03:15 21 Tháng Mười Một 2019
Máy bay chở khách phản lực siêu âm TU-144. Sân bay Sheremetyevo

Máy bay siêu thanh thế kỷ 21: Những vấn đề trong việc chế tạo

© Sputnik / Aleksander Mokletsov
Vũ khí
URL rút ngắn
101
Theo dõi Sputnik trên

Tại triển lãm hàng không MAKS-2019, các kỹ sư Nga đã trình bày mô hình chiếc máy bay chở khách siêu thanh thế hệ mới. Các giải pháp kỹ thuật được áp dụng, sẽ giúp tạo ra chiếc máy bay đáp ứng đầy đủ các yêu cầu nghiêm ngặt hiện đại về hiệu quả, thân thiện với môi trường và tiện nghi thoải mái.

Một lần nữa xuất hiện nhu cầu về máy bay siêu thanh dân sự

Liên Xô đã bắt đầu công việc phát triển máy bay chở khách siêu thanh từ đầu những năm 1960. Ngày 31-12-1968, chiếc Tu-144 đầu tiên cất cánh lên bầu trời.

Viện sĩ hàn lâm Sergey Chernyshev - Giám đốc khoa học Viện nghiên cứu khí động học trung ương Zhukovsky (TsAGI) - trong cuộc phỏng vấn với Sputnik cho biết:

«Tu-144 có các đặc tính bay tốt, tốc độ nhanh hơn âm thanh gấp 2,2 lần (khoảng 2 720 km / h ). Tuy nhiên mức tiêu thụ nhiên liệu cao và các vấn đề kỹ thuật khó giải quyết đã hạn chế đáng kể việc sử dụng. Nhiên liệu cho Tu-144 đặc biệt, rất đắt tiền và cơ sở hạ tầng mặt đất cần thích hợp để phục vụ máy bay siêu thanh. Điều này đã trở thành một trong những trở ngại cho việc ứng dụng rộng rãi máy bay".

Một vấn đề khác là độ ồn. Một máy bay siêu thanh khác trong thế kỷ 20 - Concord, cũng gặp phải. Ngày nay, vấn đề tiếng ồn trở nên tối quan trọng, do đó thật không thực tế khi vận hành Tu-144 và Concord: không phù hợp với tiêu chuẩn tiếng ồn hàng không quốc gia và quốc tế.

Ngược lại, máy bay cận âm đã được sử dụng thành công trên toàn thế giới. Nhưng thời gian di chuyển bằng máy bay “cận âm” trên các tuyến bay đường dài hiện không đáp ứng được yêu cầu. Do đó một lần nữa xuất hiện nhu cầu về hàng không dân dụng siêu âm. Các kỹ sư Nga, Mỹ, Nhật Bản, EU bắt đầu phát triển một thế hệ máy bay siêu thanh mới.

Tuy nhiên, một số vấn đề kỹ thuật nghiêm trọng đã phát sinh từ đây.

Vấn đề 1: Động cơ

Cần thiết chế tạo ra động cơ mới về cơ bản. Máy bay cận âm sử dụng các động cơ với vòi phun đường kính lớn để giảm tiếng ồn. Nhưng chúng không thích hợp để vượt qua rào cản âm thanh: động cơ lớn làm tăng sức cản không khí.

«Vì vậy cần phải thu nhỏ động cơ. Dòng khí trở nên nhanh hơn, nhưng tiếng ồn sẽ tăng lên. Không thể treo động cơ dưới cánh của một chiếc máy bay siêu thanh. Trong mô hình của chúng tôi, chúng được đặt phía trên. Thứ nhất, khung máy bay che chắn, làm giảm tiếng ồn xuống một chút, và thứ hai, dòng khí phản lực chảy trên bề mặt động cơ, mang theo không khí lạnh xung quanh, kích thước ngang dòng chảy không khí tăng làm giảm tốc độ trong khi duy trì lực kéo từ động cơ. Chua có ai khác từng làm  điều này, đây là một khái niệm mới», - viện sĩ Chernyshev giải thích với Sputnik.

Theo nhà khoa học, cho đến nay vẫn chưa có động cơ phù hợp và vấn đề bố trí trên máy bay vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ.

