Loại máy bay giúp NASA phát triển công nghệ bay siêu thanh

Máy bay tiêm kích YF-12 góp công lớn giúp các kỹ sư NASA (Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ) khắc phục vấn đề gây chững động cơ và rung lắc dữ dội khi bay ở tốc độ siêu thanh, theo tờ Interesting Engineering.

Trung tâm nghiên cứu Lewis của NASA ở Cleveland từng sử dụng máy bay tiêm kích YF-12 để phát triển công nghệ bay siêu thanh. Trung tâm đứng đầu về nghiên cứu lực đẩy hàng không từ thập niên 1940 này tìm cách cải thiện công nghệ cho những chuyến bay siêu thanh dài và nhanh hơn.

Máy bay động cơ tên lửa Bell X-1 đi vào lịch sử tháng 10/1947 khi trở thành máy bay đầu tiên bay nhanh hơn vận tốc âm thanh, mở ra cánh cửa cho bay siêu thanh. Nhiều máy bay quân sự sau Bell X-1 đạt vận tốc siêu thanh, nhưng chưa có mẫu máy bay nào sánh được với dòng Blackbird của công ty Lockheed Martin.

Các mẫu máy bay tàng hình đẹp mắt bao gồm A-12, tiêm kích đánh chặn YF-12 và máy bay trinh sát SR-71 là những phương tiện đầu tiên bay hành trình ở vận tốc siêu thanh trong thời gian dài. Chúng có thể bay nhanh gấp 3 lần vận tốc âm thanh ở độ cao trên 24.384 m. Dẫu vậy, nâng cấp công nghệ cho máy bay vận chuyển lớn là một thách thức, chủ yếu do cần nhiều dữ liệu hơn hé lộ hệ thống lực đẩy hoạt động như thế nào trong các chuyến bay siêu thanh.

Để giải quyết vấn đề không được phát hiện trong khâu thiết kế và thử nghiệm dòng Blackbird, đồng thời thúc đẩy công nghệ chủ chốt mang tên cửa nạp nén hỗn hợp siêu thanh, quân đội cho Trung tâm nghiên cứu bay Dryden (nay đổi tên thành Armstrong) của NASA mượn hai chiếc YF-12 đã ngừng hoạt động năm 1969. Đây là một phần trong dự án hợp tác giữa NASA và Không quân Mỹ nhằm so sánh dữ liệu từ chuyến bay của YF-12 với dữ liệu từ đường hầm gió ở các trung tâm nghiên cứu Ames, Langley, và Lewis của NASA.

Nhóm chuyên gia ở Lewis nghiên cứu cửa nạp siêu thanh trong đường hầm gió từ đầu thập niên 1950 và thử nghiệm ống phun siêu thanh bằng máy bay đánh chặn Delta Dart. Trong dự án mới, Lewis phụ trách thử nghiệm cửa nạp kích thước thật của YF-12 trong đường hầm gió siêu thanh 10 x 10 và phân tích động cơ Pratt & Whitney J58 lực đẩy 144.567 Newton tại Phòng thí nghiệm hệ thống lực đẩy (PSL).

Cửa nạp nén hỗn hợp cho phép động cơ vận hành như động cơ turbine phản lực luồng ở tốc độ thấp và động cơ phản lực dòng thẳng ở tốc độ cao, rất hiệu quả nhưng dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu loạn dòng, thường gây ra tình trạng mang tên “unstarts”. Unstart là thay đổi đột ngột trong dòng khí, tạo ra lực cản khổng lồ, có thể khiến động cơ chững lại hoặc làm máy bay rung lắc dữ dội.

Các nhà nghiên cứu ở Lewis kiểm tra một cửa nạp từ máy bay SR-71 gặp tai nạn trong đường hầm gió 10 x 10 vào tháng 11/1971. Năm tiếp theo, họ thu thập dữ liệu khí động trong những điều kiện khác nhau ở đường hầm gió. Họ cũng kiểm tra hệ thống điều khiển cửa nạp mới do các kỹ sư Bobby Sanders và Glenn Mitchell ở Lewis chế tạo, sử dụng nhiều van cơ khí để ngăn chặn hiện tượng unstart.

Đó là lần đầu tiên hệ thống này được thử nghiệm trên phần cứng kích thước thật. Nhóm nghiên cứu cũng kiểm tra tương tác giữa khung máy bay, cửa nạp, động cơ và hệ thống điều khiển trong điều kiện bình thường và nhiễu loạn.

Vào mùa hè năm 1973, một động cơ J-58 kích thước thật trở thành phần cứng đầu tiên được thử nghiệm trong buồng áp lực PSL thứ hai ở Lewis. Các nhà nghiên cứu thu thập dữ liệu trong điều kiện thường và điều kiện biến động vào năm sau đó. Những thử nghiệm PSL cũng đo khí thải của động cơ trong nỗ lực đánh giá lượng khí thải ở độ cao lớn của chuyến bay siêu thanh.

Chương trình YF-12 cũng chứng minh mô hình cỡ nhỏ có thể sử dụng để thiết kế cửa nạp siêu thanh kích thước thật. Dữ liệu bay được dùng để hiểu rõ hơn ảnh hưởng của mô hình cỡ nhỏ và đường hầm tới dữ liệu. Quan trọng nhất là chương trình ở Lewis đã dẫn tới sự ra đời của hệ thống điều khiển kỹ thuật số giúp cải thiện phản ứng của cửa nạp siêu thanh đối với nhiễu loạn dòng, gần như loại bỏ hiện tượng động cơ khởi động lại.

Nhiều ý tưởng trong chương trình được ứng dụng trong thiết kế máy bay SR-71 vào đầu thập niên 1980 và góp phần vào nỗ lực tạo ra máy bay chở khách siêu thanh của NASA trong vài thập kỷ.

Phan Anh