Vì sao không có chuyện máy bay 'vượt ẩu', đua tốc độ?

Ngày 14/5, mạng xã hội lan truyền đoạn video ghi lại hình ảnh 3 máy bay xuất hiện cùng lúc trên bầu trời, được một hành khách ngồi trên chuyến bay của Spring Airlines đăng tải trên Douyin.

Trong phần mô tả, người này cho biết máy bay phía dưới là của Chengdu Airlines, còn chiếc ở thấp đang vượt mặt thuộc Shandong Airlines (Sơn Đông Airlines), hãng bay vốn nổi tiếng với biệt danh "hãng hàng không tia chớp" hay "Sơn Đông tốc độ".

Tuy nhiên, hiện tượng được gọi là "Sơn Đông tốc độ" của hãng bay này không xuất phát từ tốc độ. Do những quy định nghiêm ngặt của hàng không, gần như không thể có chuyện phi công bay nhanh hơn quy định.

Cơ sở khí động học

Nguyên nhân tuyệt đối ngăn cản một chiếc máy bay thương mại tùy ý tăng tốc độ trên không trung bắt nguồn từ các quy luật của động lực học chất lưu, đặc biệt là các hành vi của luồng không khí khi tiệm cận tốc độ âm thanh ở môi trường độ cao lớn.

Đoạn video ghi lại cảnh ba máy bay xuất hiện cùng lúc trên bầu trời, trong đó Sơn Đông Airlines vượt mặt Chengdu Airlines lan truyền mạnh trên mạng xã hội. Ảnh: Douyin.

Máy bay thương mại hiện đại, từ dòng máy bay thân hẹp nhỏ gọn đến những gã khổng lồ thân rộng, đều thường hoạt động ở chế độ bay cận âm, với dải vận tốc tuần hoàn tối ưu dao động từ Mach 0,78 đến Mach 0,85 (78-85% tốc độ âm thanh truyền đi trong không khí).

Vận tốc thực tế của máy bay được đo lường bằng số Mach, được định nghĩa là tỷ số giữa vận tốc của vật thể và vận tốc âm thanh trong cùng một môi trường chất lưu xung quanh.

Mặc dù bản thân chiếc máy bay đang di chuyển với vận tốc chậm hơn tốc độ âm thanh (dưới Mach 1), đặc điểm cấu tạo cong của bề mặt trên của cánh máy bay buộc luồng không khí chảy qua đây phải tăng tốc cục bộ để tạo ra lực nâng theo nguyên lý Bernoulli.

Nếu phi công cố tình đẩy cần ga để máy bay tăng tốc vượt qua số Mach tối đa, nhằm mục đích bứt tốc hoặc "đua" với một máy bay khác, hiện tượng vật lý cực đoan sẽ xảy ra.

Khi đó, các sóng xung kích, ranh giới vô hình của áp suất và nhiệt độ tăng vọt, sẽ hình thành và tạo ra sự gián đoạn nghiêm trọng trong dòng chảy của không khí. Hệ quả trực tiếp là hiện tượng tách lớp biên, nơi luồng không khí không còn bám sát vào bề mặt khí động học của cánh mà bị xé toạc ra phía sau, tạo ra những vùng xoáy hỗn loạn.

Bên cạnh giới hạn về lực cản sóng, máy bay thương mại tuần hoàn ở độ cao lớn còn phải đối mặt với một không gian vận hành cực kỳ chật hẹp, được giới khoa học không gian gọi là góc quan tài (coffin corner).

Góc quan tài xuất hiện khi máy bay di chuyển đủ nhanh và đủ cao khiến áp suất bắt đầu cân bằng giữa mặt dưới và mặt trên cánh, làm lực nâng dần biến mất.

Khi máy bay tăng độ cao, không khí loãng hơn, phân tử khí ít đi mà diện tích cánh không đổi, khiến máy bay phải bay nhanh hơn để cánh có đủ lực nâng.

Nếu di chuyển quá chậm, máy bay sẽ rơi vì không còn đủ lực nâng để triệt tiêu các lực tác động lên nó, chẳng hạn lực hút của Trái Đất (trọng lực) hay lực hướng tâm. Khi lực nâng thua trọng lực, máy bay gặp thất tốc - sát thủ vô hình trên không.

Minh họa mô tả khái niệm góc quan tài. Ảnh: PilotMall.

Tuy nhiên, ở khu vực góc quan tài, nếu bay nhanh, máy bay sẽ đạt giới hạn Mach cận âm. Dòng không khí trôi qua cánh đạt tốc độ gần bằng hoặc cao hơn tốc độ âm thanh, trong khi máy bay vẫn di chuyển dưới tốc độ âm thanh.

