Giải Mã Hệ Thống Khí Động Học Quỷ Quyệt Của Xe Bay Mới

Khi anh đậu 50 feet trên đường băng ở Plattsburgh, New York, Kyle Clark bất ngờ có một cảm giác chìm sâu đặc biệt. Một cảm giác đúng nghĩa. Anh ta có hoàn toàn kiểm soát chỉ vài phút trước đó, nhưng chiếc máy bay tám rotor của anh ta, chạy bằng điện, đang rơi nhanh chóng.

Tuy nhiên, Clark biết rằng điều này sắp xảy ra. Người sáng lập và phi công kiểm nghiệm chính của Beta Technologies, nhà phát triển xe bay, đã có ý định đặt máy bay vào một tình huống khí động học khó khăn gọi là trạng thái vòng xoáy, hoặc “rơi với công suất.” Đó là khi các rotor mất sức đỡ và máy bay lao xuống nhanh chóng vào không khí bị xoáy bởi sự chuyển từ bay ngang sang chếch. Không có lượng công suất bổ sung nào có thể giúp máy bay thoát khỏi tình trạng này. Trên thực tế, việc thêm công suất thường có thể làm tăng tốc độ rơi. Đây là vấn đề đã gây ra tai nạn chết người vào tháng 4 năm 2000 của chiếc máy bay V-22 Osprey tiltrotor trong một chuyến bay thử nghiệm, cũng như sự mất mát của một chiếc trực thăng Black Hawk trong cuộc tấn công năm 2011 dẫn đến cái chết của Osama bin Laden.

Đây cũng chỉ là một trong những thách thức khí động học thường xuyên gây ngạc nhiên mà cả phi công lẫn kỹ sư không thể nhìn thấy nhưng mà họ hoàn toàn có thể cảm nhận, nhờ vào những lực lượng phức tạp xoay quanh các cụm lưỡi cánh di chuyển nhanh và tất cả những chi tiết mảnh mai nổi từ thân máy bay để hỗ trợ động cơ, tạo sức đỡ hoặc kiểm soát, hoặc hỗ trợ chân đáp hoặc bánh xe. Đó là một môi trường đầy sôi động nhưng di chuyển nhanh chóng, sẽ đòi hỏi sự hiểu biết ở mức cao và cuối cùng là quản lý gần như không sai lầm nếu thế giới hàng không muốn có hy vọng trong việc thành công với tầm nhìn mới về cách bay.

Những nhà sản xuất máy bay có thể giảm thiểu khả năng rơi vào trạng thái vòng xoáy bằng cách thiết kế nhiều rotor phân phối dòng khí xuống một khu vực rộng hơn, và phi công học cách đối phó với mối đe dọa khi nó xảy ra. Khi Clark rơi, anh ta di chuyển sang phải, vào không khí sạch sẽ, nơi có thể sử dụng công suất của các rotor. “Tôi chỉ thoát ra được 3 feet trên mặt đất,” anh ta nói. “Chỉ vì bạn có một đám động cơ điện mạnh mẽ và rotor, không có nghĩa là bạn có thể đơn giản là tăng tốc ra khỏi nó.”

Cuộc thử nghiệm đó—một trong khoảng 200 cuộc thử nghiệm cho đến nay—đã được tính là một thành công cho máy bay, được gọi là Ava. Loại máy bay bay mới này vẫn giữ được kiểm soát mặc dù mất sức đỡ, giống như một trực thăng thông thường. Nhưng quản lý trạng thái vòng xoáy chỉ là một trong nhiều thách thức đối mặt với sự phát triển của loại máy bay bay đầy đủ mới này, được gọi là eVTOL nhưng phổ biến hơn là taxi trên không hoặc xe bay (vì dễ sử dụng, không phải vì chúng cũng có khả năng lái xe).

Khi các công ty như Lilium, Joby và Kitty Hawk khám phá các cấu hình mới—with pivoting rotors, wings, moving control surfaces, and more—they must crack the devilish problem of keeping heavier-than-air machines aloft.

