Máy bay không động cơ bay cao 27 km

Tận dụng “sóng núi tầng bình lưu”

Theo Dự án Perlan, tổ chức phi lợi nhuận đứng sau sứ mệnh phá kỷ lục trên, tàu lượn Perlan 2 đã khởi hành từ Mỹ vào ngày 1/5 để bắt đầu hành trình đến El Calafate, Argentina, nơi diễn ra chiến dịch bay thử nghiệm. Trong các chuyến bay thử nghiệm, một chiếc máy bay sẽ chở tàu lượn Perlan được điều khiển lên độ cao từ 40.000 đến 45.000 feet. Tàu lượn Perlan, không có động cơ, sau đó sẽ bay lên gấp đôi độ cao trên bằng cách tận dụng hiện tượng khí quyển hiếm gặp được gọi là “sóng núi tầng bình lưu”, hình thành khi gió núi được tăng cường bởi xoáy cực.

 Perlan 2 là một thủy phi cơ được áp lực hóa được thiết kế để lượn vòng được gọi là sóng núi;, chúng hoạt động ở một số khu vực gần cực Bắc và Nam, có thể tiến vào tầng bình lưu. Trong khoảng thời gian ngắn vào tháng 8 và tháng 9 hàng năm, thời tiết ở dãy núi Andes gần El Calafate thường là thích hợp để tạo ra các sóng núi này. Perlan 2 được thiết kế để lướt sóng bay lên cao đến 90.000 feet mà không yêu cầu phi hành đoàn hai người mặc bộ đồ bảo vệ trước trọng lực.

Thiết bị đã phá vỡ kỷ lục thế giới về trượt cao trước đó là 50,671 feet, được Steve Fossett và người sáng lập Dự án Perlan Einar Enevoldson tạo lập khi vận hành máy lượn Perlan 1 không cần áp suất được tạo ra. Tom Enders, Giám đốc điều hành của Airbus, cho biết. “Với mỗi lần Airbus Perlan Mission 3 đạt mốc quan trọng, chúng tôi tiếp tục tìm hiểu thêm về cách chúng ta có thể bay cao hơn, nhanh hơn và sạch hơn; nhưng chúng tôi cũng biết rằng, hàng không vẫn có sức mạnh để làm chúng tôi ngạc nhiên, làm chúng tôi ngỡ ngàng và động viên chúng tôi tìm ra những đường biên giới mới”. “Thành công trong hàng không nổi bật của Perlan là kết quả của sự suy nghĩ thấu đáo. Đây là loại suy nghĩ dựa trên nền tảng của tầm nhìn đối với tương lai của Airbus, mà chúng tôi hy vọng sẽ truyền cảm hứng cho một thế hệ mới của các nhà thám hiểm hàng không vũ trụ và đổi mới.

Chiếc Perlan 2 được Jim Payne và Morgan Sandercock, Kỹ sư trưởng của Dự án Perlan điều hành. “Gió vùng xoáy cực xoay quanh Nam Cực và tràn ra khỏi Dãy núi Andes, vì vậy đưa chúng ta sẽ đến El Calafate gần như đi xa về phía nam nhất mà bạn có thể đi ở Argentina”, Morgan Sandercock, cho biết trong một cuộc họp báo. “Vùng xoáy nằm ở phía cuối gió hoặc phía đông của dãy núi Andes, nơi những con sóng được tạo ra bởi những ngọn núi này bị xoáy cực đẩy lên tầng bình lưu, do đó mỗi lớp gió xếp chồng lên nhau sẽ đẩy sóng cao hơn một chút”.

