Thử nghiệm thành công công nghệ tên lửa phóng không cần nhiên liệu

Thông thường, các vụ phóng tên lửa đòi hỏi một lượng lớn nhiên liệu rắn hoặc lỏng để tạo lực đẩy. Tuy nhiên, hướng đi hoàn toàn mới được nghiên cứu đó là tên lửa sử dụng động lực laser, có thể bay mà không cần nhiên liệu nhờ được chiếu xạ liên tục bằng các xung laser.

PGS Masayuki Takahashi và nghiên cứu sinh thời điểm thực hiện đề tài Yuya Hayadate (Trường Sau đại học về Kỹ thuật, Đại học Tohoku), GS Koichi Mori (Trường Sau đại học về Kỹ thuật, Đại học Thành phố Osaka) cùng PGS Akihiro Hayakawa (Viện Khoa học Dòng chảy, Đại học Tohoku) đã thành công trong việc phóng thử nghiệm phương tiện đẩy laser đa parabol do nhóm tự phát triển.

Bằng cách chiếu lặp lại các xung laser, tên lửa đã bay tự do lên tới 110 mm, gấp khoảng 7 lần chiều dài toàn bộ của tên lửa (15 mm).

Đặc biệt, để duy trì chuyến bay ổn định, nhóm nghiên cứu còn phát triển hệ thống theo dõi laser có khả năng phát hiện chuyển động của tên lửa theo thời gian thực và điều chỉnh vị trí chiếu xạ, qua đó lần đầu tiên chứng minh được khả năng tạo lực đẩy liên tục.

Sự thành công của thí nghiệm đã đánh dấu bước tiến quan trọng hướng tới hiện thực hóa công nghệ phóng tên lửa bằng laser. Nghiên cứu này đã được công bố trên Tạp chí Scientific Reports.

Cơ chế đẩy bằng laser

Trong công nghệ này, tia laser từ trạm mặt đất được chiếu vào một gương parabol gắn trên thân tên lửa. Khi ánh sáng hội tụ, không khí tại tiêu điểm bị ion hóa thành plasma.

Plasma tiếp tục hấp thụ năng lượng laser, nóng lên và truyền nhiệt nhanh vào môi trường xung quanh, tạo ra sóng xung kích đẩy thân tên lửa đi, sinh ra lực đẩy.

Ước tính cho thấy, ngay cả khi tính cả chi phí xây dựng trạm laser ban đầu, chi phí phóng có thể giảm xuống còn 1/4 so với phương pháp truyền thống. Nếu công nghệ này được ứng dụng, du hành vũ trụ có thể trở nên dễ tiếp cận hơn.

Bài toán ổn định bay

Một thách thức lớn trong ứng dụng thực tế là tên lửa dễ lệch khỏi trục laser, khiến chuyến bay khó duy trì ổn định. Trước đây, nhóm nghiên cứu chủ yếu tiến hành thí nghiệm mô phỏng số. Lần này, họ thực hiện thí nghiệm phóng để kiểm chứng khả năng kiểm soát thụ động - tức tên lửa có thể tự quay lại trục laser khi bị lệch - đồng thời phát triển hệ thống điều khiển chủ động theo dõi chuyển động của tên lửa và điều chỉnh vị trí chiếu laser.

Ở chế độ thụ động, thân tên lửa được thiết kế đặc biệt: một gương dạng miệng phun - spike nozzle gắn trên thân chính, giúp laser chiếu vào thân được hội tụ thành một vòng tròn. Bên ngoài vòng này là một vành chắn (cowl).

Khi tên lửa lệch khỏi trục laser, tia laser tập trung lệch bên trong vành chắn, khiến sóng xung kích sinh ra cũng mất cân bằng. Lực đẩy bất đối xứng này kéo tên lửa tự trở về trục trung tâm, nhờ đó duy trì đường bay mà không cần điều khiển chủ động.

Ngoài ra, một gương parabol được đặt dọc trục tên lửa. Khi trục bị nghiêng so với tia laser, vị trí hội tụ trong gương thay đổi, tạo sóng xung kích ngược chiều sai lệch, giúp hiệu chỉnh hướng bay. Với sự kết hợp này, tên lửa được gọi là “phương tiện đẩy laser đa parabol”.

Kết quả thí nghiệm

Trong thí nghiệm bay tự do trong phòng thí nghiệm, nhóm nghiên cứu đã chiếu laser xung (công suất khoảng 5 J, tần số lặp 50 Hz) theo phương thẳng đứng, giúp một tên lửa nặng khoảng 2 g bay lên đến 110 mm. Quan sát cho thấy, tên lửa tự động quay lại trục laser, chứng minh khả năng kiểm soát thụ động. Cảnh tượng chuyến bay được mô tả “giống như một UFO nhẹ nhàng cất lên”.

Tuy nhiên, kiểm soát thụ động không đủ để bảo đảm chuyến bay ổn định trong thời gian dài. Vì vậy, nhóm nghiên cứu đã phát triển thêm hệ thống theo dõi laser chủ động. Thay vì sử dụng bay tự do, họ gắn tên lửa vào cánh tay robot, mô phỏng chuyển động như khi bay. Hệ thống camera stereo ghi nhận vị trí và vận tốc thiết bị theo thời gian thực, dữ liệu này được gửi tới bộ quét laser gồm động cơ, gương và bộ truyền động dạng dây đai để điều chỉnh vị trí chiếu laser phù hợp với chuyển động của thiết bị.

Lần đầu tiên trên thế giới, các nhà nghiên cứu Nhật Bản chứng minh có thể theo dõi tia laser với độ chính xác đủ cao và duy trì liên tục bằng việc tạo sóng xung kích cũng như lực đẩy ở tốc độ bay dự kiến trong điều kiện bay tự do.

Trong thí nghiệm này, chuyến bay dài nhất kéo dài khoảng 0,26 giây. Sắp tới, nhóm nghiên cứu dự định kết hợp hệ thống theo dõi laser vào thử nghiệm phóng để kiểm chứng khả năng duy trì chuyến bay ổn định trong toàn bộ quá trình. Mục tiêu cuối cùng là sử dụng laser xung công suất cao, tần số lặp lớn, để đưa tên lửa vượt ra ngoài khí quyển, lên độ cao trên 100 km./.