Câu trả lời nằm ở chính cấu tạo của khí quyển Trái Đất, nguyên lý hoạt động của động cơ phản lực, và cả những giới hạn vật lý mà con người khó lòng vượt qua bằng một chiếc máy bay thông thường.
Vì sao máy bay không bay cao hơn 13.000 mét?
13.000 mét là giới hạn tự nhiên của máy bay dân dụng. Các máy bay thương mại hiện nay như Boeing 777, Airbus A350 hay Boeing 787 thường bay ở độ cao khoảng 10.000 – 12.000 mét . Trong một số trường hợp đặc biệt, máy bay có thể đạt đến 13.000 mét, nhưng không bao giờ cao hơn mức đó.
Lý do là ở độ cao này, không khí đã loãng đến mức vừa đủ cho động cơ phản lực hoạt động ổn định và đủ áp suất để buồng lái duy trì môi trường sống cho con người. Bay thấp hơn, máy bay sẽ tiêu tốn nhiều nhiên liệu hơn vì không khí đặc, lực cản lớn. Bay cao hơn, động cơ lại thiếu dưỡng khí để đốt cháy nhiên liệu.
Bạn hãy hình dung rằng ở mực nước biển, áp suất khí quyển là 1 atm (1013 hPa). Còn ở độ cao 12.000 mét, áp suất chỉ còn khoảng 0,19 atm, tức là chưa đến 1/5 lượng không khí so với mặt đất. Nếu cao hơn nữa, không khí loãng đến mức động cơ không thể hút đủ oxy để duy trì quá trình cháy, khiến lực đẩy giảm mạnh và máy bay dễ mất kiểm soát.
Vì sao máy bay không bay cao hơn 13.000 mét? Vì đó là giới hạn tự nhiên của máy bay dân dụng.
Máy bay phản lực hoạt động dựa trên nguyên tắc hút không khí, nén, trộn với nhiên liệu rồi đốt cháy, tạo ra khí phụt ra phía sau để đẩy máy bay tiến về phía trước (theo định luật III Newton). Nhưng khi càng lên cao, mật độ không khí giảm nhanh chóng, lượng oxy ít đi khiến hiệu suất cháy trong buồng đốt sụt giảm. Nếu không khí quá loãng, dù có tăng nhiên liệu, phản ứng cháy cũng không thể xảy ra đầy đủ, dẫn đến “nghẹt” động cơ.
Đó là lý do vì sao động cơ máy bay phản lực chỉ được thiết kế tối ưu trong khoảng không khí có mật độ phù hợp – tức là từ 9.000 đến 12.000 mét. Bay vượt qua giới hạn này, máy bay không những không tiết kiệm nhiên liệu hơn mà còn có nguy cơ mất lực đẩy và rơi tự do.
Một số người nghĩ rằng càng bay cao, càng tiết kiệm nhiên liệu vì không khí loãng hơn, lực cản nhỏ hơn. Điều đó đúng đến một mức nhất định, nhưng vượt qua giới hạn lý tưởng (khoảng 11–12 km), động cơ sẽ hoạt động kém hiệu quả hơn, tốc độ giảm và nguy cơ mất ổn định tăng cao.
Đó là lý do các hãng hàng không thường chọn độ cao tối ưu tùy theo trọng tải, hướng gió, thời tiết và đường bay. Không có chiếc máy bay thương mại nào được phép “thử” bay quá cao, vì ngoài nguy cơ kỹ thuật, không gian trên 13.000 mét thuộc phạm vi điều khiển của quân sự và hàng không vũ trụ, cần giấy phép đặc biệt.
Con người cũng không chịu nổi độ cao 13.000 mét
Ngoài vấn đề động cơ, con người cũng là một giới hạn. Ở độ cao 13.000 mét, áp suất thấp khiến oxy trong không khí loãng đến mức nếu không có hệ thống điều áp, con người chỉ có thể sống sót trong vài giây trước khi mất ý thức.
Buồng lái của máy bay dân dụng được nén lại để duy trì áp suất tương đương với độ cao khoảng 2.000–2.500 mét, giúp hành khách thở bình thường. Nếu bay cao hơn, chênh lệch áp suất giữa bên trong và bên ngoài thân máy bay sẽ quá lớn, dễ gây nứt hoặc nổ thân vỏ.
Vì vậy, để máy bay bay cao hơn 13.000 mét, người ta không chỉ phải cải tiến động cơ mà còn phải tăng cường độ chịu áp của thân máy bay , đồng thời phải tái thiết kế toàn bộ hệ thống điều áp, cách nhiệt, chống bức xạ – một chi phí khổng lồ không cần thiết cho các chuyến bay thương mại.
Vì sao máy bay không thể bay vào vũ trụ?
Nhiều người tưởng rằng chỉ cần bay cao mãi, máy bay sẽ đến được vũ trụ nhưng thật ra, vũ trụ không bắt đầu bằng một “rào cản” rõ rệt. Giới khoa học quy ước ranh giới không gian – đường Kármán – nằm ở độ cao khoảng 100km so với mặt đất.
Ở độ cao đó, không khí gần như không tồn tại, áp suất gần bằng 0. Không có không khí thì không còn lực nâng, cũng chẳng có gì để động cơ phản lực đốt cháy. Một chiếc máy bay dù có cánh lớn đến đâu cũng không thể tạo ra lực nâng khi không còn môi trường khí quyển.
Trong khi đó, tên lửa vũ trụ hoạt động theo nguyên lý hoàn toàn khác: Nó mang theo cả nhiên liệu và chất oxy hóa, cho phép phản ứng cháy xảy ra trong chân không. Tên lửa không cần không khí bên ngoài, chỉ cần đủ nhiên liệu và lực đẩy cực lớn để vượt khỏi sức hút Trái đất.
Máy bay thì ngược lại, nó phụ thuộc hoàn toàn vào không khí bên ngoài – cả để tạo lực nâng lẫn để đốt cháy nhiên liệu. Vì vậy, nói một cách hình ảnh, máy bay giống như một con cá chỉ có thể bơi trong nước, còn tên lửa là con cá có thể tự mang theo “hồ nước” của riêng mình để bơi trong không gian.
Mỗi phương tiện có một “vùng trời” riêng. Máy bay được sinh ra để bay trong tầng đối lưu – nơi có đủ không khí cho động cơ hoạt động và đủ áp suất để con người tồn tại. Tên lửa lại sinh ra để chinh phục khoảng không vô tận – nơi không khí chẳng còn, nhưng trọng lực vẫn níu giữ.
Bởi vậy, máy bay không thể bay vào vũ trụ, giống như tàu vũ trụ không thể hạ cánh xuống đường băng như một chiếc Boeing 777. Mỗi loại phương tiện là kết quả của sự tối ưu trong môi trường riêng của nó.
Độ cao 13.000 mét không phải là giới hạn của công nghệ, mà là ranh giới giữa hai thế giới: Thế giới của khí quyển, nơi máy bay là vua; và thế giới của chân không, nơi chỉ những cỗ máy đốt nhiên liệu trong im lặng của vũ trụ mới có thể tồn tại.
Nếu bạn từng ngồi trên máy bay và nhìn ra khung cửa sổ, thấy bầu trời xanh đậm dần thành tím thẫm, đó chính là lúc bạn đang ở ranh giới của thế giới con người và thế giới vũ trụ. Bay cao hơn nữa không còn là chuyện của hàng không dân dụng – mà là hành trình của những giấc mơ vượt khỏi Trái đất.
