Đây là mô tả của một nghệ sĩ về một phương tiện nghiên cứu Hyper-X dưới sức mạnh scramjet trong chuyến bay tự do sau khi tách khỏi tên lửa đẩy của nó. Nghiên cứu mới về máy bay phản lực siêu thanh có thể biến đổi du hành vũ trụ bằng cách làm cho động cơ scramjet đáng tin cậy và hiệu quả hơn, dẫn đến tàu vũ trụ giống máy bay. Tín dụng: NASA
Nghiên cứu đường hầm gió cho thấy dòng động cơ phản lực siêu thanh có thể được điều khiển bằng quang học
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Virginia đang khám phá tiềm năng của máy bay phản lực siêu thanh để du hành vũ trụ, sử dụng những đổi mới trong kỹ thuật cảm biến và điều khiển động cơ. Công việc, được hỗ trợ bởi NASA, nhằm mục đích tăng cường hiệu suất scramjet thông qua các hệ thống điều khiển thích ứng và cảm biến quang học, có khả năng dẫn đến các phương tiện tiếp cận không gian an toàn hơn, hiệu quả hơn hoạt động như máy bay.
Tương lai của du hành vũ trụ: Máy bay phản lực siêu thanh
Điều gì sẽ xảy ra nếu tương lai của du hành vũ trụ trông không giống Starship dựa trên tên lửa của Space-X và giống như "Hyper-X" của NASA, máy bay phản lực siêu thanh, 20 năm trước, bay nhanh hơn bất kỳ máy bay nào khác trước đây hoặc kể từ đó?
Năm 2004, các thử nghiệm nguyên mẫu không người lái X-43A cuối cùng của NASA là một cột mốc quan trọng trong kỷ nguyên phát triển máy bay phản lực mới nhất - bước nhảy vọt từ ramjet sang scramjet nhanh hơn, hiệu quả hơn. Cuộc thử nghiệm cuối cùng, vào tháng 11 năm đó, đạt tốc độ kỷ lục thế giới mà chỉ một tên lửa mới có thể đạt được trước đây: Mach 10. Tốc độ tương đương với 10 lần tốc độ âm thanh.
NASA đã chọn lọc rất nhiều dữ liệu hữu ích từ các thử nghiệm, cũng như Không quân sáu năm sau đó trong các thử nghiệm tương tự trên X-51 Waverider, trước khi các nguyên mẫu rơi xuống đại dương.
Mặc dù bằng chứng siêu thanh về khái niệm đã thành công, công nghệ này còn lâu mới hoạt động. Thách thức là đạt được điều khiển động cơ, bởi vì công nghệ này dựa trên các phương pháp tiếp cận cảm biến hàng thập kỷ.
Máy bay phóng B-52B của NASA bay đến một bãi thử nghiệm trên Thái Bình Dương mang theo phương tiện X-43A thứ ba và cuối cùng, gắn vào tên lửa Pegasus, vào ngày 16 tháng 11 năm 2004. Tín dụng: NASA / Carla Thomas
Những đột phá trong điều khiển động cơ siêu thanh
Tuy nhiên, tháng này đã mang lại một số hy vọng cho những người kế nhiệm tiềm năng cho loạt máy bay X.
Là một phần của một nghiên cứu mới do NASA tài trợ, các nhà nghiên cứu của Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng Đại học Virginia đã công bố dữ liệu trong số tháng Sáu của tạp chí Khoa học và Công nghệ Hàng không Vũ trụ lần đầu tiên cho thấy luồng không khí trong động cơ phản lực đốt siêu thanh có thể được điều khiển bằng cảm biến quang học. Phát hiện này có thể dẫn đến sự ổn định hiệu quả hơn của máy bay phản lực siêu thanh.
Ngoài ra, các nhà nghiên cứu đã đạt được khả năng kiểm soát thích ứng của động cơ scramjet, đại diện cho một động cơ đầu tiên khác cho động cơ siêu thanh. Hệ thống điều khiển động cơ thích ứng đáp ứng với những thay đổi về động lực học để giữ cho hiệu suất tổng thể của hệ thống tối ưu.
