Đột phá về siêu thanh có thể biến các chuyến bay toàn cầu chỉ mất một giờ thành hiện thực
Tác giả: Viện Công nghệ Stevens
12 tháng 11, 2025
Một thí nghiệm sử dụng năng lượng laser đã tiết lộ những bí mật về nhiễu động, có thể biến các chuyến bay siêu thanh — và du lịch toàn cầu trong một giờ — thành hiện thực. Shutterstock
Chuyến bay siêu thanh có thể biến những chuyến đi quốc tế dài ngày thành những chuyến đi làm việc chỉ trong một giờ, đưa khoa học viễn tưởng đến gần hơn với thực tế.
Một thí nghiệm mới ủng hộ giả thuyết Morkovin vốn đã gây tranh cãi từ lâu, cho thấy nhiễu động ở Mach 6 mô phỏng nhiễu động của các luồng khí chậm hơn. Khám phá này có thể giúp các chuyến bay siêu thanh, và có lẽ cả việc tiếp cận không gian, trở nên khả thi hơn rất nhiều.
Chuyến bay siêu thanh: Từ khoa học viễn tưởng đến hiện thực
Nếu điều này trở thành hiện thực, chuyến bay siêu thanh, vốn chỉ được tưởng tượng trong khoa học viễn tưởng, có thể định hình lại hoàn toàn du lịch toàn cầu. Những chuyến đi hiện nay mất cả ngày có thể được rút ngắn lại chỉ bằng một bộ phim thông thường. Ví dụ, một chuyến bay từ Sydney đến Los Angeles có thể chỉ mất một giờ thay vì mười lăm giờ.
“Nó thực sự làm co lại hành tinh”, Giáo sư Nicholaus Parziale, người có nghiên cứu tập trung vào việc biến những chuyến bay siêu thanh thành hiện thực, và gần đây đã nhận được Giải thưởng Khởi nghiệp của Tổng thống dành cho các Nhà khoa học và Kỹ sư cho nghiên cứu của ông về cơ học chất lỏng ảnh hưởng đến các chuyến bay tốc độ cao, cho biết. “Nó sẽ giúp việc di chuyển nhanh hơn, dễ dàng hơn và thú vị hơn.”
Rào cản Nhiệt và Nhiễu động
Việc bao phủ một nửa địa cầu trong một giờ nghe có vẻ bất khả thi, nhưng mục tiêu này đang dần tiến gần hơn. Máy bay quân sự đã đạt tốc độ gấp đôi, thậm chí gấp ba lần tốc độ âm thanh, tức Mach 2 và Mach 3, trong đó Mach 1 tương đương khoảng 1.220 km/h ở mực nước biển. Để thực hiện chuyến bay từ Los Angeles đến Sydney trong một giờ, máy bay cần đạt Mach 10, tức gấp mười lần tốc độ âm thanh. Thách thức lớn nhất nằm ở nhiễu động và nhiệt độ cao sinh ra khi máy bay xé toạc bầu khí quyển ở tốc độ cực đại như vậy.
Không khí không hoạt động giống nhau ở tốc độ chậm và nhanh, và các kỹ sư hàng không vũ trụ sử dụng các thuật ngữ cụ thể để mô tả sự khác biệt: dòng chảy không nén được và dòng chảy nén được. Trong dòng chảy không nén, xảy ra ở tốc độ thấp hơn (dưới khoảng Mach 0,3 hoặc 225 dặm/giờ), mật độ không khí hầu như không thay đổi, giúp việc tính toán thiết kế trở nên đơn giản hơn. Tuy nhiên, khi tốc độ vượt qua rào cản âm thanh, luồng không khí trở nên có thể nén được. "Đó là bởi vì khí có thể 'ép'", Parziale giải thích, hay theo thuật ngữ khoa học là nén.
Nicholaus Parziale cho biết một ngày nào đó, máy bay siêu thanh có thể bay từ Los Angeles đến Sydney trong vòng một giờ. Nguồn: Viện Công nghệ Stevens
Cách Độ Nén Thay Đổi Động Lực Bay
Độ nén khiến mật độ không khí thay đổi đáng kể khi áp suất và nhiệt độ thay đổi, làm thay đổi cách máy bay tương tác với không khí xung quanh. "Độ nén ảnh hưởng đến cách luồng không khí di chuyển xung quanh thân máy bay và điều đó có thể thay đổi các yếu tố như lực nâng, lực cản và lực đẩy cần thiết để cất cánh hoặc duy trì trên không." Những yếu tố này rất quan trọng đối với cách thiết kế bất kỳ máy bay nào.
Các kỹ sư đã hiểu rõ về luồng không khí đối với máy bay bay dưới hoặc gần tốc độ âm thanh, được gọi là số "Mach thấp". Nhưng việc thiết kế những phương tiện di chuyển với tốc độ gấp năm đến mười lần tốc độ đó đòi hỏi phải hiểu được luồng không khí trong những điều kiện khắc nghiệt hơn nhiều. Câu đố đó vẫn còn một số bí ẩn, ngoại trừ một ý tưởng chủ đạo được gọi là giả thuyết Morkovin.
