Sẽ thế nào nếu tương lai của du hành vũ trụ không giống như tàu vũ trụ Starship của Space-X mà giống "Hyper-X" của NASA hơn, loại máy bay phản lực siêu thanh đã bay nhanh hơn bất kỳ loại máy bay nào trước đó hoặc sau đó vào đúng năm nay 20 năm trước?
Nghiên cứu sinh tiến sĩ Max Chern xem xét kỹ hơn cách thiết lập đường hầm gió nơi các nhà nghiên cứu của Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng thuộc Đại học Virginia chứng minh rằng có thể điều khiển động cơ scramjet chế độ kép bằng cảm biến quang học. Nhà cung cấp hình ảnh: Wende Whitman, UVA Engineering
Vào năm 2004, các cuộc thử nghiệm nguyên mẫu không người lái X-43A cuối cùng của NASA là một cột mốc trong kỷ nguyên mới nhất của sự phát triển máy bay phản lực—bước nhảy vọt từ động cơ phản lực dòng thẳng sang động cơ phản lực dòng thẳng nhanh hơn, hiệu quả hơn. Cuộc thử nghiệm cuối cùng, vào tháng 11 năm đó, đã đạt được tốc độ kỷ lục thế giới mà trước đây chỉ có tên lửa mới có thể đạt được: Mach 10. Tốc độ này tương đương với 10 lần tốc độ âm thanh.
NASA đã thu thập được rất nhiều dữ liệu hữu ích từ các cuộc thử nghiệm, giống như Không quân đã làm sáu năm sau đó trong các cuộc thử nghiệm tương tự trên X-51 Waverider, trước khi các nguyên mẫu lao xuống đại dương.
Mặc dù bằng chứng về khái niệm siêu thanh đã thành công, công nghệ này vẫn còn lâu mới có thể vận hành. Thách thức là đạt được khả năng kiểm soát động cơ, vì công nghệ này dựa trên các phương pháp cảm biến đã có từ nhiều thập kỷ trước.
Tuy nhiên, tháng này đã mang lại một số hy vọng cho những người kế nhiệm tiềm năng của dòng X-plane.
Là một phần của nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu của Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng thuộc Đại học Virginia đã công bố dữ liệu trên tạp chí Khoa học và Công nghệ Hàng không Vũ trụ số tháng 6 cho thấy lần đầu tiên luồng không khí trong động cơ phản lực đốt siêu âm có thể được điều khiển bằng cảm biến quang học. . Phát hiện này có thể giúp ổn định máy bay phản lực siêu thanh hiệu quả hơn.
Ngoài ra, các nhà nghiên cứu đã đạt được khả năng điều khiển thích ứng của động cơ scramjet, một thành tựu đầu tiên khác đối với hệ thống đẩy siêu thanh. Hệ thống điều khiển động cơ thích ứng phản ứng với những thay đổi về động lực học để duy trì hiệu suất tổng thể của hệ thống ở mức tối ưu.
Giáo sư Christopher Goyne, giám đốc cho biết: “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 giai đoạn bay vào quỹ đạo bay vào vũ trụ khi cất cánh theo phương ngang như máy bay truyền thống và hạ cánh trên mặt đất như máy bay truyền thống”. của Phòng thí nghiệm nghiên cứu hàng không vũ trụ UVA, nơi nghiên cứu diễn ra.
"Hiện tại, tàu vũ trụ tiên tiến nhất là SpaceX Starship. Nó có hai tầng, 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 chế tạo một thứ giống như 737 hơn." ."
Goyne và cộng sự nghiên cứu của ông, Chloe Dedic, phó giáo sư Kỹ thuật UVA, tin rằng cảm biến quang học có thể đóng vai trò quan trọng trong phương trình điều khiển.
Goyne nói: “Đối với chúng tôi, có vẻ hợp lý rằng nếu một chiếc máy bay hoạt động ở tốc độ siêu âm từ Mach 5 trở lên thì việc gắn các cảm biến hoạt động gần tốc độ ánh sáng hơn tốc độ âm thanh sẽ thích hợp hơn”.
Các thành viên khác của nhóm bao gồm nghiên cứu sinh tiến sĩ Max Chern, tác giả đầu tiên của bài báo, cũng như cựu nghiên cứu sinh Andrew Wanchek, nghiên cứu sinh tiến sĩ Laurie Elkowitz và nhà khoa học cấp cao của UVA Robert Rockwell.
Dừng 'hủy khởi động' để giữ quyền kiểm soát
NASA từ lâu đã tìm cách ngăn chặn hiện tượng "không khởi động" có thể xảy ra ở động cơ scramjet. Thuật ngữ này chỉ ra sự thay đổi đột ngột trong luồng không khí. Tên này bắt nguồn từ một cơ sở thử nghiệm chuyên biệt gọi là đường hầm gió siêu âm, 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 âm, bao gồm Cơ sở đốt siêu âm UVA, có thể mô phỏng các điều kiện động cơ cho một phương tiện siêu thanh di chuyển với tốc độ gấp 5 lần tốc độ âm thanh.
Dedic cho biết: "Chúng tôi có thể chạy thử nghiệm 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".
Goyne giải thích rằng "scramjets", viết tắt của động cơ phản lực đốt siêu âm, được xây dựng dựa trên công nghệ ramjet đã được sử dụng phổ biến trong nhiều năm.
