NASA và tham vọng thống trị bầu trời Hỏa tinh: Khi những cánh quạt vượt rào cản âm thanh

Bước đột phá từ những bài thử nghiệm khắc nghiệt

Trong nỗ lực mở rộng giới hạn thám hiểm không gian, các kỹ sư tại Phòng Thí nghiệm Sức đẩy Phản lực (JPL) của NASA ở Nam California đã thực hiện một bước tiến khổng lồ. Họ vừa hoàn tất 137 bài kiểm tra chuyên sâu đối với các thiết kế cánh quạt dành cho thế hệ máy bay Hỏa tinh tiếp theo. Điểm đáng chú ý nhất là các đầu cánh quạt thực nghiệm này đã được đẩy đến tốc độ quay cực hạn, vượt qua cả Mach 1 - tức là nhanh hơn tốc độ âm thanh.

Để tái hiện môi trường khắc nghiệt trên Hành tinh Đỏ, NASA đã sử dụng một buồng thử nghiệm tối tân, nơi không khí được rút cạn và thay thế bằng khí carbon dioxide (CO2) nồng độ thấp. Đây là môi trường mô phỏng độ loãng của khí quyển Hỏa tinh, vốn chỉ bằng khoảng 1% so với áp suất khí quyển tại mực nước biển của Trái Đất. Việc đạt được tốc độ siêu thanh trong điều kiện này không chỉ là một kỳ tích về mặt cơ học mà còn cung cấp những dữ liệu quý giá để tối ưu hóa khí động học cho các chuyến bay ngoài hành tinh.

Tại sao 30% lực nâng lại là con số thay đổi cuộc chơi?

Theo các kỹ sư dự án, những dữ liệu thu thập được từ các bài thử nghiệm này có thể giúp tăng khả năng nâng của phương tiện lên tới 30%. Trong lĩnh vực hàng không vũ trụ, mỗi gram trọng lượng đều được tính toán kỹ lưỡng. Việc tăng 30% lực nâng đồng nghĩa với việc các trực thăng tương lai có thể mang theo các thiết bị khoa học nặng hơn, những viên pin dung lượng lớn hơn để bay xa hơn, hoặc thậm chí là các hệ thống lấy mẫu đất đá phức tạp mà trước đây chỉ có robot tự hành (rover) mới thực hiện được.

Hãy tưởng tượng về một chiếc trực thăng không chỉ đóng vai trò là "trinh sát" trên không mà còn là một phòng thí nghiệm di động thực thụ. Nó có thể đáp xuống những miệng hố sâu, leo lên những vách đá dựng đứng hay băng qua những vùng địa hình hiểm trở mà các robot bánh xích như Curiosity hay Perseverance phải mất nhiều tháng, thậm chí nhiều năm mới có thể tiếp cận.

Từ di sản của Ingenuity đến kỷ nguyên SkyFall

Nhìn lại lịch sử, chuyến bay khí động học đầu tiên trên một hành tinh khác được thực hiện vào ngày 19 tháng 4 năm 2021 bởi trực thăng Ingenuity. Ban đầu, Ingenuity chỉ được thiết kế như một bản thử nghiệm công nghệ với dự kiến thực hiện 5 chuyến bay trong vòng 30 ngày. Tuy nhiên, "chú chim sắt" nhỏ bé này đã vượt xa mọi mong đợi khi thực hiện tổng cộng 72 chuyến bay trong suốt gần 3 năm, chứng minh rằng bay trên Hỏa tinh là hoàn toàn khả thi.

Tuy nhiên, Ingenuity vẫn có những hạn chế nhất định. Nó không được thiết kế để mang theo các thiết bị khoa học chuyên sâu. Al Chen, Giám đốc chương trình Thám hiểm Hỏa tinh tại JPL, nhận định: "NASA đã có một hành trình tuyệt vời với Ingenuity. Nhưng chúng tôi đang yêu cầu thế hệ máy bay tiếp theo phải làm được nhiều hơn thế tại Hành tinh Đỏ".

Trọng tâm của các nghiên cứu hiện tại là dự án SkyFall - một khái niệm nhiệm vụ đầy tham vọng dự kiến đưa ba máy bay trực thăng thế hệ mới lên Hỏa tinh vào tháng 12 năm 2028. Các kỹ sư đã thử nghiệm cả thiết kế ba lá và hai lá. Đặc biệt, phiên bản hai lá dài hơn cho phép đạt được tốc độ gần siêu thanh với số vòng quay mỗi phút ít hơn, giúp tiết kiệm năng lượng và giảm tải trọng cơ học cho hệ thống động cơ.

Thách thức của tốc độ Mach 1.08

Trong các buổi thử nghiệm, đội ngũ tại JPL đã gắn một rotor ba lá bên trong buồng điều chỉnh, nơi các luồng gió mạnh được thổi trực tiếp vào cánh quạt để mô phỏng điều kiện bay thực tế. Họ đã tăng dần tốc độ quay cho đến khi đầu cánh quạt đạt mức Mach 1.08 mà không có dấu hiệu hư hỏng hay mất ổn định cấu trúc.

Việc điều khiển một vật thể bay trong môi trường có mật độ khí quyển thấp đòi hỏi cánh quạt phải quay ở tốc độ cực cao (khoảng 2.400 - 3.000 vòng/phút, so với mức 400-500 vòng/phút của trực thăng trên Trái Đất). Khi tốc độ đầu cánh quạt tiệm cận hoặc vượt qua tốc độ âm thanh, các hiện tượng sóng xung kích xuất hiện, gây ra lực cản lớn và các vấn đề về độ rung. Việc vượt qua rào cản Mach 1.08 một cách ổn định là minh chứng cho sự tiến bộ vượt bậc trong khoa học vật liệu và thiết kế khí động học của NASA.

Tầm nhìn về một hạm đội bay trên Hỏa tinh

Sự thành công của các bài kiểm tra rotor này không chỉ là một cột mốc kỹ thuật; nó mở ra một chương mới cho chiến lược thám hiểm đa phương thức. Trong tương lai, sự kết hợp giữa các vệ tinh quan sát từ quỹ đạo, robot tự hành di chuyển dưới mặt đất và trực thăng bay ở tầm thấp sẽ tạo ra một mạng lưới dữ liệu toàn diện.

Shannah Withrow-Maser, chuyên gia khí động học tại Trung tâm Nghiên cứu Ames của NASA, nhấn mạnh: "Việc thử nghiệm thành công các cánh quạt này là một bước quan trọng nhằm chứng minh tính khả thi của chuyến bay trong các môi trường khắt khe hơn. Đây chính là chìa khóa cho các phương tiện thế hệ mới".

Với sự chuẩn bị kỹ lưỡng cho nhiệm vụ SkyFall năm 2028, nhân loại đang tiến gần hơn bao giờ hết đến việc sở hữu một hạm đội bay có khả năng khảo sát các vùng địa chất phức tạp, tìm kiếm dấu hiệu của sự sống cổ đại và chuẩn bị cho những bước chân đầu tiên của con người trên Hành tinh Đỏ trong những thập kỷ tới.

Hỏi đáp (FAQ)