Máy bay trước những "ổ gà trên không"

Dưới tác động của biến đổi khí hậu, bầu trời dường như đang trở nên "gập ghềnh" hơn, nguy hiểm hơn với nhiễu động không khí ngày càng tăng về tần suất lẫn cường độ. Các công nghệ tiên tiến được kỳ vọng có thể "làm phẳng" những cái "ổ gà trên không" này.

Theo nghiên cứu của giáo sư khí tượng học Paul Williams (Đại học Reading), số trường hợp nhiễu động trời trong (Clear Air Turbulence - CAT) vô hình trước vệ tinh, radar và mắt thường, đã tăng 55% kể từ năm 1979, thời điểm bắt đầu có số liệu khí tượng đáng tin cậy. 

Dự báo đến những năm 2050, hiện tượng này sẽ tăng gấp ba lần trên toàn cầu, tác động mạnh đến các tuyến bay qua Đông Á và Bắc Đại Tây Dương. Các báo cáo an toàn thường niên của Tổ chức Hàng không dân dụng quốc tế (ICAO) cũng xác nhận xu hướng đáng lo này. 

ICAO đánh giá nhiễu động là một yếu tố góp phần chính trong các sự cố dẫn đến "mất kiểm soát trong khi bay" (LOC-I), một trong những rủi ro hàng đầu trong an toàn hàng không.

Theo Hiệp hội Vận tải hàng không quốc tế (IATA), mỗi năm chỉ riêng tại Hoa Kỳ có khoảng 65.000 chuyến bay gặp nhiễu động ở mức độ trung bình và khoảng 5.500 chuyến bay gặp nhiễu động nghiêm trọng.

Thông qua Turbulence Aware - một nền tảng số dùng chung mà IATA sử dụng để cung cấp cho các hãng hàng không và phi công một bản đồ số liệu nhiễu động toàn cầu theo thời gian thực - các hãng hàng không tham gia đã gửi về 51,8 triệu báo cáo về nhiễu động trong năm 2024, tăng 35% so với năm 2023.

Nhiễu động không khí ngày càng gia tăng do biến đổi khí hậu do con người gây ra. Công nghệ cung cấp giải pháp, nhưng chưa thật sự toàn diện.

Muốn "nhìn xa" phải "vác nặng"

Điều đầu tiên mà công nghệ tiên tiến có thể giúp ngành hàng không là tạo ra một "thiên lý nhãn", có thể nhìn xa và phát hiện các vùng nhiễu động vô hình từ sớm. LIDAR (Light Detection and Ranging) - một hệ thống có thể phát hiện các vùng nhiễu động và đo khoảng cách từ xa bằng tia laser - là một công cụ như thế.

Không giống như radar thời tiết thông thường vốn phụ thuộc vào độ ẩm hoặc các hạt vật chất, LIDAR có thể phát hiện ra loại nhiễu nguy hiểm nhất (CAT) ngay cả trong điều kiện trời quang. 

Hệ thống này hoạt động bằng cách phát ra các xung laser và phân tích ánh sáng tán xạ ngược từ các hạt khí dung hoặc các phân tử không khí để đo lường sự thay đổi trong luồng không khí, mật độ hoặc tốc độ gió. Chúng giúp phi công phát hiện trước các vùng nhiễu động vô hình.

Ngoài ra, các biến thể của LIDAR như Coherent Doppler LIDAR trong dự án của NASA và Cơ quan Thám hiểm hàng không vũ trụ Nhật Bản (JAXA) có thể phát hiện nhiễu động ở khoảng cách 17,5km, giúp phi công có hơn một phút cảnh báo. 

Dự án DELICAT của Cơ quan An toàn hàng không châu Âu (EASA) cũng dùng laser UV công suất cao để đo biến động mật độ phân tử không khí, phát hiện nhiễu động từ 10 - 15km mà không phụ thuộc vào nồng độ khí dung.

Dù mức giá để trang bị LIDAR cho mỗi máy bay không rẻ, có thể lên tới hàng chục ngàn, thậm chí cả triệu đô la Mỹ, nhược điểm thật sự của hệ thống này là nó quá nặng. Với trọng lượng từ 50 - 100kg, việc triển khai quả thực là một thách thức cho các hãng hàng không trong bối cảnh từng cân nặng và không gian trên một tàu bay thương mại đều quý hơn "vàng".