"Một trong những ưu tiên hàng không vũ trụ quốc gia của chúng tôi kể từ những năm 1960 là chế tạo máy bay một tầng lên quỹ đạo bay vào không gian từ cất cánh ngang như máy bay truyền thống và hạ cánh trên mặt đất như máy bay truyền thống", giáo sư Christopher Goyne, giám đốc Phòng thí nghiệm nghiên cứu hàng không vũ trụ UVA, nơi nghiên cứu diễn ra, cho biết.
"Hiện tại, con tàu hiện đại nhất là Starship của SpaceX. Nó có hai giai đoạn, với phóng và hạ cánh thẳng đứng. Nhưng để tối ưu hóa sự an toàn, tiện lợi và khả năng tái sử dụng, cộng đồng hàng không vũ trụ muốn xây dựng một cái gì đó giống như một chiếc 737.
Nghiên cứu sinh tiến sĩ Max Chern xem xét kỹ hơn thiết lập đường hầm gió, nơi các nhà nghiên cứu của Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng Đại học Virginia đã chứng minh rằng có thể điều khiển động cơ scramjet chế độ kép bằng cảm biến quang học. Tín dụng: Wende Whitman, Kỹ thuật UVA
Goyne và đồng điều tra viên của ông, Chloe Dedic, phó giáo sư Kỹ thuật UVA, tin rằng cảm biến quang học có thể là một phần quan trọng của phương trình điều khiển.
"Có vẻ hợp lý với chúng tôi rằng nếu một chiếc máy bay hoạt động ở tốc độ siêu thanh Mach 5 và cao hơn, thì có thể thích hợp hơn để nhúng các cảm biến hoạt động gần với tốc độ ánh sáng hơn tốc độ âm thanh", Goyne nói.
Các thành viên khác của nhóm nghiên cứu là nghiên cứu sinh tiến sĩ Max Chern, người từng là tác giả đầu tiên của bài báo, cũng như cựu sinh viên tốt nghiệp Andrew Wanchek, nghiên cứu sinh tiến sĩ Laurie Elkowitz và nhà khoa học cao cấp của UVA Robert Rockwell. Công trình được hỗ trợ bởi một khoản tài trợ ULI của NASA do Đại học Purdue dẫn đầu.
Nâng cao hiệu suất động cơ Scramjet
NASA từ lâu đã tìm cách ngăn chặn điều gì đó có thể xảy ra trong động cơ scramjet được gọi là "unstart". Thuật ngữ này chỉ ra sự thay đổi đột ngột trong luồng không khí. Cái tên này bắt nguồn từ một cơ sở thử nghiệm chuyên biệt được gọi là đường hầm gió siêu thanh, trong đó "bắt đầu" có nghĩa là gió đã đạt đến điều kiện siêu âm mong muốn.
UVA có một số đường hầm gió siêu thanh, bao gồm Cơ sở đốt siêu thanh UVA, có thể mô phỏng điều kiện động cơ cho một phương tiện siêu thanh di chuyển với tốc độ gấp năm lần tốc độ âm thanh.
"Chúng tôi có thể chạy thử nghiệm các điều kiện trong nhiều giờ, cho phép chúng tôi thử nghiệm các cảm biến lưu lượng mới và phương pháp điều khiển trên hình dạng động cơ thực tế", Dedic nói.
Goyne giải thích rằng "scramjets", viết tắt của ramjet đốt siêu thanh, được xây dựng dựa trên công nghệ ramjet đã được sử dụng phổ biến trong nhiều năm.
