Tại sao chúng ta không thể lái máy bay vào không gian? Điều gì ngăn cản nó bay ngày càng cao hơn?
Giả sử chúng ta đang ở trong một chiếc máy bay phản lực thông thường, thì một trong những vấn đề chính là không khí hoặc thiếu không khí khi chúng ta đến gần không gian hơn.
Máy bay bay được là do khi nó được đẩy về phía trước, cánh máy bay, được thiết kế để làm cho luồng không khí ở phía trên nhanh hơn ở phía dưới, tạo ra lực nâng. Khi phương tiện bay nhanh hơn, cánh máy bay tạo ra lực nâng lớn hơn và khi lực nâng lớn hơn trọng lượng của máy bay, nó sẽ bay lên không trung.
Để máy bay tiếp tục bay lên cao, nó cần nhiều tốc độ hơn để tăng lực nâng. Nếu giảm ga một chút, máy bay sẽ ổn định ở chế độ bay ngang và nếu giảm tốc độ, máy bay sẽ bắt đầu rơi xuống vì lực nâng từ cánh máy bay không đủ để thắng được trọng lượng của máy bay.
Khi máy bay bay lên cao hơn trong khí quyển, không khí ngày càng loãng hơn, vì vậy máy bay phải bay nhanh hơn để tạo thêm lực nâng cho đến khi đạt đến độ cao mà động cơ ngừng hoạt động do thiếu oxy hoặc không khí quá loãng để tạo đủ lực nâng.
Đây là một cách nhìn nhận đơn giản hơn rất nhiều bởi vì khi bạn đạt đến tốc độ âm thanh hoặc Mach 1, tốc độ này cũng thay đổi theo độ cao và nếu máy bay có cánh khá thẳng, luồng không khí trên cánh có thể trở nên không ổn định và mất lực nâng. Luồng không ổn định này cũng có thể làm rung chuyển các bề mặt điều khiển, tức là các cánh tà trên cánh, hoạt động lên xuống, mạnh đến mức có thể làm gãy chúng, sau đó bạn mất kiểm soát máy bay. Đó là lý do tại sao các máy bay siêu thanh có cánh xuôi về phía sau rất nhiều và thường có hình tam giác như Concorde và tàu con thoi.
Thiếu oxy
Cũng như chúng ta cần không khí để thở, động cơ cũng cần oxy để đốt cháy nhiên liệu tạo lực đẩy máy bay về phía trước.
Tuy nhiên, động cơ phản lực có thể hoạt động ở độ cao lớn hơn con người. Con người chúng ta có giới hạn ở độ cao khoảng 8.000 mét, tương đương khoảng 26.000 feet (khoảng 7.800 mét). Trên độ cao này, những người leo núi gọi là “vùng tử thần”, nơi không có oxy để con người có thể tồn tại trong thời gian dài.
Đỉnh Everest cao 29.000 feet (khoảng 8.800 mét) và mật độ không khí ở đó chỉ bằng khoảng 33% so với mực nước biển. Điều này có nghĩa là với mỗi hơi thở, bạn chỉ nhận được 33% lượng oxy. Nếu ở lại độ cao này mà không được bổ sung oxy, bạn sẽ gặp phải tình trạng gọi là “Thiếu oxy”. Do thiếu oxy, cơ thể sẽ dần dần ngừng hoạt động và tử vong, và đây là nguyên nhân gây ra hơn 200 ca tử vong trên đỉnh Everest.
Ở độ cao 12.000 mét, tương đương khoảng 40.000 feet (khoảng 12.000 mét), là giới hạn trên của hầu hết các máy bay chở khách hiện đại, mật độ không khí ở đó chỉ bằng khoảng 18% so với mực nước biển. Nếu bạn ở trên một chiếc máy bay có chế độ giảm áp nhanh ở độ cao 40.000 feet (khoảng 12.000 mét), bạn sẽ có khoảng 5-10 giây để đeo mặt nạ dưỡng khí khẩn cấp trước khi bất tỉnh.
Concorde bay ở độ cao 60.000 feet (khoảng 18.300 mét), nơi mật độ không khí chỉ bằng 7% so với mực nước biển. Để đạt được độ cao này, nó phải bay với tốc độ Mach 2, gấp đôi tốc độ âm thanh, tức là 1350 dặm/giờ (khoảng 2.190 km/giờ).