Nghiên cứu chỉ mới bắt đầu

Dự án Perlan đã giúp tàu lượn bay thành công lên tầm cao bằng cách sử dụng khái niệm này trong quá khứ. Nhóm đã lập kỷ lục thế giới về độ cao cận âm đầu tiên vào năm 2006 với Nhiệm vụ Perlan 1, trong đó các phi công bay đến độ cao hơn 50.000 feet (15 km) trên Dãy núi Nam Andes. Sau thành công của chiếc tàu lượn đầu tiên, nhóm nghiên cứu đã chế tạo chiếc tàu lượn điều áp thứ hai được tối ưu hóa để bay gần rìa không gian. Tàu lượn Perlan 2 đã thực hiện chuyến bay đầu tiên vào năm 2015. Thiết bị đã vượt qua kỷ lục về độ cao của tàu lượn Perlan 1 vào năm 2017 và tiếp tục phá vỡ kỷ lục của chính mình 3 lần với các chuyến bay tiếp theo vào năm 2018.

Khi đó, chiếc máy bay Perlan 2 bay cao lên không trung với độ cao 52.000 feet (17km) mà không có sự hỗ trợ của động cơ. Chuyến bay đưa Airbus đến gần mục tiêu cuối cùng của hãng là đưa một chiếc máy bay nhỏ hơn không động cơ vào không gian. Ed Warnock, Giám đốc điều hành của Dự án Perlan, cho biết: “Chúng tôi đang chào đón một chiến thắng tuyệt vời cho cuộc cách mạng ngành hàng không và khám phá khoa học ngày hôm nay, và chúng tôi rất biết ơn tất cả các tình nguyện viên và nhà tài trợ những năm đã cống hiến không biết mệt mỏi công sức của mình cho thành công này”. “Chúng tôi sẽ tiếp tục phấn đấu để đạt được độ cao lớn hơn và tiếp tục các thí nghiệm khoa học của mình để khám phá những bí ẩn của tầng bình lưu. Chúng ta đã làm nên lịch sử, nhưng việc nghiên cứu chỉ mới bắt đầu.

Sau thành công của chiến dịch bay thử trên, nhóm dự định bay tới độ cao 90.000 feet vào năm 2019, nhưng một loạt tình huống không may đã khiến chuyến bay đó bị trì hoãn. Đầu tiên, một sự kiện nóng lên ở tầng bình lưu đã làm gián đoạn  cực xoáy vào năm 2019, làm giảm kích thước của sóng núi ở tầng bình lưu. Sau đó vào năm 2020, kế hoạch của đội đã bị thất bại do đại dịch COVID-19, khiến họ không thể đến Argentina. Đến năm 2021, Argentina vẫn bị phong tỏa khá nhiều. Ngành vận tải biển cũng bị gián đoạn do đại dịch nên nhóm nghiên cứu không thể vận chuyển tàu lượn của mình đến Argentina kịp thời để tận dụng cơn lốc vùng cực.

Vào năm 2022, với kế hoạch bay ở Argentina vẫn đang bị trì hoãn, Dự án Perlan đã đưa tàu lượn của mình đến EAA AirVenture ở Oshkosh, Wisconsin, Mỹ để trình diễn chuyến bay. Tim Gardner, lập trình viên mô phỏng và thí điểm của Dự án Perlan, cho biết trong cuộc họp: “Tôi nghĩ Oshkosh là một trải nghiệm thực sự rất tích cực đối với chúng tôi”. “Mặc dù chúng tôi không bay ở Argentina, nhưng chúng tôi vẫn tiếp tục một trong những việc chúng tôi luôn làm, đó là gây quỹ”. Gardner nói thêm rằng Airbus đã là nhà tài trợ tuyệt vời kể từ khi hợp tác với Dự án Perlan vào năm 2014. “Chúng tôi có một số nhà tài trợ doanh nghiệp lớn khác, nhưng chúng tôi cũng phụ thuộc rất nhiều vào sự đóng góp của tư nhân, vì vậy Oshkosh là cơ hội để chúng tôi kết nối với một số nhà tài trợ đó”.

