Động cơ ramjet kích nổ quay hoàn toàn mới có thể trở thành trái tim thế hệ vũ khí siêu vượt âm mới của Mỹ.
Một khái niệm động cơ hoàn toàn mới, kết hợp giữa động cơ kích nổ quay (rotating detonation engine) và cửa hút khí ramjet chế độ kép, đang mở ra triển vọng thay đổi căn bản tương lai của các hệ thống vũ khí siêu vượt âm của Mỹ. Mục tiêu chính của hướng tiếp cận này là giảm sự phụ thuộc vào các tầng đẩy rocket cỡ lớn, vốn là rào cản lớn nhất đối với tầm bắn, chi phí và tính linh hoạt của tên lửa siêu vượt âm hiện nay.
Ngày 14/1, GE Aerospace và Lockheed Martin chính thức công bố kết quả một cuộc trình diễn công nghệ động lực học mới, được đánh giá là có khả năng định hình lại toàn bộ khái niệm bay siêu vượt âm trong tương lai.
Thử nghiệm cho thấy một động cơ ramjet sử dụng nhiên liệu lỏng, ứng dụng nguyên lý kích nổ quay, khi kết hợp với cửa hút khí chiến thuật thế hệ mới, có thể giải quyết một trong những bài toán nan giải nhất của lĩnh vực này: hiệu suất ở tốc độ cực cao, vượt Mach 5 – tương đương hơn 6.100 km/h.
Ở các vận tốc như vậy, những giới hạn vật lý vốn đã cản trở sự phát triển của tên lửa siêu vượt âm trong nhiều thập kỷ bắt đầu bộc lộ rõ rệt. Việc duy trì quá trình đốt ổn định, hiệu quả và kiểm soát được trong môi trường có nhiệt độ và áp suất khắc nghiệt là thách thức chưa từng có tiền lệ.
Phá vỡ giới hạn của tên lửa siêu vượt âm
Bay siêu vượt âm mang trong mình tiềm năng quân sự và dân sự khổng lồ. Các phương tiện di chuyển với vận tốc gấp hơn năm lần tốc độ âm thanh có thể đánh trúng mục tiêu ở khoảng cách hàng nghìn km chỉ trong vài phút, rút ngắn đáng kể thời gian phản ứng và khiến hệ thống phòng thủ đối phương gần như không kịp đối phó.
Tuy nhiên, trở ngại lớn nhất không nằm ở khí động học, mà ở hiệu suất động cơ trên toàn dải tốc độ bay. Phần lớn các tên lửa siêu vượt âm hiện nay sử dụng động cơ ramjet để duy trì hành trình ở tốc độ cao. Ramjet có cấu trúc đơn giản, không có bộ phận chuyển động, nén không khí hoàn toàn nhờ vận tốc bay của chính phương tiện.
Vấn đề nằm ở chỗ: ramjet không thể tự khởi động ở tốc độ thấp. Để quá trình cháy diễn ra, phương tiện phải đạt ít nhất Mach 3, tương đương khoảng 3.700 km/h. Điều này buộc các tên lửa phải mang theo tầng đẩy rocket cỡ lớn để tăng tốc ban đầu.
Những tầng đẩy này không chỉ nặng, đắt đỏ và phức tạp, mà còn chiếm không gian đáng lẽ dành cho nhiên liệu hoặc đầu đạn. Chúng làm giảm tầm bắn, hạn chế khả năng cơ động và khiến chi phí mỗi quả tên lửa tăng vọt. Khoảng trống hiệu suất giữa giai đoạn phóng và giai đoạn hành trình đã trở thành “bài toán kinh điển” của ngành công nghiệp siêu vượt âm.
GE Aerospace đang tìm cách phá vỡ bế tắc đó bằng động cơ kích nổ quay – một khái niệm từng được nghiên cứu trong nhiều thập kỷ nhưng chỉ mới đủ chín muồi về mặt kỹ thuật trong vài năm gần đây.
Không giống các động cơ đốt cháy ổn định truyền thống, động cơ kích nổ quay sử dụng sóng kích nổ siêu thanh liên tục chạy vòng quanh một buồng đốt hình trụ. Nhiên liệu lỏng và chất oxy hóa được đưa vào buồng đốt theo nhịp chính xác, tạo ra một chu trình tự duy trì với áp suất và hiệu suất vượt trội.