Ở tốc độ quá cao, các sóng chấn động hình thành từ va chạm giữa luồng không khí với bề mặt cánh có xu hướng đẩy mũi máy bay xuống đất.

Điều này khiến việc bay gần góc quan tài giống như bịt mắt, giữ thăng bằng trên dây. Một sự thay đổi nhỏ về tốc độ hoặc độ cao có thể dẫn đến tình trạng mất lực nâng hoặc quá tốc độ, cả hai đều có khả năng gây ra thảm họa.

Bài toán kinh tế

Kể cả khi không vướng phải những giới hạn về an toàn và vật lý, việc "đua tốc độ" của máy bay thương mại vẫn sẽ bị hạn chế bởi cấu trúc nền tảng của nền kinh tế hàng không.

Năm 1957, chiếc Boeing 707 đầu tiên cất cánh. Nó đạt tốc độ bay hành trình là Mach 0,78. Năm 2009, Boeing cho ra mắt máy bay 787 Dreamliner. Máy bay này có tốc độ bay hành trình là Mach 0,85.

Hai chiếc máy bay, do cùng một nhà sản xuất cho ra mắt cách nhau 52 năm, với tốc độ nhanh hơn chỉ là 8%. Với tiến bộ vượt bậc của công nghệ khoa học, vì sao máy bay lại không thể bay nhanh hơn?

Lý do là ngành công nghiệp vận tải hàng không là một trong những lĩnh vực có biên độ lợi nhuận cực kỳ mỏng manh. Chi phí nhiên liệu chiếm tỷ trọng lớn nhất và dao động mạnh nhất trong tổng chi phí vận hành trực tiếp của một hãng hàng không.

Cho đến nay, Concorde là máy bay duy nhất từng khai thác thương mại có tốc độ siêu âm. Nó có thể bay với tốc độ Mach 2,02, giúp di chuyển từ New York đến London chỉ mất khoảng 3 giờ 30 phút.

Con số này rất ấn tượng, nhưng chỉ có 14 chiếc Concorde được đưa vào sử dụng, và chỉ phục vụ hai tuyến đường cho hai hãng hàng không là British Airways và Air France. Chuyến bay thương mại đầu tiên của Concorde là vào năm 1976, và chuyến bay cuối cùng đã kết thức từ năm 2003.

Cho đến nay, Concorde vẫn là máy bay duy nhất từng khai thác thương mại có tốc độ siêu âm. Ảnh: CNN.

Để bay siêu thanh, máy bay cần có tính khí động học cao, đồng nghĩa là thiết kế phải hẹp, từ đó hạn chế số lượng hành khách. Điều này khiến Concorde chỉ có thể chở khoảng 100 hành khách, con số khiêm tốn so với 330 hành khách mà Boeing 787-10 có thể chở.

Ngoài ra, chi phí vận hành cao trải đều trên số lượng hành khách tương đối ít không phải là mô hình kinh tế khả thi. Đến cuối những năm 1990, giá vé một chiều trên Concorde lên tới 6.000 USD, một mức giá cao hơn rất nhiều so với vé máy bay chở khách thông thường.

Thay vì tốc độ bay, các hãng hàng không hoạt động dựa trên lợi nhuận từ việc khai thác các chuyến bay. Do đó, công nghệ của hàng không thương mại hiện chỉ tập trung vào việc tăng hiệu quả.

Có thể ví dụ như Boeing 707 và Boeing 787. Dù có tốc độ bay tương tự nhau, Boeing 787 là lựa chọn tiết kiệm chi phí hơn nhiều.

Cụ thể, Boeing 787 chỉ tiêu thụ khoảng 5 tấn nhiên liệu mỗi giờ và có thể chở thêm khoảng 140 hành khách. Để so sánh, Boeing 707 tiêu thụ khoảng 6,8 tấn nhiên liệu mỗi giờ. Các máy bay hiện đại tập trung vào việc đưa nhiều hành khách đến điểm đến nhất với chi phí nhiên liệu và chi phí vận hành thấp nhất có thể.

Máy bay phải bay ở tốc độ đủ nhanh để đạt hiệu suất cao, nhưng lực cản và mức tiêu thụ nhiên liệu cũng không được làm giảm doanh thu. Do đó, tốc độ bay của những chiếc máy bay thương mại ngày nay thực chất là tốc độ tối ưu giữa hiệu suất và doanh thu.