Kho dữ liệu chung thiếu người "góp vốn"

Trước đây, cường độ nhiễu loạn thường được báo cáo một cách chủ quan - ví dụ "nhẹ", "vừa", "nặng" - tùy thuộc loại máy bay, kinh nghiệm của phi công và cảm nhận cá nhân. Vấn đề là một nhiễu động được coi là "nhẹ" với máy bay A380 có thể sẽ là "nặng" với dòng máy bay phản lực nhỏ hơn.

Giải quyết tính chủ quan trong đánh giá, ICAO đo lường trạng thái nhiễu động của bầu khí quyển bằng chỉ số chính thức EDR (Eddy Dissipation Rate - tỉ lệ tiêu tán năng lượng xoáy), một giá trị khách quan không phụ thuộc vào yếu tố con người và loại máy bay.

Hệ thống Turbulence Aware - một sáng kiến toàn cầu, được IATA khởi xướng năm 2018 - sẽ thu thập dữ liệu EDR từ hàng nghìn chuyến bay, từ đó có thể tạo ra một bức tranh thời gian thực chính xác hơn về các khu vực có nhiễu động và cường độ của chúng. Nhờ đó, phi công có thể điều chỉnh độ cao hoặc lộ trình chính xác hơn, giảm rung lắc, tối ưu hiệu suất bay và nâng cao sự thoải mái cho hành khách.

Để đóng góp dữ liệu cho Turbulence Aware, mỗi máy bay sẽ cài đặt một phần mềm đơn giản để tự động tính toán giá trị của cường độ nhiễu loạn khí quyển, rồi truyền chúng tới các máy chủ mặt đất để xử lý; trung tâm này sẽ gửi lại dữ liệu nhiễu động gần nhất theo thời gian thực cho phi công có tham gia hệ thống.

Có thể hình dung Turbulence Aware như một nền tảng gọi xe công nghệ: phải có nhiều "tài xế" tham gia thì mới có dữ liệu dùng chung đủ nhiều và đủ chất lượng, giúp các bên liên quan đều hưởng lợi. 

Tuy nhiên, dù số hãng hàng không và máy bay tham gia đã tăng đáng kể, giúp tạo ra hàng chục triệu báo cáo nhiễu loạn mỗi năm, Turbulence Aware vẫn đang "thiếu tài xế" - hiện chỉ 25/290 hãng thuộc IATA chia sẻ dữ liệu, chưa tới 10%.

AI kết nối sức mạnh công nghệ

Thiệt hại do nhiễu động không khí gây ra cho hàng không Mỹ có thể lên tới 500 triệu đô la mỗi năm. 

Vì vậy, Cục Hàng không liên bang Hoa Kỳ (FAA) đã phối hợp với Trung tâm Nghiên cứu khí quyển quốc gia (NCAR) phát triển một sản phẩm "nowcast" (dự báo cực ngắn) về nhiễu động để hỗ trợ các phi công có thể tránh được các nhiễu động này hiệu quả hơn. 

Sử dụng các mô hình machine learning, công ty SkyPath có thể xử lý hơn 100 thông số khí tượng cùng dữ liệu cảm biến để dự báo về nhiễu động trời trong với độ phân giải cao và cập nhật hàng giờ liên tục.

Trí tuệ nhân tạo (AI) không được ứng dụng ở một công nghệ cụ thể nào mà có vai trò kết nối sức mạnh của các công nghệ khác nhau. 

Bức tranh hoàn chỉnh (và hoàn hảo về mặt lý thuyết) sẽ thế này: Một phi công nhận được cảnh báo nhiễu động từ LIDAR, hệ thống trên máy bay tự động tạo báo cáo EDR và gửi đến nền tảng IATA; hàng nghìn máy bay khác cũng đang làm điều tương tự. 

Một mô hình AI sẽ tiếp nhận luồng dữ liệu EDR thời gian thực khổng lồ này, cùng với dữ liệu vệ tinh và radar, để tạo ra một bản "nowcast" chính xác hơn nhiều so với các dự báo thông thường chỉ dựa trên dữ liệu cũ và thưa thớt. Dự báo tinh chỉnh này sau đó được truyền lại cho tất cả các máy bay.