Lợi ích mang lại là rất rõ ràng. Theo các thử nghiệm, động cơ kích nổ quay có thể hiệu quả hơn khoảng 25% so với hệ thống đốt thông thường, đồng thời nhỏ gọn và nhẹ hơn đáng kể. Quan trọng hơn, loại động cơ này có thể hoạt động ở tốc độ thấp hơn, thậm chí trước khi phương tiện đạt đến vận tốc siêu thanh.
Một ưu điểm chiến lược khác là tính linh hoạt chế độ hoạt động. Cùng một lõi động cơ có thể đóng vai trò ramjet ở tốc độ siêu thanh và chuyển sang scramjet khi đạt vận tốc siêu vượt âm. Điều này cho phép tên lửa sử dụng tầng đẩy rocket nhỏ hơn, chuyển tiếp mượt mà giữa các pha bay và kéo dài đáng kể tầm hoạt động.
Cửa hút khí chiến thuật: mảnh ghép không thể thiếu
Trong dự án này, Lockheed Martin đóng vai trò then chốt với việc phát triển cửa hút khí chiến thuật tốc độ cao, được thiết kế riêng cho hệ thống ramjet chế độ kép. Đây là bộ phận sống còn, quyết định cách không khí được dẫn vào động cơ ở các tốc độ và độ cao khác nhau.
Ở vận tốc trên Mach 5, việc quản lý luồng khí trở nên cực kỳ phức tạp. Sóng xung kích hình thành và tương tác trong không gian rất hẹp, chỉ một sai lệch nhỏ cũng có thể làm quá trình cháy mất ổn định hoặc tắt hoàn toàn. Các kỹ sư phải sử dụng mô phỏng động lực học chất lưu tính toán (CFD) ở mức độ cực cao để kiểm soát hình dạng và vị trí các sóng này.
Cửa hút khí mới được tinh chỉnh để hoạt động ăn khớp với lõi động cơ kích nổ quay, giúp hệ thống duy trì hiệu suất ổn định khi điều kiện dòng khí thay đổi liên tục. Một điểm yếu cố hữu của nhiều động cơ kích nổ là hiệu suất suy giảm theo độ cao, nhưng thiết kế cửa hút mới đã cải thiện đáng kể khả năng thích ứng, từ bay thấp trong khí quyển đến hành trình siêu vượt âm ở tầng cao.
Ý nghĩa chiến lược đối với vũ khí siêu vượt âm Mỹ
Sự kết hợp giữa động cơ ramjet kích nổ quay và cửa hút khí chiến thuật mở ra viễn cảnh hệ thống động lực siêu vượt âm nhỏ gọn, rẻ hơn và dễ sản xuất hàng loạt hơn. Việc cắt giảm số lượng bộ phận cơ khí phức tạp và giảm kích thước tầng đẩy rocket không chỉ hạ giá thành, mà còn giúp tăng độ tin cậy và khả năng triển khai thực tế.
Ông Randy Crites, Phó Chủ tịch kiêm Tổng Giám đốc bộ phận Advanced Programs của Lockheed Martin, nhấn mạnh rằng sau hai năm đầu tư nội bộ, cuộc trình diễn này là minh chứng rõ ràng cho sức mạnh của hợp tác công nghiệp – quốc phòng. Theo ông, mục tiêu cuối cùng là đưa năng lực siêu vượt âm có chi phí hợp lý vào tay lực lượng tác chiến trong thời gian nhanh nhất có thể, phù hợp với nhịp độ của môi trường đe dọa ngày càng khốc liệt.
Lockheed Martin cho biết hệ thống ramjet nhỏ gọn này tận dụng sâu kinh nghiệm của hãng trong thiết kế cửa hút khí tốc độ cao, đồng thời mang lại tầm bắn vượt trội ở vận tốc cực lớn. Trong bối cảnh cạnh tranh siêu vượt âm ngày càng gay gắt với Nga và Trung Quốc, đây được xem là bước tiến then chốt nhằm duy trì ưu thế công nghệ của Mỹ.
Nếu công nghệ tiếp tục được hoàn thiện và vượt qua các giai đoạn thử nghiệm khắt khe tiếp theo, động cơ ramjet kích nổ quay có thể trở thành trái tim của thế hệ vũ khí siêu vượt âm mới, từ tên lửa tấn công tầm xa cho đến máy bay trinh sát và tác chiến tốc độ cực cao.
Quan trọng hơn cả, nó cho thấy Mỹ đang dần thu hẹp khoảng cách giữa lý thuyết và khả năng triển khai thực chiến trong lĩnh vực siêu vượt âm – một cuộc đua công nghệ được coi là mang tính quyết định đối với cán cân quân sự toàn cầu trong nhiều thập kỷ tới.
