Tại sao máy bay phản lực siêu thanh chạy bằng hydro đầu tiên trên thế giới có thể bay nhanh gấp 12 lần tốc độ âm thanh
Hypersonix | Bay đơn giản
Alexander (Alex) Mitchell đến với Simple Flying với nền tảng về tư vấn tài chính và chiến lược. Ông đã phụ trách các lĩnh vực hàng không và hàng không vũ trụ tại Bridgewater Associates, quỹ phòng hộ lớn nhất thế giới, đồng thời phục vụ các khách hàng lớn trong ngành với tư cách là Cộng tác viên Mùa hè tại Boston Consulting Group. Với niềm đam mê trọn đời đối với hàng không, Alex duy trì được danh tiếng mạnh mẽ trong ngành và các ấn phẩm lớn, bao gồm The New York Times, Reuters, Forbes, Newsweek, USA TODAY, và CNN, thường xuyên trích dẫn công trình của anh. Là biên tập viên đóng góp cho các nhóm thương mại của Simple Flying, sơ yếu lý lịch của Alex cũng bao gồm kinh nghiệm tại KPMG Consulting và Lucern Capital Partners.
Một chiếc máy bay chạy bằng hydro bay qua bầu khí quyển phía trên với tốc độ vượt quá mười hai lần tốc độ âm thanh có vẻ giống như một điều viển vông chỉ dành riêng cho khoa học viễn tưởng. Tuy nhiên, đó là lời hứa đằng sau mẫu trình diễn DART AE của Hypersonix Launch Systems, một phương tiện nhỏ và không có người lái được chế tạo dựa trên động cơ phản lực tĩnh SPARTAN, một loại động cơ hoàn toàn mới. Mục tiêu trước mắt của chương trình phát triển này không phải là biến chiếc máy bay này thành phương tiện di chuyển hành khách mà là một thiết bị ghi dữ liệu chuyến bay. Rất khó để xác nhận tốc độ siêu thanh trừ khi một nguyên mẫu thực sự bay lên bầu trời, vì các cơ sở trên mặt đất không có khả năng tái tạo hiện tượng sốc nhiệt, dòng chảy hỗn loạn, đánh lửa động cơ và kiểm soát tốc độ chính xác ở Mach 5.
Đây là một lò xo kỹ thuật cuối cùng sẽ kết hợp động cơ, vật liệu, quyền tự chủ và hậu cần thử nghiệm được phối hợp cẩn thận, tất cả các tình huống mà những cú trượt nhỏ sẽ nhanh chóng lăn bánh. Đồng thời, yêu sách đầu tiên của thế giới cần được đóng khung bổ sung ở đây. NASA đã chế tạo một máy bay phản lực tĩnh điện X-42A chạy bằng hydro để đạt tốc độ Mach 9,6 trong một thời gian ngắn vào năm 2004. Do đó, chiếc máy bay không người lái mới này sẽ giống một sự tối ưu hóa và cải tiến công nghệ hiện có. Lời quảng cáo mà Hypersonix đưa ra là chiếc máy bay mới này sẽ có chu kỳ chế tạo nhanh hơn, nhiều lần phóng hơn và chạy lâu hơn. Những người ủng hộ chương trình cũng nhấn mạnh việc sử dụng hydro xanh, cuối cùng định vị chương trình này vừa là khả năng của máy bay liên quan đến phòng thủ vừa là một thử nghiệm động cơ đẩy tổng thể sạch hơn. Chúng tôi phân tích chương trình phát triển đầy tham vọng này và những gì nó có thể mang lại một cách chi tiết.
Chính xác thì Scramjet là gì?
Nhà cung cấp hình ảnh: Căn cứ Không quân Arnold
Để bắt đầu, chúng ta cần bắt đầu bằng cách xác định đầy đủ chính xác động cơ scramjet là gì. Từ "scramjet" là từ viết tắt của ramjet đốt siêu âm, là một loại động cơ không có quạt hoặc máy nén. Thay vào đó, loại động cơ này chỉ dựa vào tốc độ chuyển tiếp của xe để ép không khí đi vào. Ở tốc độ khoảng Mach 5 trở lên, đầu vào sẽ tự rung và hình dạng ống dẫn giúp nén luồng khí đến áp suất và nhiệt độ cao.