Máy bay phản lực bay cao nhất ở chế độ bay ngang là Lockheed SR-71 Blackbird với độ cao 85.069 mét (khoảng 25.929 mét) và nơi mật độ không khí chỉ bằng 2% so với mực nước biển. Ở độ cao đó, nó bay với tốc độ khoảng Mach 3,2, tức là 2.190 dặm/giờ (khoảng 3.400 km/giờ).
Phi công SR-71 phải mặc bộ đồ chịu áp suất toàn phần với nguồn cung cấp oxy riêng trong trường hợp buồng lái bị giảm áp hoặc phải phóng khẩn cấp. Điều này đã được kiểm chứng khi vào năm 1966, một chiếc SR-71 do Bill Weaver lái đã nổ tung ở tốc độ Mach 3.1 ở độ cao 78.000 feet (khoảng 23.000 mét), khi nó đang thực hiện chuyến bay thử nghiệm để tối ưu hóa hiệu suất.
Ở độ cao đó, máu của bạn sẽ sôi lên tương tự như khi bạn mở một chai nước ngọt có ga khi nitơ trong máu chuyển thành khí trong bầu khí quyển áp suất thấp. Bộ đồ chịu áp suất đã phát huy tác dụng và Weaver đã sống sót sau cú rơi từ độ cao 78.000 feet (khoảng 23.000 mét), nhưng thật không may, hoa tiêu Jim Zwayer đã tử vong do gãy cổ, dẫn đến việc máy bay bị vỡ.
Mặc dù bạn nghĩ rằng SR-71 rất nhanh, nhưng để bay vào không gian, bạn cần đạt được cái gọi là “vận tốc thoát ly”. Đây là nơi bạn di chuyển nhanh hơn lực hấp dẫn kéo bạn trở lại mặt đất và tốc độ đó là 25.020 dặm/giờ hoặc 40.270 km/giờ. Nếu điều đó không thành vấn đề thì còn có độ cao được công nhận là nơi không gian bắt đầu là 328.000 feet hoặc 100.000 mét, cao hơn gấp 3 lần so với chuyến bay cao nhất của SR-71.
Các động cơ phản lực thông thường như trên SR-71 có giới hạn tốc độ không khí tối đa khoảng Mach 3,5 hoặc 2685 dặm/giờ. Vượt quá giới hạn đó, áp suất và nhiệt độ không khí trở nên quá cao khiến bộ nén trong động cơ không thể hoạt động hiệu quả.
Để đạt tốc độ siêu thanh, các máy bay không người lái thử nghiệm như NASA X-43 sử dụng động cơ SCRAMJET. X-43 hiện là máy bay bay tự do nhanh nhất thế giới, đạt tốc độ Mach 9,6 hoặc 7310 dặm/giờ vào tháng 11 năm 2004.
Động cơ SCRAMJET loại bỏ bộ nén tua-bin của động cơ phản lực nên chúng không có bộ phận chuyển động, thay vào đó, chúng sử dụng sóng xung kích trong động cơ để nén và tăng nhiệt độ không khí trong động cơ nhằm đốt cháy nhiên liệu và tạo lực đẩy, và về lý thuyết, chúng có thể bay với tốc độ lên tới Mach 20.
Vấn đề là chúng không hoạt động ở tốc độ dưới Mach 5, vì vậy chúng phải được tăng tốc bằng động cơ đẩy tên lửa trước khi có thể hoạt động, giống như cách NASA X-43 hoạt động. Chúng cũng không hoạt động trong không gian vì không có không khí có oxy để đốt cháy nhiên liệu.
Đây là lý do tại sao các phương tiện vũ trụ được phóng bằng tên lửa. Tên lửa có thể có công suất lớn hơn nhiều và có thể hoạt động từ tốc độ 0 trên bệ phóng đến Mach 33 và hơn thế nữa, tức là tốc độ thoát ly của Trái Đất.
Một trong những máy bay vũ trụ thử nghiệm đầu tiên là North American X-15, đạt độ cao 353.000 feet (khoảng 107.000 mét) vào năm 1963 và được trang bị động cơ tên lửa nhiên liệu lỏng… nhưng phải mang theo tới độ cao 45.000 feet (khoảng 13.600 mét) gắn vào gầm máy bay ném bom B52 trước khi được phóng.
Sau đó, tất nhiên chúng ta đã có Tàu con thoi, phiên bản tàu con thoi “Buran” của Liên Xô, SpaceShipOne và Boeing X-37, tất cả đều là ví dụ về máy bay vũ trụ nhưng thực chất chỉ là tàu lượn chạy bằng tên lửa.
