Đối thủ "cố lắm" cũng mất 5 năm, Trung Quốc làm xong thứ này chỉ trong 7 ngày: Kết quả ngoài tưởng tượng
Bất chấp sự phức tạp khủng khiếp đó, toàn bộ quá trình mô phỏng chuyên sâu đã được hoàn tất chỉ trong vỏn vẹn 7 ngày.
Các nhà khoa học Trung Quốc vừa phát triển một phần mềm mang tính cách mạng, có khả năng mô phỏng toàn diện các hiện tượng vật lý cực hạn trong quá trình đốt cháy nhiên liệu siêu thanh chỉ trong vòng một tuần.
Trước đây, để hoàn thành cùng một khối lượng công việc này, các siêu máy tính có thể phải mất tới nhiều năm trời.
Phần mềm này là thành tựu của đội ngũ nghiên cứu do chuyên gia Yao Wei dẫn dắt tại Viện Cơ học thuộc Học viện Khoa học Trung Quốc. Công cụ này đã được sử dụng để thực hiện một mô phỏng với độ chuẩn xác cực cao về động cơ scramjet (động cơ phản lực dòng thẳng cực siêu thanh) – loại động cơ mà quá trình đốt cháy diễn ra ngay trong luồng khí di chuyển với tốc độ siêu thanh.
Hệ thống đã mô phỏng các biến động nội tại bên trong động cơ thông qua hàng trăm triệu ô tính toán – con số này cao gấp 20 lần so với độ phân giải thông thường trong các nghiên cứu quốc tế hiện nay. Bất chấp sự phức tạp khủng khiếp đó, toàn bộ quá trình mô phỏng chuyên sâu đã được hoàn tất chỉ trong vỏn vẹn 7 ngày.
Theo báo cáo trên trang web của Viện Cơ học hồi tháng 1, công nghệ mô phỏng này đã cung cấp những hỗ trợ kỹ thuật trọng yếu cho việc thiết kế mô hình của một dự án quốc gia được xếp vào hàng mật.
Sự bứt phá của kho vũ khí siêu thanh
Chỉ trong vòng 6 năm, từ khi mẫu DF-17 – thiết bị lượn siêu thanh đầu tiên trên thế giới đi vào hoạt động năm 2019 – cho đến năm 2025, Trung Quốc đã triển khai một dải vũ khí siêu thanh toàn diện.
Trong đó, hai mẫu tên lửa sử dụng động cơ hút khí tự nhiên (air-breathing) đặc biệt gây chú ý là: tên lửa siêu thanh chống hạm YJ-19 có thể phóng từ tàu chiến hoặc tàu ngầm, và tên lửa hành trình tầm xa CJ-1000 có khả năng tấn công các mục tiêu trên đất liền, trên biển hoặc thậm chí trên không từ khoảng cách hàng nghìn km.
Về cơ bản, các tên lửa hành trình siêu thanh hút khí tự nhiên sử dụng công nghệ scramjet để duy trì năng lượng trong suốt hành trình bay. So với các dòng tên lửa đẩy-lượn, chúng nhỏ gọn hơn, tốc độ nhanh hơn và khó bị đánh chặn hơn rất nhiều.
Dù Hoa Kỳ đã bắt đầu nghiên cứu công nghệ siêu thanh hút khí tự nhiên từ tận những năm 1950, nhưng quốc gia này vẫn đang gặp nhiều khó khăn để biến nó thành hiện thực.
Giải mã những "điểm mù" vật lý
Đối với các chuyến bay siêu thanh trong không gian cận vũ trụ (tốc độ từ Mach 5 trở lên), động cơ scramjet tỏ ra hiệu quả và có khả năng tái sử dụng tốt hơn động cơ tên lửa hoặc động cơ phản lực tăng áp. Động cơ này hoạt động bằng cách nén luồng khí nạp thông qua các sóng kích được tạo ra tại cửa thu khí.
Tuy nhiên, ở vận tốc cực hạn, nhiệt lượng và áp suất khổng lồ sẽ làm thay đổi cấu trúc vật lý của chính không khí, khiến các phân tử dao động, bị phá vỡ liên kết hoặc bị ion hóa. Các biến đổi này, được gọi chung là hiệu ứng không cân bằng nhiệt và hóa học, có thể gây nhiễu loạn quá trình nén khí, đánh lửa và tạo lực đẩy.
Suốt nửa thế kỷ qua, phần lớn các nghiên cứu đều giả định rằng luồng khí nạp ở trạng thái cân bằng. Sự đơn giản hóa này dẫn đến những sai lệch giữa kết quả tính toán và dữ liệu thực nghiệm, thậm chí gây ra những dự báo thiếu chính xác về độ trễ thời gian đánh lửa.
Trong khi loại nhiên liệu sử dụng (như hydro hay hydrocarbon) có ảnh hưởng đáng kể đến các hiệu ứng không cân bằng này, thì các nghiên cứu về nhiên liệu hydrocarbon như ethylene trong điều kiện khắc nghiệt lại rất khan hiếm. Nguyên nhân chủ yếu là do chi phí tính toán để mô phỏng các phản ứng hóa học phức tạp là quá lớn.
Bước tiến từ mô hình DZFM và ZNM
Để nắm bắt được các hiện tượng vi mô phức tạp, đội ngũ của ông Yao đã phát triển Mô hình ngọn lửa vùng động không cân bằng nhiệt hóa học (DZFM) kết hợp với Mô hình không cân bằng vùng (ZNM) . Các phát hiện của họ đã được công bố trên số tháng 3 của tạp chí khoa học uy tín Combustion and Flame .
Để kiểm chứng, nhóm nghiên cứu đã thực hiện một mô phỏng khổng lồ trên động cơ HyShot II – một thiết bị thử nghiệm bay scramjet. Họ chia không gian bên trong động cơ thành 221 triệu ô riêng biệt. Nhiệt độ, áp suất, vận tốc và các phản ứng hóa học trong từng ô đều được tính toán một cách tỉ mỉ. Đây là một bước tiến vượt bậc so với quy mô dưới 10 triệu ô thường thấy trong các nghiên cứu quốc tế.
Kết quả thật kinh ngạc: Một mô phỏng với độ phức tạp này thông thường phải mất nhiều năm, nhưng mô hình mới đã hoàn tất trong đúng 168 giờ (tương đương 1 tuần).
Hệ quả trực tiếp đối với thiết kế tên lửa
Nghiên cứu chỉ ra rằng, trong điều kiện không cân bằng thực tế, cả hiệu suất đốt cháy và lực đẩy thuần đều thấp hơn so với lý thuyết cũ. Các giả định về trạng thái cân bằng truyền thống có thể đã thổi phồng quá mức khả năng vận hành của động cơ.
Trong một trường hợp thử nghiệm sử dụng nhiên liệu hydro, điều kiện không cân bằng đã khiến hiệu suất giảm 8,9% và lực đẩy giảm tới 21,6%.
Bằng cách xác định chính xác những điểm mà các mô hình cũ đã quá lạc quan, phần mềm mới cho phép các kỹ sư tinh chỉnh hệ thống phun nhiên liệu, cấu trúc buồng đốt và hệ thống làm mát. Điều này cuối cùng sẽ dẫn đến việc chế tạo những động cơ không chỉ nhanh hơn mà còn có khả năng bay ổn định và tin cậy hơn.