Sau đó, nhiên liệu được phun vào và đốt cháy khi máy bay đang ở trên không và trong khi nó vẫn chuyển động ở tốc độ siêu âm qua buồng đốt. Đó là cả sự kỳ diệu và đau đầu. Vì thời gian lưu của loại động cơ này rất nhỏ nên nhiên liệu buộc phải hòa trộn và bốc cháy cực nhanh. Bản thân ngọn lửa phải được cố định mà không làm nghẹt luồng không khí tổng thể. Đồng thời, khung máy bay và động cơ trở thành cùng một vật thể, trong đó thân máy giúp tạo thành cửa hút gió của động cơ trong khi vòi phun góp phần nâng tổng thể và tạo ra lực đẩy.
Đây là lý do tại sao động cơ scramjet theo truyền thống được kết hợp với tên lửa hoặc các tên lửa đẩy khác, vì chúng không cho phép phương tiện di chuyển và sau đó khởi động từ từ giống như động cơ tua-bin. Ngay cả những thay đổi nhỏ về góc tấn công hoặc nhiệt độ cũng có thể làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ ổn định quá trình đốt cháy của động cơ scramjet, làm nổi bật tính dễ bay hơi của các loại động cơ này. Khi một chương trình hứa hẹn số Mach cao, câu hỏi không chỉ là tốc độ tối đa mà còn là làm thế nào bản thân động cơ sẽ giữ cho máy bay ở tốc độ này và liệu phi công có thể lái với bất kỳ hình thức chính xác thực tế nào hay không.
Tại sao Hydro giúp tạo ra hiệu suất tốc độ cao hơn?
Nhà cung cấp dịch vụ: Hệ thống phóng Hyperpersonix
Hydro cực kỳ hấp dẫn đối với động cơ scramjet, một phần vì nguyên tố này rất dễ cháy về mặt hóa học. Các nguyên tử hydro khuếch tán nhanh chóng, trộn nhanh với nhiên liệu và có thể bốc cháy trong nhiều điều kiện khác nhau. Điều này mang lại chính xác những gì người ta mong muốn khi bạn có một phần nghìn giây để đốt cháy một lượng lớn nhiên liệu, như trường hợp của những động cơ này. Phần tử này chứa một lượng lớn năng lượng vào mỗi kg, điều này quan trọng khi lực cản tăng mạnh với tốc độ và máy bay đang phải vật lộn với nhiệt độ tăng nhanh.
Trong hầu hết các thiết kế siêu thanh, nhiên liệu lạnh thậm chí có thể tăng gấp đôi vai trò làm chất làm mát, cuối cùng kéo nhiệt ra khỏi các cấu trúc hoặc thành động cơ nóng trước khi nó đi vào buồng đốt, cuối cùng cải thiện khả năng sống sót tổng thể và cho phép chạy lâu hơn. Nhưng bản thân hydro là một đêm khó khăn là. Mật độ thấp của hợp chất này đồng nghĩa với việc cần đến các bồn chứa cồng kềnh để đông lạnh hydro lỏng ở nhiệt độ cực thấp hoặc lưu trữ áp suất cao, cả hai đều làm tăng khối lượng, độ phức tạp và độ an toàn.
Hệ thống nhiên liệu của máy bay siêu thanh phải duy trì ổn định dưới tác động rung động liên tục, gia tốc nhanh và nhiệt độ tăng mạnh, đồng thời vẫn duy trì khả năng kiểm soát lưu lượng chính xác cho toàn bộ phạm vi hoạt động hạn hẹp của động cơ. Do đó, việc sử dụng hydro không loại bỏ hoàn toàn rủi ro siêu thanh mà chỉ làm xáo trộn những gì tiếp xúc với nó. Cái giá phải trả cho tốc độ mà động cơ hydro siêu thanh tạo ra là công việc tích hợp phức tạp, bao gồm bồn chứa, lớp cách nhiệt, van và hệ thống ống nước được cải thiện. Việc phát hiện rò rỉ cũng cần phải chính xác, và các kế hoạch dự phòng cần được chuẩn bị kỹ lưỡng.