Quá trình này tạo ra một hệ thống hiệu quả mà ở đó, dữ liệu riêng lẻ đều được xử lý, cộng hưởng và tinh chỉnh để chính xác hơn rất nhiều. Đội bay toàn cầu, từ những dữ liệu riêng lẻ, đã trở thành một tập hợp dữ liệu khổng lồ, khoa học và hiệu quả. Đó là mục tiêu mà ngành hàng không đang phấn đấu mỗi ngày để đạt được.

Theo quan điểm của người viết, các công nghệ dù thực sự đỉnh cao và xuất sắc như LIDAR, AI, nền tảng của IATA, hay giải pháp cánh phụ nhỏ (xem box) cuối cùng có lẽ vẫn chỉ là những phương pháp dự báo và điều trị một triệu chứng - nhiễu động không khí - chứ không phải là một phương thuốc chữa trị nguyên nhân gốc rễ, ở đây là nhiễu động nội tâm của con người.

Biết đâu sự hỗn loạn ngày càng tăng, sự gia tăng nhiễu động không khí trong bầu khí quyển hành tinh lại chẳng là một biểu hiện vật lý và tổng hợp của sự bất ổn tâm lý và tình cảm ngày càng mạnh mẽ của mỗi con người? 

Trong xã hội ngày nay, sự lo lắng, ham muốn vô độ, xung đột và đánh mất những giá trị nhân bản của con người đã thúc đẩy các hoạt động của con người hướng tới những giá trị tức thời và sự phát triển nóng, cạnh tranh không bền vững và từ đó phá hoại môi trường của chúng ta, làm gia tăng ảnh hưởng của quá trình biến đổi khí hậu. 

Và kể từ thời điểm đó, thời tiết thường xuyên trở nên khắc nghiệt hơn trên toàn cầu, bao gồm cả chính những hiện tượng nhiễu động không khí gia tăng ảnh hưởng tới an toàn bay.

Các công nghệ tăng phát hiện, cảnh báo sớm nhiễu động không khí trong ngành hàng không dường như chỉ là một liều thuốc an thần trong một thế giới luôn tiềm ẩn và xuất hiện những xung đột phức tạp. 

Con người cần tìm được cách để hòa hợp với thiên nhiên, từ đó khắc phục sự mất cân bằng của hành tinh, rồi chữa lành sự nhiễu động của không khí từ gốc rễ của nó.

Cảm hứng từ loài chim

Hệ thống triệt tiêu nhiễu động (Turbulence Cancelling System - TCS) do công ty Turbulence Solutions của Áo phát triển lấy cảm hứng từ cách các loài chim điều chỉnh lông vũ để giữ ổn định khi bay.

Hệ thống TCS sẽ thêm các "cánh phụ nhỏ" (flaplet) cực kỳ linh hoạt vào cạnh sau của các bề mặt điều khiển hiện có trên cánh máy bay. Khi các cảm biến ở cạnh trước của cánh máy bay phát hiện sự thay đổi áp suất từ các luồng gió nhiễu động sắp tới, dữ liệu này được xử lý trong thời gian thực để ra lệnh cho các "cánh phụ nhỏ" này thực hiện các chuyển động ngược chiều nhỏ và nhanh, triệt tiêu các tác động sinh ra do nhiễu động không khí trước khi chúng tác động đáng kể tới thân của máy bay.

Các cuộc thử nghiệm trên nguyên mẫu có người lái của một máy bay hạng nhẹ cho thấy sự giảm thiểu gia tốc thẳng đứng do nhiễu động không khí gây ra lên tới hơn 80%. Một lợi thế quan trọng khác là công nghệ này có thể được trang bị thêm cho các máy bay hiện có mà không cần thiết kế lại toàn bộ cánh, vì các cảm biến và cánh phụ nhỏ này có thể được tích hợp vào các cánh tà hiện có.

Tuy nhiên công nghệ này hiện tại mới chỉ triển khai trong thực nghiệm và chưa được hãng hàng không nào sử dụng.