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 nhiên liệu. Chúng hoạt động trong phạm vi từ Mach 3 đến Mach 6. Khi cửa hút ở phía trước máy bay hẹp lại, vận tốc không khí bên trong chậm lại đến tốc độ dưới âm thanh 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 "hít thở không khí" và có cùng thiết lập cơ bản, chúng cần duy trì luồng không khí siêu nhanh qua động cơ để đạt tốc độ siêu thanh.
"Nếu có điều gì đó xảy ra bên trong động cơ siêu thanh và các điều kiện dưới âm thanh đột nhiên được tạo ra, thì đó là một sự khởi động lại", Goyne nói. "Lực đẩy sẽ đột nhiên giảm và có thể khó khởi động lại cửa hút tại thời điểm đó".
Thử nghiệm động cơ scramjet hai chế độ
Hiện tại, giống như động cơ ramjet, động cơ scramjet cần được cải tiến để đạt tốc độ có thể nạp đủ oxy để hoạt động. Điều đó có thể bao gồm một chuyến đi được gắn vào mặt dưới của máy bay carreir cũng như tên lửa đẩy.
Đổi mới mới nhất là buồng đốt scramjet chế độ kép, đây là loại động cơ mà dự án do UVA dẫn đầu đã thử nghiệm. Động cơ kép bắt đầu ở chế độ ramjet ở số Mach thấp hơn, sau đó chuyển sang tiếp nhận luồng khí siêu thanh hoàn toàn trong buồng đốt ở tốc độ vượt quá Mach 5.
Việc ngăn chặn tình trạng không khởi động khi động cơ thực hiện quá trình chuyển đổi đó là rất quan trọng.
Gió thổi vào tương tác với các bức tường đầu vào dưới dạng một loạt sóng xung kích được gọi là "đoàn tàu xung kích". Theo truyền thống, cạnh trước của những con sóng này, có thể phá hủy tính toàn vẹn của máy bay, đã được kiểm soát bởi các cảm biến áp suất. Ví dụ, máy có thể điều chỉnh bằng cách di dời vị trí của đoàn tàu xung kích.
Nhưng vị trí của phần đầu của đoàn tàu xung kích có thể thay đổi nhanh chóng nếu sự xáo trộn chuyến bay làm thay đổi động lực học giữa không trung. Bộ truyền động xung kích có thể tạo áp suất ở đầu vào, tạo điều kiện cho việc khởi động.
Vì vậy, "Nếu bạn cảm nhận ở tốc độ âm thanh, nhưng quá trình của động cơ lại diễn ra nhanh hơn tốc độ âm thanh, thì bạn sẽ không có nhiều thời gian phản ứng", Goyne cho biết.
Ông và các cộng sự tự hỏi liệu có thể dự đoán được tình trạng ngừng khởi động sắp xảy ra 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 để thu được phản hồi cần thiết nhằm kiểm soát cạnh đầu của đoàn tàu xung kích.
Không còn giới hạn ở thông tin thu được tại 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 bên trong buồng đốt scramjet—cũng như các yếu tố khác, chẳng hạn như vị trí ngọn lửa và nội dung quang phổ.
"Ánh sáng phát ra từ ngọn lửa bên 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 nghiên cứu sinh 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 mà các cảm biến áp suất không thể nắm bắt được".
Cuộc trình diễn trong đường hầm gió của nhóm nghiên cứu cho thấy khả năng điều khiển động cơ có thể vừa mang tính dự đoán vừa mang tính thích ứng, chuyển đổi mượt mà giữa chế độ scramjet và ramjet.
Trên thực tế, thử nghiệm trong đường hầm gió là bằng chứng đầu tiên trên thế giới cho thấy khả năng kiểm soát thích ứng trong các loại động cơ chức năng kép này có thể đạt được bằng các cảm biến quang học.
"Chúng tôi rất hào hứng khi chứng minh được vai trò của cảm biến quang học trong việc kiểm soát các phương tiện siêu thanh trong tương lai", tác giả đầu tiên Chern cho biết. "Chúng tôi đang tiếp tục thử nghiệm cấu hình cảm biến khi chúng tôi tiến tới một nguyên mẫu tối ưu hóa thể tích và trọng lượng của 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 thành hiện thực trong cuộc đời ông: du hành giống như máy bay vào không gian và quay trở lại.
Động cơ phản lực siêu âm chế độ kép vẫn cần một loại tăng tốc nào đó để đưa máy bay đạt tốc độ ít nhất Mach 4. Nhưng sẽ có thêm sự an toàn khi không chỉ dựa vào công nghệ tên lửa, vốn đòi hỏi phải mang theo nhiên liệu rất dễ cháy cùng với một lượng lớn hóa chất. oxy hóa để đốt cháy nhiên liệu.
Trọng lượng giảm đi sẽ mang lại nhiều không gian hơn cho hành khách và tải trọng.
Một chiếc máy bay đa chức năng như vậy, có thể lướt trở lại Trái Đất giống như tàu con thoi đã từng làm, thậm chí có thể cung cấp sự kết hợp lý tưởng giữa hiệu quả về chi phí, tính an toàn và khả năng tái sử dụng.
"Tôi nghĩ là có thể, đúng vậy," Goyne nói. "Mặc dù ngành công nghiệp vũ trụ thương mại đã có thể giảm chi phí thông qua một số khả năng tái sử dụng, nhưng họ vẫn chưa nắm bắt được các hoạt động giống như máy bay. Những phát hiện của chúng tôi có khả năng xây dựng trên lịch sử lâu đời 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."
Mời đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