Hình ảnh động lực học chất lỏng tính toán này từ các thử nghiệm Hyper-X ban đầu cho thấy động cơ hoạt động ở tốc độ Mach 7. Tín dụng: NASA
Ramjet về cơ bản "đâm" không khí vào động cơ bằng cách sử dụng chuyển động về phía trước của máy bay để tạo ra nhiệt độ và áp suất cần thiết để đốt cháy nhiên liệu. Chúng hoạt động trong phạm vi khoảng Mach 3 đến Mach 6. Khi cửa hút gió ở phía trước máy bay thu hẹp, vận tốc không khí bên trong chậm lại đến tốc độ cận âm trong động cơ đốt trong ramjet. Tuy nhiên, bản thân máy bay thì không.
Tuy nhiên, Scramjet có một chút khác biệt. Mặc dù chúng cũng "thở bằng không khí" và có cùng thiết lập cơ bản, nhưng chúng cần duy trì luồng không khí siêu nhanh đó qua động cơ để đạt tốc độ siêu thanh.
"Nếu có điều gì đó xảy ra trong động cơ siêu thanh, và các điều kiện cận âm đột ngột được tạo ra, đó là một sự khởi đầu", Goyne nói. "Lực đẩy sẽ đột ngột giảm, và có thể khó khởi động lại cửa vào vào thời điểm đó."
Thử nghiệm động cơ Scramjet chế độ kép
Hiện tại, giống như ramjet, động cơ scramjet cần một bước tiến để đưa chúng đến tốc độ mà chúng có thể hấp thụ đủ oxy để hoạt động. Điều đó có thể bao gồm một chuyến đi gắn vào mặt dưới của máy bay trên tàu sân bay cũng như tăng cường tên lửa.
Cải tiến mới nhất là bộ đốt scramjet chế độ kép, đây là loại động cơ mà dự án do UVA dẫn đầu đã thử nghiệm. Động cơ kép khởi động ở chế độ ramjet ở tốc độ Mach thấp hơn, sau đó chuyển sang nhận luồng không khí siêu thanh đầy đủ trong buồng đốt ở tốc độ vượt quá Mach 5.
Ngăn chặn khởi động khi động cơ thực hiện quá trình chuyển đổi đó là rất quan trọng.
Christopher Goyne, giáo sư và giám đốc Phòng thí nghiệm nghiên cứu hàng không vũ trụ UVA, và Chloe Dedic, phó giáo sư. Tín dụng: Wende Whitman, Kỹ thuật UVA
Gió đến tương tác với các bức tường đầu vào dưới dạng một loạt các sóng xung kích được gọi là "tàu xung kích". Theo truyền thống, cạnh trước của những sóng đó, có thể phá hủy tính toàn vẹn của máy bay, đã được điều khiển bởi các cảm biến áp suất. Máy có thể điều chỉnh, ví dụ, bằng cách di chuyển vị trí của tàu sốc.
Nhưng vị trí của mép trước của tàu sốc có thể thay đổi nhanh chóng nếu nhiễu loạn chuyến bay làm thay đổi động lực học giữa không trung. Tàu sốc có thể điều áp đầu vào, tạo điều kiện cho việc khởi động.
Vì vậy, "Nếu bạn đang cảm nhận ở tốc độ âm thanh, nhưng các quá trình động cơ đang di chuyển nhanh hơn tốc độ âm thanh, bạn không có nhiều thời gian phản hồi", Goyne nói.
Ông và các cộng sự tự hỏi liệu việc khởi động đang chờ xử lý có thể được dự đoán bằng cách quan sát các đặc tính của ngọn lửa động cơ hay không.
Cảm nhận quang phổ của ngọn lửa
Nhóm nghiên cứu đã quyết định sử dụng một cảm biến quang phổ phát xạ quang học cho các phản hồi cần thiết để điều khiển cạnh trước của tàu sốc.
Không còn giới hạn thông tin thu được ở thành động cơ, như cảm biến áp suất, cảm biến quang học có thể xác định những thay đổi tinh tế cả bên trong động cơ và trong đường dẫn dòng chảy. Công cụ này phân tích lượng ánh sáng phát ra từ một nguồn - trong trường hợp này là các khí phản ứng trong bộ đốt scramjet - cũng như các yếu tố khác, chẳng hạn như vị trí của ngọn lửa và hàm lượng quang phổ.
