếp từ không khí và chuyển đổi nó thành nhiên liệu với điện, một quá trình mà họ cũng đang phát triển cho các hãng sản xuất ô tô BMW và Toyota.) Tuy nhiên, câu hỏi quan trọng hơn là liệu Overture chính nó, chiếc máy bay sản xuất thực sự, có thể được coi là thân thiện với môi trường hay không. Điều này phụ thuộc vào việc Boom và nhà sản xuất động cơ Rolls-Royce có thành công đến đâu trong việc sản xuất một gói cuối cùng hiệu quả - nhưng các nhà phê bình lại nghi ngờ rằng điều đó sẽ xảy ra: Hội đồng Quốc tế về Vận chuyển Sạch lần lượt cho rằng, ngay cả động cơ được xây dựng mục đích cũng sẽ tiêu thụ nhiên liệu lên đến bảy lần so với máy bay siêu thanh, mà chính chúng đã góp phần lớn vào khí thải khí nhà kính.

Vấn đề tiếp theo là tiếng ồn nổi tiếng của Concorde khi cất cánh và những cơn nổ âm thanh đập vào tai người khi nó bay vượt qua ranh giới âm thanh. Mẫu XB-1 sẽ không đặc biệt im lặng - nó sẽ sử dụng động cơ quân sự GE J85-15 cũ nhưng đáng tin cậy và dễ dàng bảo dưỡng ban đầu được phát triển từ những năm 1950 - nhưng nó sẽ bay qua sa mạc mở ở California, vì vậy tiếng ồn sẽ không phải là vấn đề. Tuy nhiên, Overture cuối cùng có thể im lặng như một máy bay thương mại cùng kích thước khi cất cánh, nếu các động cơ mới mà Rolls-Royce đang phát triển đến như dự kiến. Aboulafia lưu ý rằng mặc dù kỹ thuật động lực học đã tiến xa trong 50 năm kể từ khi Concorde ra mắt, thực tế không có một động cơ tương đương cho Overture vào thời điểm hiện tại. Hầu hết các động cơ máy bay đều hoặc nhỏ gọn và mạnh mẽ cho máy bay chiến đấu, hoặc lớn và hiệu quả cho các máy bay thương mại. Các động cơ cho Overture sẽ cần phải vừa với thân máy bay và đẩy máy bay đạt vận tốc siêu thanh mà không cần tới động cơ tiêu thụ nhiên liệu và gây ồn ào như Concorde yêu cầu, nhưng vẫn đáp ứng tiêu chuẩn về tiếng ồn và khí thải.

Về vấn đề tiếng ồn nổi tiếng có thể làm rung chuyển cửa sổ và đánh thức trẻ nhỏ, Boom sẽ tránh vấn đề bằng cách khiến Overture tránh đường bay trên mặt đất khi đạt tốc độ siêu thanh - và trong mọi trường hợp, hình dáng của nó sẽ tạo ra một tiếng nổ lắng đọng không gần bằng với Concorde hoặc máy bay chiến đấu trung bình, Scholl nói.

Bay siêu thanh cũng đặt ra thách thức về vật liệu. Các phương tiện này phải chịu nhiệt và áp lực lớn hơn nhiều so với máy bay thông thường, và nhôm, ví dụ, mất sức mạnh ở nhiệt độ cao. Tuy nhiên, sợi cacbon vẫn giữ được hình dạng và sức mạnh của nó, mang lại cho các nhà thiết kế nhiều tự do trong việc tạo hình cánh và thân máy bay để làm giảm rối nước và giảm cản trở.

Đối với thân sau của máy bay, các kỹ sư đã sử dụng titan để chịu được các lực tác động cao khi hạ cánh, ước tính là 112.000 pound lực tại mỗi bánh xe, và hỗ trợ tốt hơn trọng lượng của ba động cơ. XB-1 cũng dựa vào một vật liệu gọi là Ultem 9085, một loại nhựa nhiệt có thể được in 3D thành các bộ phận chịu lực mạnh, nhẹ và chống cháy, theo thông tin từ công ty. Khả năng in hàng trăm lỗ giữ, ống dẫn, giá đỡ và nhiều hơn thế tại nhà ga đã tiết kiệm thời gian và tiền bạc đáng kể.

