Thiết bị khí cầu trực thăng được thử nghiệm ở Hòa Lạc (Hà Nội).
Lai ghép giữa khí cầu và rôto
 GS.TSKH Nguyễn Đức Cương. |
| |
GS.TSKH Nguyễn Đức Cương cho biết, khí cầu là loại phương tiện bay nhẹ hơn không khí (dùng khí nhẹ, có thể là khí nóng hoặc khí heli, ít khi dùng hydro vì không an toàn). Khí cầu thường chia làm hai loại: Khí cầu tĩnh (balloon, không có động cơ) và khí cầu bay (airship, có động cơ).
Khí cầu tĩnh có nhược điểm lớn là bay hoàn toàn phụ thuộc gió. Khi gió có vận tốc >3 m/s (12 km/h) là không được phép bay vì có thể mất an toàn. Khí cầu bay thường có dạng khí động học, tốc độ tối đa có thể lên tới hơn 100 km/h tuy nhiên giá lên tới hàng chục triệu USD.
Thời gian gần đây, loại phương tiện bay nhiều rôto/multicopter/flycam được phát triển và sử dụng rộng rãi do chế tạo và điều khiển dễ dàng kể cả cất hạ cánh thẳng đứng và bay treo trong điều kiện có gió. Tuy nhiên, loại phương tiện bay này có nhược điểm là không mang nặng và bay lâu được.
"Chúng tôi nghĩ cách kết hợp hai phương tiện bay trên thành khí cầu trực thăng, lai ghép nhiều rôto. Khí cầu nhẹ hơn, nâng không tốn năng lượng, bay êm, bay lâu, thân thiện môi trường đồng thời tăng khả năng chịu gió, dễ dàng điều khiển bay cả về tư thế và tọa độ tâm khối.
Nhóm các nhà khoa học đã kết nối ba thành phần gồm thân khí cầu, thiết bị nhiều rôto và khoang trọng tải có ích theo sơ đồ 2 con lắc nối tiếp, làm cho thiết bị nhiều rôto (multicopter-MC) bị kéo căng bởi trọng lực của tải có ích và lực nổi của thân khí cầu (lớn gấp nhiều lần lực của MC).
Theo GS.TSKH Nguyễn Đức Cương, sự khác biệt cơ bản của khí cầu trực thăng là ở chỗ thiết bị nhiều rôto và khoang tải có ích được treo dưới thân khí cầu theo sơ đồ 2 con lắc mắc nối tiếp.
Cách ghép nối như vậy (nhờ có các khớp nối) cho phép giảm rất nhiều công suất của các rôto khi điều khiển bay bằng vectơ lực đẩy vì không phải nghiêng ngả cả quả khí cầu và khoang tải có ích.
Thân khí cầu về nguyên lý có thể có hình dạng bất kỳ, tuy nhiên, trong phạm vi bài báo này ta chỉ xét dạng hình cầu. Khí cầu trực thăng có thể có hoặc không người lái.
Trường hợp làm phương tiện quan sát trên cao hoặc chở hàng thì không nhất thiết phải có người lái. Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả dừng lại ở thiết bị khí cầu trực thăng không người lái phục vụ mục đích quan sát trên cao, tìm kiếm cứu nạn, chở hàng…
Khi cất hạ cánh cần tăng/giảm vòng quay của các rôto để tăng/giảm lực và thành phần thẳng đứng. Khí nhẹ (khí hêli) tạo ra lực nổi có thể chiếm tới 95% tổng trọng lượng.
Khi bay bằng, khí cầu trực thăng không có động cơ riêng để bay hành tiến, mà chỉ nhờ vào lực thành phần để thắng lực cản khí động, vì vậy không thể bay nhanh được. Đối với thân khí cầu đường kính 9m thì vận tốc tối đa là 15 km/h (như đi xe đạp).
Nếu lắp thêm đuôi chóp tự lựa thì sẽ giảm hệ số cản khoảng một nửa và tăng tốc độ bay lên gần 30%, cũng có thể tăng thời gian bay tối đa lên gấp đôi. Khả năng chịu gió lớn nhất cũng tăng lên gần gấp rưỡi (gió cấp 5, khoảng 40 km/h), tức là có thể ứng dụng thường xuyên trên biển cho cảnh sát biển hoặc hải quân, cũng có thể phục vụ chuyển phát nhanh (ship hàng).
Muốn khởi nghiệp ở tuổi gần 80
Nghiên cứu thiết bị khí cầu bay tốn khá nhiều tiền. Năm 2018, TSKH Nguyễn Đức Cương và cộng sự đã thực hiện một đề tài khoa học do Liên hiệp các hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam cấp kinh phí là 500 triệu đồng. Đây là nguồn lực để nhóm chế tạo thành công khí cầu trực thăng vào năm 2020.
Sản phẩm được bay thử nghiệm tại Hòa Lạc cho kết quả khả quan. Khí cầu bay có tổng trọng lượng là 65kg, đem theo được vật nặng 20kg và bay ổn định trong điều kiện thời tiết bình thường. Hệ thống được điều khiển từ xa và có thể hoạt động liên tục đến 24 tiếng do gần như không tiêu tốn năng lượng.
Khí cầu trực thăng có thể ứng dụng vào việc gì? GS Nguyễn Đức Cương cho biết, trước mắt, với khí cầu trực thăng không người lái, có thể ứng dụng để giao hàng nhanh do không bị ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết, đường xá. Tuy vậy, khí cầu không thể hạ cánh xuống từng địa chỉ nhà dân, nên vẫn cần sự phối hợp của đội ngũ shipper.
Ví dụ, vận chuyển một món hàng từ Hà Nội đến Điện Biên, khí cầu sẽ được thiết lập vị trí tọa độ để bay đến, hạ cánh xuống một không gian bằng phẳng nào đó như sân vận động. Sau đó shipper sẽ nhận hàng và giao cho khách. "Đây có thể là dịch vụ rất đắt khách trong tương lai", ông Cương hy vọng.
Ngoài ra, với các vùng sạt lở, ngập lũ, không thể vào cứu trợ bằng phương tiện xe cơ giới, có thể sử dụng khí cầu để mang theo nhu yếu phẩm, thức ăn, nước uống… vào cho người dân một cách dễ dàng. Khí cầu trực thăng cũng có thể làm nhiệm vụ quan sát từ trên cao đối với các sự kiện lớn, quan trọng hay phục vụ cho mục đích an ninh quốc phòng.
GS Cương cho biết, để khí cầu có thể chở được người, cần đến khoản đầu tư lớn (gấp khoảng 10 lần) so với khí cầu không người lái. Nếu được đầu tư bài bản giống như các startup khởi nghiệp, ông tin rằng nhóm có thể sáng chế thành công khí cầu bay chở người phục vụ du lịch, giám sát trên không. Khí cầu chở hàng có đường kính khoảng 5 - 6m, nhưng để chở người thì đường kính phải tăng lên khoảng 9m (sức mang có thể lên đến 200kg).
“Tôi mong muốn tìm được các nhà đầu tư rót vốn, giống như các startup, để tiếp tục nghiên cứu sâu hơn thiết bị khí cầu trực thăng. Tuy nhiên, để chở người thì hệ số an toàn phải rất cao, đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt. Đồng nghĩa phải thử nghiệm rất nhiều lần, do đó cũng cần đầu tư lớn”, GS.TSKH Nguyễn Đức Cương nói.