«Tuy nhiên các động cơ máy bay hiện đại tiết kiệm hơn hai lần so với 50 năm trước, nhưng chúng có nhiều buồng đốt hơn, nhiệt độ cao hơn trên các tuabin do sử dụng vật liệu chịu nhiệt mới. PD-14 - được thiết kế làm động cơ chính cho máy bay tầm trung MC-21 của Nga, sẽ sớm được đưa vào vận hành. «Phần nóng» của nó có thể được lấy làm cơ sở cho một động cơ siêu thanh», - ông Sergey Chernyshev nói thêm.

Động cơ máy bay PD-14
© Sputnik / Mikhail Voskresenskiy
Động cơ máy bay PD-14
Sử dụng động cơ máy bay quân sự trên máy bay thương mại là sự vô nghĩa. Máy bay chiến đấu đạt đến tốc độ "siêu âm" trong một thời gian rất ngắn, tài nguyên của động cơ cũng có hạn: khoảng 1000 giờ bay. Một  máy bay chở khách cần phải bay siêu âm 3-4 giờ trong mỗi chuyến bay. Tài nguyên động cơ sẽ nhanh chóng cạn kiệt, và bất kỳ hãng hàng không thương mại nào cũng sẽ phá sản khi đối diện với vấn đề sửa chữa.

Vấn đề 2: Sức cản không khí, lớp vỏ bị gia nhiệt , kết cấu vững chắc

Tốc độ của máy bay càng cao, sức cản không khí càng lớn. Điều này đặc biệt rõ ràng khi chuyển sang bay "siêu âm". Một cách để giải quyết vấn đề là tăng độ cao chuyến bay lên tới 15000 - 18000 mét, tại đó bầu không khí đã bớt đậm đặc hơn. Mặt khác, máy bay di chuyển càng nhanh, lớp vỏ càng nóng lên. Thân Tu-144 khi bay nóng lên 120-150 độ C, gần tới hạn chịu đựng của hợp kim nhôm. Ngày nay có các vật liệu composite chịu nhiệt dựa trên sợi carbon, nhẹ hơn nhôm, nhưng vững chãi hơn.

Một vấn đề khác là sơ đồ cấu trúc chịu lực của một chiếc máy bay siêu thanh.

«Ngày nay các nhà sản xuất máy bay trên khắp thế giới đang chế tạo bộ xương thân máy bay làm bằng vật liệu tổng hợp theo mô hình truyền thống: với các cấu kiện chịu lực dọc và ngang. Thiết kế này không phù hợp với máy bay siêu thanh, do đó chúng tôi sữ dụng thiết kế lưới không đồng đều: nơi nào tải trọng lớn hơn, ví dụ như trên cánh, sẽ có lưới dày hơn; ở phần mũi, nơi chịu tải ít hơn, lưới sẽ thưa hơn”, - học giả Chernyshev nhấn mạnh.

Vấn đề 3. Khí động lực học và phi công

Máy bay siêu thanh phải có bố trí khí động học khác nhau để đảm bảo tốc độ cao, bay ổn định và hạ cánh trên các đường băng thông thường. Cách tiếp cận truyền thống được sử dụng trong Tu-144 và Concord - cánh tam giác lớn, để giảm lực cản và áp lực âm thanh trong không khí.

"Trong mô hình của chúng tôi, cánh được chế tạo dưới dạng V đôi nằm ngang. Điều này giúp giảm lực cản, tiếng nổ âm thanh và cải thiện khí động học", - nhà khoa học từ TsAGI nói.

Mũi máy bay Tu-144 là một thiết kế đặc biệt. Trong chuyến bay mũi giữ thẳng, và khi cất hạ cánh mũi cụp  xuống để không cản trở tầm nhìn phi công. Mũi Tu-144 được điều khiển bằng hệ thống thủy lực, làm tăng thêm trọng lượng. Các kỹ sư của TsAGI đề nghị chế tạo thân máy bay khối liền không có cửa sổ, thậm chí ngay cả buồng lái, trên chiếc máy bay siêu thanh thế kỷ 21. Thay vào đó là các màn hình tinh thể lỏng, hiển thị hình ảnh từ các camera bên ngoài.

