"Rào cản âm thanh" bị vượt qua lần đầu một cách được xác nhận chính thức ngày 14/10/1947, khi phi công thử nghiệm Chuck Yeager lái chiếc máy bay tên lửa Bell X-1 đạt khoảng Mach 1,06, tức khoảng 1,06 lần tốc độ âm thanh, ở độ cao khoảng 13 km trên sa mạc Mojave, bang California. Thật ra "rào cản" không phải một bức tường vật chất, mà là tập hợp những hiện tượng khí động học rất nguy hiểm xuất hiện khi máy bay tiến gần tốc độ âm thanh. Chiếc X-1 được thiết kế để đi xuyên qua chúng và đã làm được.
Tốc độ âm thanh là bao nhiêu, Mach là gì
Âm thanh là sóng áp suất lan truyền trong không khí. Tốc độ của nó phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ không khí: ở mặt biển, 15°C, khoảng 1.225 km/giờ (khoảng 340 m/giây); ở độ cao 11 km, nơi nhiệt độ khoảng -56°C, chỉ còn khoảng 1.060 km/giờ.
Số Mach là tỉ số giữa tốc độ máy bay và tốc độ âm thanh tại chỗ máy bay đang bay. Tên gọi đặt theo nhà vật lý người Áo Ernst Mach, người nghiên cứu sóng xung kích cuối thế kỷ 19. Một số mốc để dễ hình dung:
| Chế độ bay | Số Mach | Ví dụ |
|---|---|---|
| Dưới âm (subsonic) | dưới khoảng 0,8 | máy bay cánh quạt, máy bay phản lực khi lên xuống |
| Cận âm (transonic) | khoảng 0,8 – 1,2 | máy bay chở khách bay hành trình ở khoảng Mach 0,78 – 0,85 |
| Siêu âm (supersonic) | 1,2 – 5 | Concorde bay hành trình ở khoảng Mach 2 |
| Siêu vượt âm (hypersonic) | trên 5 | máy bay tên lửa thử nghiệm X-15, tàu vũ trụ khi trở về khí quyển |
Vì sao người ta gọi là "rào cản"
Khi máy bay bay chậm, không khí phía trước "kịp biết" máy bay đang tới, vì sóng áp suất truyền đi nhanh hơn máy bay, và dạt ra hai bên một cách êm ái. Khi máy bay tiến gần tốc độ âm thanh, không khí không còn kịp dạt ra. Trên mặt cánh, nơi dòng khí chảy nhanh hơn tốc độ bay, không khí đạt tốc độ âm thanh trước cả máy bay, và hình thành các sóng xung kích nhỏ.
Hậu quả là những hiện tượng mà phi công thập niên 1940 gặp phải và rất sợ:
- Lực cản tăng vọt, như máy bay đâm vào một bức tường vô hình. Từ đây mà có cụm từ "sound barrier".
- Rung lắc dữ dội do dòng khí tách khỏi mặt cánh phía sau sóng xung kích.
- Mất tác dụng của cánh lái: bánh lái độ cao dạng bản lề bị "khoá" bởi sóng xung kích, phi công kéo cần lái mà máy bay không phản ứng, có khi còn chúi mũi xuống mạnh hơn.
Nhiều kỹ sư thời đó nghi ngờ máy bay có người lái có thể vượt qua tốc độ âm thanh mà không vỡ tung. Năm 1946, phi công thử nghiệm người Anh Geoffrey de Havilland Jr. tử nạn khi chiếc máy bay thử nghiệm DH 108 vỡ trên không ở tốc độ cận âm. Tai nạn này làm nỗi sợ "bức tường" càng lớn.
Bell X-1: một viên đạn có cánh
Để vượt qua, Mỹ quyết định làm một máy bay chuyên dụng chỉ để nghiên cứu, không phải để làm việc gì khác. Chương trình do Không lực Lục quân Mỹ và Uỷ ban Cố vấn Quốc gia về Hàng không (NACA, tiền thân của NASA) phối hợp, hãng Bell Aircraft chế tạo.
- Hình dáng: thân máy bay được thiết kế theo hình viên đạn súng máy cỡ 12,7 mm, vì người ta biết viên đạn này bay ổn định ở tốc độ siêu âm.
- Động cơ: động cơ tên lửa XLR11 của hãng Reaction Motors, bốn buồng đốt, đốt cồn và oxy lỏng. Phi công bật từng buồng để tăng lực đẩy theo nấc. Nhiên liệu chỉ đủ cho vài phút đốt.