Việc khiến một chiếc máy bay eVTOL nhảy lên khỏi mặt đất và chuyển sang bay chuyển động là thách thức cấp bách nhất ở đây. “Chúng tôi muốn sự đơn giản trong thiết kế của mình và hành vi dự đoán trên một phạm vi chuyển động rộng,” Clark nói. Điều đó có nghĩa là thực hiện sự chuyển động ở các tốc độ và độ cao khác nhau. “Chúng tôi muốn nó giữ các phản ứng đều đẹp—điều chúng tôi gọi là sự hài hòa kiểm soát—bất kể nó ở trong cấu hình nào hoặc trong điều kiện nào. Chúng tôi không muốn nó cảm thấy chặt chẽ và chính xác theo một hướng nhưng mềm mại ở hướng khác.”

Đối với máy bay Ava của Beta, Clark hướng tới hệ thống đơn giản nhất có thể. Điều đó có nghĩa, ở điểm khởi đầu, là tránh cánh quạt có thể điều chỉnh góc lá cánh để điều chỉnh tốc độ. Chúng thường gặp trong máy bay turboprop vì chúng cho phép sử dụng động cơ một tốc độ. Nhưng chúng cũng phức tạp, nặng và đòi hỏi nhiều công việc bảo dưỡng, với nhiều bộ phận chuyển động sẽ được phân tán, trong trường hợp của Ava, qua tám cánh quạt. Giải pháp thay thế là cánh quạt nằm ở giữa giữa sự hiệu quả khi đỗ động cơ nơi tốc độ quạt thấp hơn là khi đang di chuyển với tốc độ cao. Nhóm khí động học của Clark thiết kế một cánh có kích thước lớn sẽ hoạt động tốt trong chuyến bay chậm, hỗ trợ trong quá trình chuyển đổi. Nó cũng sử dụng một chiếc flap có thể rút lớn hơn bình thường để tăng diện tích bề mặt ở tốc độ thấp, cải thiện sức đỡ và hiệu quả.

Nhóm cũng tránh cấu hình cánh quạt nghiêng, một chiến lược VTOL phổ biến khác mà gắn cánh quạt vào cánh và nghiêng toàn bộ bộ tổ hợp lên và xuống. Vấn đề của các thiết kế như vậy là chuyển đổi từ chuyến bay ngang sang chuyến bay dọc trở nên ít ổn định hơn nhiều, vì cánh thường bị stall mất đối xứng, theo Clark nói. Nói cách khác, khi cánh mất sức đỡ khi giảm tốc để chuyển sang hành trình dọc, một cánh thường chệch trước còn cánh kia. Một cánh quạt nghiêng cũng tạo ra rủi ro bị đẩy đi bởi các cơn gió khi nghiêng lên. Thay vào đó, Beta đã sử dụng các động cơ nghiêng trên các outriggers của chúng, vì nó không kết hợp cánh và các hỗ trợ động cơ thành các bộ tổ hợp đơn thực hiện nhiều công việc.

Không có nghĩa là cấu hình này không có thách thức. Một điều là Clark muốn hệ thống kiểm soát không bị ảnh hưởng bởi những sai lầm của phi công trong quá trình chuyển đổi, mà không phải dựa vào kiểm soát máy tính. Nó phải ổn định theo bản chất. Mặc dù mô phỏng máy tính đã gợi ý rằng có thể là như vậy, với những phản ứng “đối xứng và dễ chịu” đối với các yếu tố như gió giật, thử nghiệm thực tế đã cho thấy rằng khi điều kiện thay đổi, phản ứng của phi công có thể tạo ra kết quả không nhất quán và do đó là không ổn định. Vì vậy, Beta đã làm cho outriggers được hỗ trợ bằng động cơ có độ động không đổi cả trong chuyến bay dọc và ngang. Họ làm cho cánh dày và mạnh mẽ hơn để giúp nó chống lại turbulance do góc động cơ thay đổi liên tục. Điều đó giúp Ava quản lý tốt hơn các tải trọng trên tất cả các lực học bay đang hoạt động, dù từ gió, luồng rotor xuống hoặc lực đẩy thay đổi khi nó di chuyển qua không khí.

