Làm cách nào NASA thiết kế máy bay siêu thanh giảm tiếng ồn?

(Tổ Quốc) - NASA sắp thử nghiệm máy bay siêu thanh giảm tiếng ồn với hứa hẹn mang đến bước tiến to lớn.

Hãy tưởng tượng khả năng đi vòng quanh thế giới với vận tốc hơn 1.500 km/h mà không bao giờ làm phiền bởi tiếng ồn. Điều này chắc chắn sẽ là bước đột phá lớn trong lĩnh vực di chuyển, một trải nghiệm không thể nào quên được.

Trái ngược với máy bay chiến đấu thường bay nhanh hơn vận tốc âm thanh, máy bay thương mại lại không thể thực hiện điều này khi bay qua khu vực dân cư. Nguyên nhân là tiếng nổ siêu thanh và sóng xung kích tạo ra bởi các vật thể di chuyển nhanh hơn âm thanh, có thể làm vỡ cửa kính và tạo ra âm thanh như tiếng sấm bên tai. Vì vấn đề này, máy bay siêu thanh Concorde đã phải ngừng hoạt động cách đây gần 2 thập kỷ.

Tuy nhiên, NASA đang hướng tới việc 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 (hay còn gọi là công nghệ siêu thanh không tiếng ồn). Đây là 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 trong khi bay. Điều này đã khiến Cục Quản lý Hàng không Liên bang Mỹ (FAA) cấm bay máy bay siêu thanh trên đất liền từ năm 1973.

Tuy nhiên, X-59 được đặt kế hoạch để giảm thiểu tiếng nổ siêu thanh và âm thanh độ ồn chỉ còn 75 decibel khi bay, tương đương với tiếng cửa ô tô kêu khi đậu trên đường.

Để giảm thiểu tiếng ồn máy bay, NASA và Lockheed Martin đã quay trở lại nguyên tắc cơ bản của khí động học. Kết quả là một thiết kế máy bay tiên tiến và đơn giản.

Hiện tại, trong kho không cửa sổ ở sa mạc California, công nhân đang lắp ráp máy bay X-59, sẵn sàng cho cuộc thử nghiệm đầu tiên. Chiếc máy bay mũi nhọn này khi nhìn gần giống như các thiết kế khoa học viễn tưởng từ những năm 1950 với đường cong mượt mà và buồng lái ở giữa.

X-59 được mô tả như mô hình máy bay siêu thanh của tương lai. Dự án nhằm thuyết phục các cơ quan quản lý như FAA huỷ bỏ lệnh cấm chở khách bằng phương tiện siêu thanh trên đất liền. Điều này có thể mở ra kỷ nguyên du lịch siêu thanh và là lần đầu tiên kể từ khi máy bay Concorde ngừng hoạt động vào năm 2003.

Để hiểu cách tiếng nổ siêu thanh hoạt động, hãy tìm hiểu một chút về vật lý âm thanh cơ bản.

Khi máy bay di chuyển trong không khí, nó tạo ra sóng nén bằng cách đẩy không khí phía trước. Tuy nhiên, khi máy bay di chuyển với tốc độ siêu thanh, nó di chuyển nhanh hơn sóng nén. Kết quả là máy bay tạo ra sóng xung kích lan ra dưới dạng tiếng nổ siêu thanh.

Thêm vào đó, mọi thay đổi đáng kể về hình dạng trên thân máy bay, như việc làm nổi buồng lái về phía trước, đều có thể kích sinh sóng xung kích. Vì vậy, để giảm thiểu tối đa tiếng nổ siêu thanh đổ xuống đất, các chuyên gia cần điều chỉnh dáng máy bay, làm cho nó dài hơn, mượt mà và phân phối khác biệt dọc theo thân dài hơn.

Điều này cũng là mục tiêu mà NASA và Lockheed Martin đều đang thực hiện với X-59. Máy bay dài 30.4 m nhưng chỉ chở 1 hành khách. Đặc biệt, phần đầu dài hơn 9 m chiếm khoảng 1/3 chiều dài, liên kết hài hòa với phần mũi hình mũi tên và động cơ đặt ở phía sau.

Động cơ dài 4 m của General Electric Aviation sản xuất sẽ cung cấp lực đẩy lên đến 9.979 kg, giúp X-59 đạt tốc độ Mach 1.4 (1.728 km/h) ở độ cao khoảng 16.764 m.

Larry Cliatt, trưởng nhóm thử nghiệm âm thanh của NASA cho dự án X-59, khẳng định tất cả những điều này nhằm đảm bảo sóng xung kích được tạo ra trong không khí mà không gây ra tiếng nổ siêu thanh lớn.

Một phong cách bay mới

X-59 quá dài và nhỏ gọn đến mức buồng lái không có cửa sổ phía trước. Thay vào đó, phi công sẽ sử dụng Hệ thống Tầm nhìn Bên ngoài (XVS) của NASA để điều khiển máy bay.

Cụ thể, XVS sử dụng hai camera ở trên và dưới máy bay để cung cấp hình ảnh mặt trước thời gian thực, hiển thị trên màn hình HD. Ngoài ra, XVS còn hoạt động như Màn hình Hiển thị Đầu (HUD), chiếu thông tin về độ cao, tốc độ và đường bay.

NASA đã thử nghiệm XVS trên thiết bị mô phỏng bay X-59 tại Armstrong. Điều này giúp phi công có thể thấy cảnh báo hiện lên hoặc chữ màu ở dưới màn hình, điều mà họ không thường thấy qua cửa sổ buồng lái.

Trong năm 2022, NASA và Lockheed Martin tiến hành các kiểm tra ban đầu cho X-59. Nhưng thử nghiệm thực tế sẽ diễn ra vào năm 2023, trong giai đoạn 'kiểm duyệt âm thanh'. NASA cho biết, X-59 sẽ cất cánh để giảm tiếng nổ siêu thanh. Máy bay còn bay cùng F-15 để đo sóng xung kích.

Trong giai đoạn này, NASA cài đặt microphone dọc theo đường đi 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 vào giai đoạn thử nghiệm thứ 3 vào 2025. Máy bay sẽ bay qua các thành phố và thị trấn ở Mỹ để đánh giá phản ứng của cộng đồng. Sau đó, NASA sẽ gửi dữ liệu để thay đổi quy định về bay siêu thanh.

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

Tham khảo nguồn: NASA, Cnet, Interestingengineering