Giả thuyết Morkovin: Sự nhiễu loạn vượt qua rào cản âm thanh
Được Mark Morkovin đưa ra vào giữa thế kỷ 20, giả thuyết này cho rằng khi không khí di chuyển ở tốc độ Mach 5 hoặc Mach 6, hành vi nhiễu loạn không thay đổi nhiều so với tốc độ chậm hơn. Mặc dù mật độ và nhiệt độ không khí thay đổi nhiều hơn trong các luồng khí nhanh hơn, giả thuyết này cho rằng chuyển động "lộn xộn" cơ bản của nhiễu loạn hầu như vẫn giữ nguyên.
“Về cơ bản, giả thuyết Morkovin có nghĩa là cách không khí nhiễu loạn di chuyển ở tốc độ thấp và cao không khác nhau nhiều”, Parziale nói. “Nếu giả thuyết này đúng, điều đó có nghĩa là chúng ta không cần một cách hoàn toàn mới để hiểu nhiễu loạn ở những tốc độ cao hơn này. Chúng ta có thể sử dụng cùng những khái niệm mà chúng ta đã sử dụng cho các luồng khí chậm hơn.” Điều đó cũng có nghĩa là máy bay siêu thanh không cần một phương pháp thiết kế khác biệt đáng kể.
Tuy nhiên, cho đến nay vẫn chưa ai có thể cung cấp đủ bằng chứng thực nghiệm để ủng hộ giả thuyết của Morkovin. Điều đó đã trở thành chủ đề cho nghiên cứu mới của Parziale, có tựa đề "Các Lượng Hỗn Loạn Siêu Thanh Hỗ Trợ Giả Thuyết của Morkovin", sẽ được công bố hôm nay (12 tháng 11) trên tạp chí Nature Communications.
Kiểm Chứng Giả Thuyết: Tia Laser, Krypton và Một Thập Kỷ Nghiên Cứu
Trong nghiên cứu này, nhóm của Parziale đã sử dụng tia laser để ion hóa một loại khí gọi là krypton, được gieo vào không khí bên trong một đường hầm gió. Điều này tạm thời khiến các nguyên tử krypton tạo thành một đường thẳng, phát sáng ban đầu. Sau đó, các nhà nghiên cứu đã sử dụng máy ảnh có độ phân giải cực cao để chụp ảnh cách đường krypton huỳnh quang đó di chuyển, uốn cong và xoắn qua không khí của đường hầm gió — tương tự như cách một chiếc lá xoáy qua những xoáy nước nhỏ trên sông.
“Khi đường đó di chuyển cùng với khí, bạn có thể thấy những vết nứt
"Chúng tôi đã nghiên cứu các đặc điểm và cấu trúc trong dòng chảy, và từ đó, chúng ta có thể học được rất nhiều về nhiễu loạn", Parziale nói, đồng thời cho biết thêm rằng ông đã dành 11 năm để xây dựng thiết lập thông minh đó. "Và điều chúng tôi phát hiện ra là ở Mach 6, hành vi nhiễu loạn khá gần với dòng chảy không nén được."
Ban đầu, nhóm của Parziale đã được Chương trình Nghiên cứu Nhà nghiên cứu Trẻ (YIP) của Văn phòng Nghiên cứu Khoa học Không quân hỗ trợ vào năm 2016 và Chương trình Nghiên cứu Nhà nghiên cứu Trẻ (YIP) của Văn phòng Nghiên cứu Hải quân (ONR) hỗ trợ vào năm 2020, và công trình hiện tại cũng được ONR hỗ trợ.
Hướng tới Siêu thanh và Du hành Vũ trụ
Mặc dù giả thuyết này vẫn chưa được xác nhận đầy đủ, nhưng nghiên cứu này đã đưa chúng ta tiến gần hơn một bước đến chuyến bay siêu thanh bởi nó cho thấy máy bay không cần một thiết kế hoàn toàn mới để bay ở tốc độ siêu thanh. Và điều đó giúp đơn giản hóa mọi thứ.
“Ngày nay, chúng ta phải sử dụng máy tính để thiết kế máy bay, và việc sử dụng tài nguyên tính toán để thiết kế một chiếc máy bay có thể bay ở tốc độ Mach 6, việc mô phỏng tất cả các chi tiết nhỏ nhất, tinh vi, là điều bất khả thi”, Parziale nói. “Giả thuyết Morkovin cho phép chúng ta đưa ra các giả định đơn giản hóa để các yêu cầu tính toán trong thiết kế phương tiện siêu thanh trở nên khả thi hơn.”
Những phát hiện của nghiên cứu cũng hứa hẹn sẽ thay đổi cách thức vận chuyển không gian, Parziale giải thích. "Nếu chúng ta có thể chế tạo máy bay bay với tốc độ siêu thanh, chúng ta cũng có thể đưa chúng vào không gian, thay vì phóng tên lửa, điều này sẽ giúp việc vận chuyển đến và đi từ quỹ đạo Trái Đất thấp trở nên dễ dàng hơn", ông nói. "Đây sẽ là một bước ngoặt đối với vận tải không chỉ trên Trái Đất mà còn cả trên quỹ đạo thấp."
Tài liệu tham khảo: "Hypersonic Turbulent Quantities in Support of Morkovin’s Hypothesis" ngày 12 tháng 11 năm 2025, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-025-65398-4
Đừng bao giờ bỏ lỡ một bước đột phá: Đăng ký nhận bản tin SciTechDaily.
Theo dõi chúng tôi trên Google, Discover và News.