"Ánh sáng phát ra từ ngọn lửa trong động cơ là do sự thư giãn của các loài phân tử bị kích thích trong quá trình đốt cháy", Elkowitz, một trong những sinh viên tiến sĩ giải thích. "Các loài khác nhau phát ra ánh sáng ở các năng lượng hoặc màu sắc khác nhau, cung cấp thông tin mới về trạng thái của động cơ không được bắt bởi các cảm biến áp suất."
Các sinh viên tiến sĩ cơ khí và hàng không vũ trụ hiện tại của UVA Engineering Laurie Elkowitz và Max Chern là một trong những thành viên có ảnh hưởng của nhóm. Tín dụng: Wende Whitman, Kỹ thuật UVA
Trình diễn đường hầm gió của nhóm nghiên cứu cho thấy điều khiển động cơ có thể vừa dự đoán vừa thích ứng, chuyển đổi trơn tru giữa hoạt động của scramjet và ramjet.
Thử nghiệm đường hầm gió, trên thực tế, là bằng chứng đầu tiên trên thế giới cho thấy điều khiển thích ứng trong các loại động cơ chức năng kép này có thể đạt được với các cảm biến quang học.
"Chúng tôi rất vui mừng được chứng minh vai trò của cảm biến quang học trong việc điều khiển các phương tiện siêu thanh trong tương lai", tác giả đầu tiên Chern nói. "Chúng tôi đang tiếp tục thử nghiệm các cấu hình cảm biến khi chúng tôi làm việc hướng tới một nguyên mẫu tối ưu hóa khối lượng và trọng lượng gói hàng cho môi trường bay."
Xây dựng hướng tới tương lai
Trong khi vẫn còn nhiều việc phải làm, cảm biến quang học có thể là một thành phần của tương lai mà Goyne tin rằng sẽ được hiện thực hóa trong cuộc đời của mình: du hành giống như máy bay lên vũ trụ và quay trở lại.
Các máy bay phản lực scramjet chế độ kép vẫn sẽ cần một sự tăng cường nào đó để đưa máy bay lên ít nhất Mach 4. Nhưng sẽ có sự an toàn bổ sung khi không phụ thuộc hoàn toàn vào công nghệ tên lửa, đòi hỏi nhiên liệu dễ cháy phải được mang theo cùng với một lượng lớn chất oxy hóa hóa học để đốt cháy nhiên liệu.
Trọng lượng giảm đó sẽ cho phép nhiều chỗ hơn cho hành khách và tải trọng.
Một chiếc máy bay tất cả trong một như vậy, có thể lướt trở lại Trái đất như các tàu con thoi đã từng làm, thậm chí có thể cung cấp sự kết hợp lý tưởng giữa hiệu quả chi phí, an toàn và khả năng tái sử dụng.
"Tôi nghĩ điều đó là có thể, vâng," Goyne nói. "Trong khi ngành công nghiệp vũ trụ thương mại đã có thể giảm chi phí thông qua một số khả năng tái sử dụng, họ vẫn chưa nắm bắt được các hoạt động giống như máy bay. Phát hiện của chúng tôi có khả năng xây dựng dựa trên lịch sử của Hyper-X và làm cho việc tiếp cận không gian của nó an toàn hơn so với công nghệ dựa trên tên lửa hiện tại".
Tham khảo: "Điều khiển đường dẫn dòng scramjet chế độ kép sử dụng quang phổ phát xạ quang học" của Max Y. Chern, Andrew J. Wanchek, Laurie Elkowitz, Robert D. Rockwell, Chloe E. Dedic và Christopher P. Goyne, ngày 18 tháng 4 năm 2024, Khoa học và Công nghệ Hàng không Vũ trụ.
Mời đối tác xem các hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
