Vượt qua "rào cản thần thánh", đường sắt Trung Quốc làm được kỳ tích mà Mỹ mất hàng chục năm vẫn thất bại

Một hệ thống đường ray có khả năng tăng tốc các vật nặng vượt tốc độ âm thanh bằng lực điện từ thuần túy đã hoạt động tại thành phố Tế Nam, miền đông Trung Quốc, hơn hai năm nay.

Nhưng một trong những bí ẩn lớn nhất vẫn còn đó: làm thế nào nó duy trì được khả năng kiểm soát?

Vào năm 2023, hệ thống "xe trượt điện từ" của Trung Quốc đã trở thành bệ phóng điện từ quy mô lớn đầu tiên trên thế giới phá vỡ rào cản âm thanh. Trong các đợt chạy thử nghiệm ban đầu, hệ thống này đã gia tốc cho các phương tiện thử nghiệm nặng một tấn đạt vận tốc vượt quá Mach 1.

Theo một báo cáo từ tờ South China Morning Post (SCMP), với việc hệ thống này đã đi vào hoạt động tại thành phố Tế Nam (miền đông Trung Quốc) được hơn hai năm, các nhà khoa học mới đây đã cung cấp những cái nhìn chi tiết về các công nghệ cốt lõi giúp hiện thực hóa thành tựu này.

Rào cản từ tiếng nổ siêu thanh

Với hệ thống đường ray điện từ mới, các kỹ sư đã vượt qua một rào cản dai dẳng đối với hiệu suất hoạt động siêu thanh ổn định. Cụ thể, báo cáo của SCMP chỉ ra rằng tiếng nổ siêu thanh mà xe trượt điện từ của Trung Quốc tạo ra ở mặt đất có sức công phá đủ lớn để phá hủy các cảm biến truyền thống. Ở tốc độ siêu thanh, vấn đề này trở nên cực kỳ nan giải. Ngay cả một tính toán sai lệch nhỏ do thiếu dữ liệu cũng có thể dẫn đến thảm họa.

"Khi các động cơ cảm ứng tuyến tính hoạt động ở tốc độ siêu thanh — khoảng 340 m/s ở độ cao dưới 100 mét và nhiệt độ dưới 30 độ C — các lực khí động học bất ổn định do sóng xung kích gây ra có thể tạo ra những nhiễu loạn nghiêm trọng cho vật thể chuyển động", các nhà khoa học viết trong bài nghiên cứu. "Sự gián đoạn này có thể can thiệp vào các thiết bị cảm biến tốc độ và vị trí, cuối cùng dẫn đến thất bại trong việc kiểm soát tốc độ động cơ."

Mới đây, trong một bài báo được công bố trên Transactions of China Electrotechnical Society (Tạp chí Giao dịch của Hiệp hội Kỹ thuật Điện Trung Quốc), nhóm nghiên cứu dẫn đầu bởi Xu Fei từ Viện Kỹ thuật Điện thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã mô tả một phương pháp ước tính tốc độ không cần cảm biến mới dành cho các hệ thống phóng điện từ siêu thanh. Theo nhóm nghiên cứu, phương pháp tiếp cận không cảm biến này chính là chìa khóa giúp xe trượt điện từ vận hành an toàn.

Hiện thực hóa giấc mơ phóng điện từ siêu thanh

Trong khi các cường quốc như Hoa Kỳ và Liên Xô cũ đã dành hàng thập kỷ nỗ lực để chinh phục thách thức về phóng điện từ siêu thanh đáng tin cậy, những cố gắng của họ cuối cùng đều không đạt được kết quả như mong đợi.

Để dễ hình dung, Hệ thống Phóng Máy bay Điện từ (EMALS) được triển khai trên các tàu sân bay của Hải quân Mỹ như chiếc USS Gerald R. Ford chỉ đẩy máy bay đạt tốc độ khoảng 78 m/s — thấp hơn rất nhiều so với ngưỡng siêu thanh. Các phương pháp tiếp cận thông thường để cải thiện tốc độ thường tập trung vào việc lắp đặt thêm phần cứng, chẳng hạn như các cảm biến bên ngoài. Tuy nhiên, các thành phần này lại tỏ ra quá mỏng manh trước những điều kiện khắc nghiệt, bao gồm sóng xung kích cường độ cao và nhiễu động khí động học ở độ cao thấp.

Đội ngũ kỹ sư Trung Quốc đã theo đuổi một chiến lược khác biệt. Thay vì dựa vào các thiết bị ngoại vi dễ hư hỏng, họ đã thiết kế một kỹ thuật không cảm biến, cho phép hệ thống xe trượt thu thập thông tin tốc độ trực tiếp từ những biến thiên tinh tế trong tín hiệu điện của chính các cuộn dây năng lượng phân đoạn trên đường ray.

Khi xe trượt gia tốc dọc theo đường ray, nó sẽ lần lượt kích hoạt các cuộn dây điện từ kế tiếp nhau. Một điều ấn tượng là các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng những dao động điện áp cực nhỏ và tức thời trong các phân đoạn này lại chứa đựng dữ liệu vận tốc chính xác. Họ đã phát triển một thuật toán để tổng hợp các chỉ số từ nhiều cuộn dây lân cận, lọc bỏ nhiễu do va chạm và các biến dạng tín hiệu, đồng thời thực hiện tự hiệu chuẩn trong thời gian thực.

Phương pháp này tạo ra hai ước tính tốc độ độc lập từ các góc độ điện học khác nhau, sau đó tính toán trọng số và kết hợp chúng một cách thông minh để đạt độ chính xác tối ưu. Trong các thử nghiệm thực tế, các nhà khoa học đã đạt được khả năng theo dõi tốc độ với sai số chỉ trong khoảng 1,1% ở vận tốc lên tới 370 m/s — mức đủ để đảm bảo kiểm soát ổn định ở chế độ siêu thanh.

Bên cạnh hệ thống xe trượt đệm từ đầu tiên trên thế giới này, cơ sở tại Tế Nam do Viện Kỹ thuật Điện thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc vận hành còn hỗ trợ các tiến bộ trong lĩnh vực bay siêu vượt âm, vật liệu hàng không vũ trụ thế hệ mới và các hệ thống phóng không gian tiên tiến.