Giờ đây, thế giới đã phần nào phục hồi sau ảnh hưởng của đại dịch COVID-19. Dự án Perlan một lần nữa sẵn sàng tới Argentina để lập kỷ lục tiếp theo. Jim Payne, phi công trưởng và Chủ tịch Dự án Perlan cho biết trong cuộc họp. Sandercock nói thêm rằng, nhóm nghiên cứu đã có những tính toán cho thấy, sóng núi ở tầng bình lưu có thể đạt tới độ cao hơn 130.000 feet. Ông nói thêm: “Nhưng đối với tàu lượn mà chúng tôi đã chế tạo, chúng tôi nghĩ độ cao tối đa của nó sẽ vào khoảng 90.000 feet”. Khi bay lên ở độ cao này, tàu lượn Perlan sẽ có mật độ không khí tương tự như bầu khí quyển của sao Hỏa.

Tàu lượn Perlan 2 được trang bị các dụng cụ để đo những thứ như nhiễu loạn, ozone và bức xạ cực tím ở độ cao lớn. Một thiết bị mới được bổ sung trong năm nay là thiết bị Huyền bí vô tuyến GPS ( định vị toàn cầu), do chương trình Airbus Acubed cung cấp, sẽ giám sát đường đi của tín hiệu vô tuyến GPS truyền qua khí quyển.

Nghiên cứu thời tiết

Sandercock cho biết: “Thông qua quá trình xử lý mà họ có thể thực hiện trên đó, nó có thể đo độ ẩm ở phạm vi lên tới 100 km tính từ tàu lượn”. “Trên thực tế, những đám mây ở độ cao này thậm chí không được tạo thành từ nước. Chúng là tinh thể axit nitric. Vì vậy, việc có thể thực hiện được những phép đo đó là một điều thực sự thú vị đối với chúng tôi”. Sandercock nói thêm rằng, một ngày nào đó thiết bị này có thể được lắp đặt trên các máy bay thương mại để cải thiện dự báo thời tiết, “bởi vì ở đó có nhiều máy bay hơn số khinh khí cầu thời tiết thực hiện các phép đo này”.

Ngoài ra, việc đặt chân lên tầng bình lưu trên tàu lượn Perlan 2 sẽ là một số dự án khoa học do sinh viên xây dựng dưới dạng CubeSats hoặc các thí nghiệm nhỏ được đặt trong các khối 10cm. Giám đốc điều hành Dự án Perlan Ed Warnock cho biết: “Các thí nghiệm mà chúng tôi thực hiện đều xuất phát từ sự quan tâm của sinh viên. “Chúng tôi có mọi thứ từ máy đếm Geiger đang bay để đo bức xạ đến từ trường không gian [và] máy đo vật liệu sinh học được đưa vào khí quyển”. Một thí nghiệm khác sẽ đo các chất ô nhiễm hóa học ở tầng ozone nồng độ cao. “Hóa ra những đám mây axit mà Morgan đề cập thực sự đã gây ra lỗ thủng tầng ozone…vì vậy chúng tôi đang mang theo máy dò ozone do sinh viên chế tạo”.

Trong các chuyến bay thử nghiệm ở Argentina, Dự án Perlan sẽ phát trực tuyến dữ liệu đo từ xa của mình trong cái mà nhóm gọi là “buồng lái ảo”, cho phép các sinh viên tham gia cũng như công chúng nói chung theo dõi sứ mệnh trong thời gian thực. Warnock cho biết: “Thiết bị hiển thị độ cao, tốc độ bay của chúng tôi và một số vật tư tiêu hao mà chúng tôi có trong máy bay di động như oxy… vì vậy bạn có thể xem nó khi chúng tôi bay và ở đó”.

Warnock giải thích rằng, chiến dịch bay thử nghiệm này sẽ kết thúc sứ mệnh Perlan 2, nhưng nhóm sẽ tiếp tục tiến hành nghiên cứu khí quyển bằng cách sử dụng những cải tiến mới với các đối tác của mình. “Chúng tôi nghĩ rằng sứ mệnh đã hoàn thành, vì vậy có lẽ chúng tôi sẽ không tiếp tục bay Perlan để nghiên cứu khoa học sau đó”, ông nói và cho biết thêm rằng, tàu lượn Perlan có thể sẽ được đưa vào bảo tàng sau khi chiến dịch kết thúc.