- Cách cất cánh: X-1 không cất cánh từ mặt đất. Nó được treo dưới bụng một máy bay ném bom B-29 cải tiến, đưa lên khoảng 6–7 km rồi thả ra.
- Cánh mỏng và đuôi điều chỉnh được: cánh rất mỏng để giảm sóng xung kích. Chi tiết quyết định là toàn bộ cánh đuôi ngang có thể thay đổi góc đặt, giúp phi công giữ được khả năng điều khiển độ cao khi bánh lái thường mất tác dụng ở vùng cận âm.
Sáng 14/10/1947 trên hồ khô Rogers
Charles "Chuck" Yeager, 24 tuổi, là phi công thử nghiệm của Không lực Mỹ ở căn cứ Muroc (nay là căn cứ Edwards), cạnh lòng hồ khô Rogers mênh mông ở sa mạc Mojave. Ông đặt tên chiếc X-1 là "Glamorous Glennis" theo tên vợ.
Hai đêm trước chuyến bay, Yeager ngã ngựa và gãy hai xương sườn. Ông giấu bác sĩ của căn cứ vì sợ bị thay người, chỉ nói với kỹ sư bay Jack Ridley. Với xương sườn gãy, ông không đủ sức đóng cửa buồng lái của X-1. Ridley cưa một đoạn cán chổi để Yeager dùng làm cần bẩy đóng cửa. Chi tiết này được Yeager kể trong hồi ký và được nhiều nguồn ghi lại.
Sáng 14/10/1947, chiếc B-29 thả X-1 ở độ cao khoảng 6 km. Yeager bật động cơ, leo lên khoảng 13 km. Khi tốc độ tăng gần Mach 1, máy bay rung lắc như các lần trước, rồi khi kim đồng hồ Mach nhảy qua 1, chuyến bay bỗng trở nên êm. Dưới đất, nhân viên nghe một tiếng nổ giống sấm: tiếng nổ siêu âm (sonic boom). X-1 đạt khoảng Mach 1,06, tức khoảng 1.100 km/giờ ở độ cao đó.
Thành công được giữ bí mật trong vài tháng, đến tháng 6/1948 mới công bố chính thức. Chiếc X-1 "Glamorous Glennis" sau này được trao cho Viện Smithsonian.
Có ai vượt qua trước Yeager không?
Có những yêu sách. Một số người cho rằng phi công thử nghiệm George Welch có thể đã vượt Mach 1 khi bổ nhào chiếc máy bay phản lực thử nghiệm XP-86 vài ngày hoặc vài tuần trước Yeager. Tuy nhiên, không có số liệu đo được xác nhận chính thức, và giới sử học hàng không nói chung coi đây là vấn đề còn tranh cãi. Điểm chắc chắn: chuyến bay của Yeager là lần đầu tiên vượt tốc độ âm thanh trong bay ngang có kiểm soát, được đo đạc và xác nhận.
Sau 1947: Mach 2, máy bay dân dụng và tiếng nổ siêu âm
- 20/11/1953: Scott Crossfield lái máy bay thử nghiệm Douglas D-558-2 Skyrocket đạt Mach 2, lần đầu tiên con người bay gấp đôi tốc độ âm thanh.
- 12/1953: Yeager lái chiếc X-1A đạt khoảng Mach 2,4 và suýt mất mạng khi máy bay mất kiểm soát.
- 21/8/1961: một chiếc Douglas DC-8 bổ nhào nhẹ trong chuyến bay thử và vượt Mach 1, trở thành máy bay chở khách đầu tiên vượt tốc độ âm thanh, dù không chở khách lúc đó.
- 31/12/1968 và 2/3/1969: hai máy bay chở khách siêu âm Tupolev Tu-144 (Liên Xô) và Concorde (Anh – Pháp) lần lượt bay lần đầu.
- 21/1/1976 đến 24/10/2003: Concorde chở khách thương mại, bay New York – London khoảng ba giờ rưỡi.
- 15/10/1997: chiếc xe ThrustSSC do Andy Green lái lần đầu vượt tốc độ âm thanh trên mặt đất, ở sa mạc Black Rock, Mỹ.
- 14/10/2012: Felix Baumgartner nhảy từ khinh khí cầu ở độ cao khoảng 39 km và vượt tốc độ âm thanh khi rơi tự do, không có máy bay nào.
