Đường hầm gió siêu thanh mạnh nhất thế giới vừa hoạt động: Những bí mật đằng sau cơn gió nhanh gấp 30 lần tốc độ âm thanh

Đường hầm gió JF-22, nằm tại quận Hoài Nhu, phía bắc Bắc Kinh (Trung Quốc), có đường kính lên tới 4 mét và có khả năng tạo ra tốc độ luồng không khí lên đến 10 km mỗi giây. Được đánh giá là đường hầm gió lớn nhất và nhanh nhất trên thế giới, cơ sở này có thể mô phỏng các điều kiện bay siêu thanh lên tới Mach 30, theo Viện Cơ học Trung Quốc - đơn vị vận hành đường hầm gió này.

Đường hầm này được thiết kế để hỗ trợ cho việc nghiên cứu và phát triển hệ thống vận chuyển trong không gian và máy bay siêu thanh. So với đường hầm thử nghiệm siêu thanh tại Trung tâm nghiên cứu Langley của NASA với đường kính phần thử nghiệm gần 0,8 mét và khả năng mô phỏng điều kiện bay ở tốc độ Mach 10, đường hầm gió tại đây có đường kính rộng hơn, cho phép các nhà nghiên cứu thử nghiệm các mô hình máy bay cỡ lớn và thu được dữ liệu chuyến bay chính xác hơn.

JF-22 là một phần không thể thiếu trong kế hoạch của Trung Quốc để đạt được mục tiêu vào năm 2035. Trong đó, Trung Quốc mong muốn triển khai một đội máy bay siêu thanh có khả năng chở hàng nghìn hành khách vào vũ trụ mỗi năm hoặc đến bất kỳ địa điểm nào trên thế giới trong vòng một giờ. Để đạt được điều này, các máy bay này cần phải được thiết kế để chịu được nhiệt độ và áp suất cực cao của tốc độ siêu thanh, đồng thời đảm bảo quỹ đạo bay ổn định và môi trường an toàn thoải mái cho hành khách.

Khi máy bay di chuyển với tốc độ gấp năm lần tốc độ âm thanh (Mach 5), phân tử không khí xung quanh sẽ bị nén và nóng lên, dẫn đến hiện tượng phân ly phân tử. Các phân tử không khí vỡ ra thành các nguyên tử riêng lẻ và có thể tương tác với nhau tạo thành các hợp chất hóa học mới. Hiểu được tính chất vật lý phức tạp liên quan đến sự phân ly phân tử là rất quan trọng trong việc phát triển máy bay siêu thanh. Nghiên cứu các hiện tượng trong môi trường phòng thí nghiệm như đường hầm gió có thể giúp tìm hiểu cách các phương tiện siêu thanh tương tác với môi trường xung quanh và từ đó, phát triển các công nghệ mới để nâng cao hiệu suất và độ an toàn của chúng.

Để giảm thiểu nguy cơ hỏng hóc hoặc tai nạn khi phương tiện được chế tạo và bay thực sự, thử nghiệm đường hầm gió là một phương pháp hiệu quả để xác định các vấn đề tiềm ẩn hoặc lỗi thiết kế trước đó. Các đường hầm gió là các đường ống lớn có gió được thổi dọc theo đường ống, được sử dụng để kiểm tra các hiệu ứng khí động học của máy bay, tên lửa, ô tô và các tòa nhà. Thông thường, những chiếc quạt lớn di chuyển không khí qua đường hầm gió, trong khi đối tượng thử nghiệm được giữ cố định bên trong ống. Tuy nhiên, để mô phỏng các điều kiện của chuyến bay Mach 30 bên trong một đường hầm lớn, đòi hỏi năng lượng tương đương với năng lượng do đập Tam Hiệp – đập thủy điện lớn nhất thế giới hiện nay- tạo ra, điều này rõ ràng là không thể thực hiện được.

Giáo sư Jiang Zonglin, nhà khoa học hàng đầu của dự án đường hầm gió JF-22, đã tìm ra một giải pháp sáng tạo để tạo ra luồng không khí tốc độ cao cho thử nghiệm siêu thanh. Ông đã đề xuất sử dụng một loại máy tạo sóng xung kích mới mang tên "trình điều khiển sóng xung kích trực tiếp phản xạ". Phương pháp này khác với phương pháp truyền thống giãn nở, trong đó khí áp suất cao được giải phóng vào buồng áp suất thấp để tạo ra luồng siêu thanh. Tuy nhiên, phương pháp mới này giúp tạo ra tốc độ và nhiệt độ cực cao cần thiết cho thử nghiệm siêu âm một cách hiệu quả hơn.

Giáo sư Jiang đã tìm ra phương pháp để khắc phục những hạn chế trong nghiên cứu đường hầm gió bằng cách sử dụng các vụ nổ định thời để tạo ra sóng xung kích phản xạ và hội tụ tại một điểm duy nhất. Nhờ đó, năng lượng được tạo ra có thể điều khiển luồng không khí ở tốc độ cực cao với độ chính xác và hiệu quả cao hơn, mở đường cho nhiều tiến bộ trong nghiên cứu máy bay siêu thanh. Tuy nhiên, việc sử dụng chất nổ vẫn có nhiều nhược điểm như nguy hiểm cho con người và thiết bị, tiếng ồn và ô nhiễm không khí.

Ngoài ra, nguồn năng lượng này được tạo ra từ các vụ nổ, không phải từ một hệ thống cơ khí cố định, cho phép điều chỉnh cường độ và thời gian để tạo ra nhiều luồng không khí khác nhau để thử nghiệm các loại phương tiện và vật liệu khác nhau.

Các nhà khoa học lần đầu tiên chụp được ảnh X-quang của một nguyên tử