Tên lửa khác với động cơ phản lực ở chỗ chúng mang theo oxy riêng để đốt cháy nhiên liệu và không phụ thuộc vào oxy trong khí quyển. Điều này có nghĩa là chúng hoạt động trong không gian cũng tốt như trong khí quyển. Vấn đề với tên lửa là do cần phải mang theo chất oxy hóa nên chúng rất nặng.
Hãy nhìn vào tàu con thoi, nhiên liệu bên ngoài và thùng chứa nhiên liệu, cùng với hai tên lửa đẩy rắn nặng 1.940 tấn khi cất cánh, và đó là chưa tính tàu con thoi, tất cả những thứ này phải được mang theo tàu con thoi đến rìa không gian, nơi chúng được vứt bỏ. Tải trọng tối đa mà tàu con thoi có thể mang lên quỹ đạo Trái Đất tầm thấp là 27,5 tấn, xét theo tỷ lệ tải trọng, chỉ bằng 1,3% tổng trọng lượng cất cánh.
Tuy nhiên, tên lửa có thể tạo ra một lượng năng lượng khổng lồ, nhờ đó chúng có thể đạt được tốc độ cần thiết để thoát khỏi lực hấp dẫn của Trái Đất và bay vào quỹ đạo hoặc xa hơn.
Nhưng tương lai thì sao, liệu chúng ta có bao giờ có được những chiếc máy bay có thể cất cánh từ đường băng máy bay, bay vào không gian rồi quay trở lại đường băng hay không? Vẫn còn nhiều vấn đề kỹ thuật đáng kể cần khắc phục, nhưng một thiết kế có vẻ đầy hứa hẹn là Skylon.
Đây là thiết kế SSTO (Single Stage To Orbit), nghĩa là không giống như tên lửa, nó vẫn là một khối thống nhất, thay vì có một tầng đẩy chính riêng biệt tách ra và quay trở lại Trái Đất, cùng với tầng thứ hai nhỏ hơn được đưa vào quỹ đạo. Chìa khóa cho hoạt động của Skylon chính là Động cơ Tên lửa Thở Không khí Đồng bộ (SABRE).
Đây là một loại động cơ tên lửa phản lực lai, có thể cất cánh như một động cơ phản lực thông thường và hít không khí lên đến độ cao 93.000 feet với tốc độ lên đến Mach 5,4, sau đó chuyển sang chế độ tên lửa để bay vào vũ trụ ở độ cao lên đến 800km hoặc 500 dặm.
Sau đó, nó sẽ quay trở lại bầu khí quyển Trái Đất và quay trở lại, hạ cánh như một máy bay hít không khí để được kiểm tra, tiếp nhiên liệu và sẵn sàng cho lần phóng tiếp theo.
Vì sử dụng động cơ hiệu quả hơn và lực nâng của cánh tốt hơn, nó sẽ chỉ sử dụng 20% nhiên liệu so với tên lửa thông thường.
Nó vẫn cần mang theo chất oxy hóa cho phần tên lửa của hành trình, nhưng ít hơn nhiều so với yêu cầu của một tên lửa thông thường. Điều này cho phép tải trọng lớn hơn khi so sánh với tổng trọng lượng khoảng 5,5% so với 1,3% của tàu con thoi.
Các chuyến bay thử nghiệm không người lái của Skylon có thể diễn ra vào năm 2025 nếu mọi việc suôn sẻ…. nhưng một trở ngại lớn tiềm ẩn là những tiến bộ gần đây trong các tên lửa tái sử dụng như SpaceX Falcon f9r và Blue Origin new Shepard, những điều này có thể khiến chi phí phát triển Skylon trở nên đắt đỏ đối với việc triển khai vệ tinh và cung cấp cho Trạm Vũ trụ Quốc tế.
Tuy nhiên, một điều có thể xảy ra là phiên bản không có tên lửa của động cơ SABRE, có thể biến du lịch hàng không siêu thanh trở thành một lựa chọn khả thi hơn so với động cơ SCRAMJET.
Chỉ có thời gian mới có thể thay đổi, nhưng đây là thời điểm thú vị cho cả tương lai của du lịch hàng không và vũ trụ, vìtương lai chúng ta có thể sẽ thấy một chiếc máy bay có khả năng bay vào vũ trụ.