Ava không phải là máy bay dịch vụ thương mại. Đó là một con thử nghiệm kiểm soát và khí động học cho sản phẩm thực tế của Beta, sẽ sử dụng một cấu hình động cơ khác nhau. Chiếc máy bay đó sẽ đẩy tỷ lệ sức đẩy trên tỷ lệ cản không gian—một chỉ số chính của hiệu suất khí động học—lên mức cao và đảm bảo giảm thiểu sự gián đoạn của dòng không khí trên tất cả các yếu tố cấu trúc và trong tất cả các giai đoạn của chuyến bay. “Với một chiếc máy bay như vậy, chúng tôi gặp vấn đề với các giao diện—nơi các outriggers và cánh gắn vào thân máy bay, cách bố trí đuôi và bánh hạ cánh ảnh hưởng đến khí động học, v.v.,” Mark Page, trưởng khí động học của Beta, nói. “Vì vậy, công việc của tôi là làm mịn những điểm đó và nói chung ‘loại bỏ xung đột’ của các luồng không khí của khung máy bay. Chúng tôi sử dụng mô phỏng máy tính để xem nơi không khí di chuyển, và điều đó mang lại cho chúng tôi bức tranh ghép hình 3D cho phép chúng tôi làm cho mọi thứ vừa vặn, xác định nơi các mảnh có thể và không thể ở. Cuối cùng, chúng tôi có luồng không khí sạch sẽ.

Tối ưu hóa hiệu suất cũng tối ưu hóa năng lượng pin, Clark cho biết, quan trọng để đạt được phạm vi hơn 200 dặm mà anh ta đang nhắm đến cho chiếc máy bay cuối cùng. Ava, mẫu thử nghiệm, sẽ phù hợp cho một phạm vi 150 dặm ở tốc độ 172 dặm mỗi giờ. Những con số này có thể được xác nhận—hoặc bị chối bỏ—trước mùa hè năm nay khi Clark sẽ cố gắng bay qua quốc gia, cả để ghi thêm giờ thử nghiệm và để tiếp xúc với những thách thức lớn hơn của hàng không điện. Những điều như cơ sở hạ tầng sạc, tích hợp của máy bay vào không phận công cộng và những thách thức khi lái những chiếc máy bay mới lạ này. Trước đó, tuy nhiên, vẫn còn hàng chục chuyến bay thử nghiệm—mặc dù hy vọng là với ít và ít cảm giác chìm nhiều hơn.

Câu chuyện được cập nhật lúc 13:55 ET vào thứ Ba, ngày 12 tháng 3, để làm rõ rằng Clark đã sidestepped sang phải để đưa Ava vào không khí sạch sẽ hơn.

Những câu chuyện tuyệt vời khác của Mytour

• Chương trình hẹn hò thực tế truyền hình vẫn còn phải lớn lên
• Các công ty khởi nghiệp xe máy điện bỏ công nhân cho nhân viên thực
• Zuck muốn Facebook xây dựng một máy đọc suy nghĩ
• Đó có phải là các hành tinh không? Không, có điều đen tối hơn nhiều
• Chaos, bitcoin và tội ác ở Acapulco
• 👀 Đang tìm kiếm các thiết bị công nghệ mới nhất? Hãy kiểm tra các hướng dẫn mua sắm và các ưu đãi tốt nhất của chúng tôi suốt cả năm
• 📩 Muốn thêm? Đăng ký nhận bản tin hàng ngày của chúng tôi và đừng bao giờ bỏ lỡ những câu chuyện mới và tuyệt vời nhất của chúng tôi