Tựa như lướt sóng trên biển

Các phi công của máy lượn trên không đã lướt sóng gọi là sóng núi từ năm 1932. Quá trình này tương tự như lướt sóng trên sóng biển, ngoại trừ máy lượn nằm trong làn sóng hơn là trên mặt sóng. Sóng núi hình thành khi gió tốc độ ít nhất 15 hải lý ( 1 hải lý =1.852 m) băng qua một dãy núi vuông góc và bầu khí quyển là sóng ổn định, sẽ hình thành ở phía bên kia của dãy núi. Máy lướt sóng sử dụng phần di chuyển đi lên trên của hệ thống sóng này để bay lên. Nhưng độ cao tối đa của một ngọn núi thường ở ranh giới giữa tầng đối lưu và tầng bình lưu, và điều này là bởi vì không khí lạnh của sóng núi gặp không khí ấm hơn ở vùng ranh giới và không thể tăng thêm nữa. Einar Enevoldson, một phi công thử nghiệm của Cơ quan Hàng không vũ trụ Mỹ (NASA) và là người sáng lập dự án, đã chứng kiến những bằng chứng cho thấy ở các vùng gần các cực vào mùa đông, sóng có thể lan rộng trên tầng đối lưu và vào tầng bình lưu.

Trước đây, không ai tìm kiếm sóng ở tầng bình lưu tại các vùng cực phân cực vào mùa đông. Từ năm 1992 cho đến năm 1998, ông thu thập thêm bằng chứng cho thấy những sóng này tồn tại, và thấy rằng chúng có thể đủ mạnh để đưa một thủy phi cơ lên cao. Ông phát hiện ra rằng, Vùng bầu trời Polar và một trong những thành phần chủ yếu của nó là những chiếc máy bay ban đêm ở cực đại tầng bình lưu chỉ tồn tại trong mùa đông, mang lại tốc độ gió lớn trong tầng bình lưu, tạo ra những đợt sóng cao bất ngờ. Gió trong Vùng Bắc cực có thể đạt tốc độ 260 hải lý/ giờ, cho phép các đợt sóng núi lan rộng lên tầng bình lưu. Dự án Perlan đã được hình thành để khám phá những sóng này và bay lên đến rìa không gian. Tháng 8/2006, Steve Fossett và Einar Enevoldson đã đưa máy bay Perlan 1 lên 50.722 feet (15.460 mét) bằng cách sử dụng những sóng núi ở tầng bình lưu. Do thiết bị thiếu động cơ, Perlan 2 có thể khám phá những rìa của không gian mà không gây ô nhiễm bầu khí quyển.

Việc sử dụng nhằm mục đích: Hiểu rõ về thời tiết: Perlan II dự định quan sát những gì sẽ xảy ra ở mức cao nhất của các tác động tầng bình lưu trên toàn cầu. Dự đoán biến đổi khí hậu: Perlan II sẽ thu thập và chia sẻ dữ liệu với các nhà khoa học khí quyển trên toàn thế giới để cải thiện các mô hình khí hậu và dự đoán chính xác hơn về thay đổi khí hậu.

Chẩn đoán tầng ozone: Perlan II có thể lấy các mẫu khí không lộ ra từ tầng bình lưu để đo mức độ các hóa chất gây hại cho tầng ozone và đánh giá xem liệu lớp ozone đang được bổ sung hay đang cạn kiệt. Tương lai của chuyến đi không gian: Máy bay sẽ hoạt động trong điều kiện khí hậu tương tự như trên sao Hỏa, cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách các máy bay hoạt động nhờ cánh có thể hoạt động trên bề mặt Sao Hỏa.