Mặc dù các vật liệu này đã tiên tiến, nhưng chúng rất phổ biến trong ngành công nghiệp. Nơi mà mọi thứ thực sự không biết rõ là động học không khí siêu âm thỉnh thoảng rùng rợn. Ở tốc độ cao, các xoáy không khí từ mũi có thể tác động với các xoáy từ cánh và đuôi, ảnh hưởng đến cách máy bay hoạt động, vì vậy các kỹ sư phải điều chỉnh động học không khí để tránh va chạm này. Và vì cánh không thể tự động chuyển động về phía trước và phía sau để tối ưu hóa hiệu suất ở cả tốc độ thấp và tốc độ cao - hãy nghĩ đến F-14 trong Top Gun - cấu hình hình dạng delta của cánh chủ yếu cho bay ở tốc độ cao ảnh hưởng đến sự ổn định khi máy bay bay chậm hơn trong lúc cất cánh và hạ cánh. Do đó, các kỹ sư đã phát triển một hệ thống truyền điều khiển fly-by-wire kết hợp sử dụng liên kết cơ học thủy lực truyền thống cho điều khiển, bổ sung bởi bộ điều khiển điện để cải thiện ổn định, và họ quyết định nghiêng mũi cao hơn để tối đa hóa luồng không khí dưới cánh ở tốc độ thấp. Bởi vì điều này có thể gây ra va chạm với đuôi khi hạ cánh, họ chọn lựa chân đỗ cao hơn. Tất nhiên, góc mũi cao hơn cũng hạn chế tầm nhìn phía trước của phi công. Concorde đã giải quyết vấn đề này bằng cơ chế mũi hạ, nhưng Boom không thích sự phức tạp cơ khí của hệ thống đó, vì vậy họ chọn lựa hệ thống máy ảnh dựa trên thực tế ảo ở bánh răng mũi để giúp phi công nhìn thấy trong quá trình cất cánh và hạ cánh.

Các thử nghiệm bay với mô hình thu nhỏ XB-1 cũng sẽ cho thấy máy bay xử lý hiện tượng được biết đến với cái tên “Mach tuck.” Ở đây, khi máy bay tiến gần tới tốc độ siêu thanh, mũi máy bay có xu hướng hạ xuống khi sóng số, di chuyển về phía sau khi tốc độ tăng lên, tạo ra các áp suất khác nhau làm tăng lực đỡ ở phía sau cánh, làm mất ổn định nó. “Chúng tôi đã có dự đoán cho điều này, nhưng quan trọng thực sự là chúng tôi thu thập dữ liệu trên một chiếc máy bay thực sự để có thể đối phó hoàn toàn với điều đó,” Giám đốc kỹ thuật Greg Krauland nói, ông đã làm việc tại nhà sản xuất tên lửa SpaceX và nhà đổi mới hàng không vũ trụ Scaled Composites trước khi tham gia Boom. “Có thể có ảnh hưởng đối với cách điều khiển bay được lập trình, vì vậy đây là những vấn đề chúng tôi sẽ xem xét khi chúng tôi thúc đẩy XB-1 từ các thử nghiệm siêu âm thông qua tốc độ chuyển đổi rồi lên đến siêu âm.”

Khi XB-1 tiết lộ bí mật của nó, công việc sẽ diễn ra song song trên việc thiết kế và xây dựng mẫu máy bay Overture đầu tiên, tổ chức tất cả các quy trình sản xuất và đối tác, và sau đó là sự xuất hiện trong dịch vụ với các hãng hàng không thương mại. Đến nay, các hãng hàng không đã tham gia đã bị thu hút bởi sự hấp dẫn của việc giảm một nửa thời gian bay giữa các thành phố lớn. Phạm vi dự kiến gần đúng của máy bay là 4.000 dặm, điều này có nghĩa là một số chuyến bay sẽ cần “nghỉ kỹ thuật” - như Boom gọi chúng - để đổ nhiên liệu. Điều này sẽ bao gồm các chuyến bay qua Thái Bình Dương từ, ví dụ, Tokyo đến Los Angeles hoặc San Francisco, với một điểm dừng ở Alaska, nhưng các chuyến bay qua Đại Tây Dương chủ yếu sẽ có thể thực hiện trong một chặng bay. Các thời gian ước tính mà Boom công bố đã tính đến thêm điểm đổ nhiên liệu này.

Ngoài các hãng hàng không, Scholl nói rằng ông đã thu hút sự quan tâm từ Không quân Hoa Kỳ. Không phải là một máy bay chiến đấu, mà là một công cụ “vận chuyển chủ chốt” tiềm năng. Điều đó, tất nhiên, là mã cho Một Không quân Mỹ siêu âm, một điều mà bất kỳ Tổng thống nào cũng có thể phê duyệt ngay lập tức.

Cập nhật ngày 15/10/2020, 6:15 pm EDT. Câu chuyện đã được cập nhật để phản ánh dữ liệu chứng nhận mới được công ty cung cấp.

Nhiều bài viết tuyệt vời khác từ MYTOUR

• 📩 Muốn nhận thông tin mới nhất về công nghệ, khoa học và nhiều hơn nữa? Đăng ký nhận bản tin của chúng tôi ngay bây giờ!
• Câu chuyện thật về cuộc xâm nhập antifa vào Forks, Washington
• Trong một thế giới điên rồ, các kế hoạch giấy cung cấp trật tự và niềm vui
• Xbox luôn theo đuổi sức mạnh. Nhưng đó không còn đủ nữa
• Làm thế nào Twitter đã vượt qua vụ hack lớn của mình—và kế hoạch ngăn chặn vụ tương lai
• Chúng ta cần phải nói về việc nói về QAnon
• 🎮 MYTOUR Games: Nhận các mẹo mới nhất, đánh giá và nhiều hơn nữa
• ✨ Tối ưu cuộc sống tại nhà của bạn với những lựa chọn tốt nhất từ đội ngũ Gear của chúng tôi, từ robot hút bụi đến đệm giá cả phải chăng đến loa thông minh