Lý do máy bay chở khách siêu âm không phổ biến không phải là kỹ thuật, mà là tiếng nổ siêu âm. Một máy bay bay siêu âm kéo theo sóng xung kích hình nón suốt đường bay, và người dưới mặt đất nghe một hoặc hai tiếng nổ lớn như sấm khi sóng quét qua. Nhiều nước cấm bay siêu âm trên đất liền, nên Concorde chỉ bay siêu âm trên biển, hạn chế rất lớn các tuyến khai thác. Cộng thêm tiêu hao nhiên liệu cao và giá vé đắt, Concorde chưa bao giờ có thế hệ kế tiếp.
Hiện nay NASA đang thử nghiệm máy bay X-59 với hình dáng mũi rất dài để biến tiếng nổ thành một tiếng "thịch" nhỏ hơn nhiều, với hy vọng thay đổi luật cấm bay siêu âm trên đất liền trong tương lai.
Góc nhìn hôm nay: vì sao vẫn đáng nhớ
Bài học của X-1 là cách khoa học xử lý một nỗi sợ: thay vì tranh luận "có vượt được không", người ta chế tạo một cỗ máy chuyên để đo, tăng tốc độ từng chút qua mỗi chuyến bay, ghi lại số liệu, và sửa thiết kế. Phát hiện về cánh đuôi điều chỉnh toàn phần được áp dụng gần như ngay lập tức cho mọi máy bay bay nhanh sau đó.
Máy bay chở khách bạn đi hôm nay vẫn hưởng lợi từ những năm đó. Nó bay hành trình ở khoảng Mach 0,8, ngay sát vùng cận âm. Cánh xuôi sau và mặt cắt cánh "siêu tới hạn" đều là kết quả của những nghiên cứu nhằm đẩy lùi các hiện tượng mà phi công thập niên 1940 gọi là bức tường.
- Chiếc Bell X-1 "Glamorous Glennis" đang treo trong Bảo tàng Hàng không và Vũ trụ Quốc gia ở Washington, cùng sảnh với Wright Flyer và Spirit of St. Louis.
- Một số chiếc Concorde được trưng bày ở New York, Seattle, Manchester, Paris, Toulouse, Bristol và nhiều nơi khác; một số cho khách vào xem bên trong.
- Sách và phim: hồi ký "Yeager" (1985) của chính Chuck Yeager; cuốn "The Right Stuff" của Tom Wolfe (1979) và bộ phim cùng tên năm 1983 mở đầu bằng chuyến bay của X-1, dù phim có kịch tính hoá một số chi tiết.
Câu hỏi thường gặp
Ai là người đầu tiên vượt qua tốc độ âm thanh?
Chuck Yeager, phi công thử nghiệm người Mỹ, ngày 14/10/1947, trên chiếc máy bay tên lửa Bell X-1. Ông đạt khoảng Mach 1,06 ở độ cao khoảng 13 km trên sa mạc Mojave. Có ý kiến cho rằng George Welch vượt trước đó, nhưng chưa được xác nhận.
Tốc độ âm thanh là bao nhiêu km/h?
Ở mặt biển, nhiệt độ 15°C, tốc độ âm thanh khoảng 1.225 km/giờ. Tốc độ này giảm khi nhiệt độ giảm, nên ở độ cao 11 km nơi máy bay chở khách bay, nó chỉ còn khoảng 1.060 km/giờ.
Rào cản âm thanh là gì?
Là cách gọi những hiện tượng xảy ra khi máy bay tiến gần tốc độ âm thanh: sóng xung kích hình thành, lực cản tăng vọt, máy bay rung mạnh và cánh lái có thể mất tác dụng. Đó không phải bức tường vật chất; máy bay thiết kế phù hợp có thể vượt qua và bay êm ở tốc độ siêu âm.
Tiếng nổ siêu âm là gì?
Là tiếng nổ lớn như sấm mà người dưới mặt đất nghe thấy khi sóng xung kích hình nón của một vật bay siêu âm quét qua. Tiếng nổ kéo theo suốt đường bay, không chỉ xảy ra một lần lúc vượt Mach 1.
Vì sao máy bay chở khách không bay siêu âm?
Chủ yếu vì tiếng nổ siêu âm bị cấm trên đất liền ở nhiều nước, cộng với tiêu hao nhiên liệu rất cao và chi phí khai thác lớn. Concorde, máy bay siêu âm chở khách nổi tiếng nhất, ngừng bay năm 2003.