“Có màn hình LCD trong cabin ở hai bên và trên trần. Hành khách nhìn thấy những gì đang xảy ra bên ngoài nhờ vào  “tầm nhìn kỹ thuật số”  và họ sẽ cảm thấy thoải mái. Phi công điều khiển qua các thiết bị, hiện giờ hoàn hảo hơn nhiều so với cảm nhận của con người. Thân máy bay không có cửa sổ sẽ có độ bền cao hơn, và cho phép giảm độ dày thân vỏ và do đó, trọng lượng giảm xuống", - theo viện sỹ Chernyshev.

Không loại trừ việc máy bay siêu thanh sẽ trở thành không người lái. Chỉ còn một phi công – kiểm soát  trên đó.

Vấn đề 4. Chống lại áp lực âm thanh

Không thể hoàn toàn thoát khỏi tiếng nổ âm thanh khi chuyển sang bay siêu âm -  các định luật vật lý cơ bản vẫn còn giá trị. Phải tìm giải pháp giải quyết theo cách chủ động hoặc thụ động. Ở đây phụ thuộc rất nhiều vào khối lượng, kích thước máy bay, độ cao và tốc độ bay. Ví dụ sóng âm từ một máy bay hạng nhẹ bay ở tốc độ Mach 1,1 (1360 km / h) ở độ cao 10000 mét có thể không chạm tới mặt đất. Vấn đề hoàn toàn khác khi một máy bay chở khách hạng nặng bay Mach 2,2 (2720 km / h). Một trong những lựa chọn đang được xem xét tại TsAGI (Nga) và NASA (Mỹ) là giới hạn tốc độ bay ở Mach 1,6 (1979 km / h).

Bài 5. Tiếng ồn và sân bay có khả năng tiếp nhận máy bay siêu thanh

Hiện không có tiêu chuẩn tiếng ồn áp dụng riêng cho máy bay dân sự siêu thanh. Nhưng ở châu Âu (và ở Hoa Kỳ, hay Đông Nam Á cũng vậy), vấn đề tiếng ồn đặc biệt nghiêm trọng do mật độ dân số cao.

"Các yêu cầu về tiếng ồn máy bay trong nửa thế kỷ qua đã thay đổi đáng kể. Trước đây các sân bay được xây dựng cách xa thành phố, nhưng các siêu đô thị đang mở rộng. Máy bay can thiệp vào cuộc sống con người, đây là một vấn đề đáng lo ngại, vì vậy nếu chúng tôi nói với mọi người: "Hãy bay tốc độ "siêu âm" nhưng sẽ ồn  hơn một chút", sẽ không ai chấp nhận. Mọi người chỉ đồng ý về mức độ tiếng ồn được ghi trong các tài liệu ICAO. Cứ mỗi năm năm, họ lại giảm xuống một lần. Con người muốn tiện nghi thoải mái và không muốn chịu đựng tiếng ồn trong nhà mình", - viện sĩ Sergey Chernyshev lưu ý.

Vi vậy một máy bay dân sự siêu thanh phải phù hợp với khuôn khổ được chấp nhận chung trong hầu hết các tiêu chuẩn.

“Nếu không ít nhất máy bay sẽ hạ cánh ở tốc độ quá cao và độ dài đường băng tiêu chuẩn sẽ không phù hợp, bởi vì  một chiếc máy bay siêu thanh dân sự không thể sử dụng dù hãm” , - nhà khoa học nói thêm.
Nga chấp nhận “Thử thách công nghệ”

Trường phái hàng không siêu thanh của Nga dẫn đầu thế giới. Nhưng các kỹ sư TsAGI nhận thức rõ về các nhiệm vụ công nghệ khó khăn nhất được đặt ra. Do đó người ta tin rằng máy bay siêu thanh sẽ bắt đầu hoạt động không sớm hơn năm 2030. Trước hết chúng ta cần một mô hình - bản sao của chiếc máy bay thật để chứng minh tính đúng đắn của các giải pháp kỹ thuật khí động học, điều khiển, vận hành động cơ, cất hạ cánh, và tính toán quỹ đạo bay.