Bí mật khí động học giúp tàu cao tốc Velaro Novo đạt tốc độ 350 km/h

Để đạt tốc độ như vậy, khí động học trở thành một trong những bài toán quyết định hiệu suất của tàu cao tốc. Nhưng theo tiến sĩ Martin Krause, kỹ sư trưởng về kiến trúc tàu và chuyên gia cơ học, khí động học của tàu còn phức tạp hơn máy bay ở một điểm đặc biệt: đoàn tàu phải vận hành theo cả hai chiều.

Trên Velaro Novo, Siemens đã thay đổi hàng loạt chi tiết từ đầu tàu, thiết bị trên nóc đến cụm giá chuyển hướng, qua đó giảm hơn 30% lực cản khí động học so với các sản phẩm trước đây.

Tàu cao tốc có khí động học lại phức tạp hơn máy bay

Với bằng tiến sĩ về kĩ thuật hàng không vũ trụ, Martin Krause có nền tảng tưởng như phù hợp hơn với máy bay hoặc tên lửa. Tuy nhiên, sau khi tham gia các dự án Velaro D, Velaro RUS và Desiro RUS, ông tiếp tục gắn bó với tàu cao tốc và trở thành một trong những kỹ sư chủ chốt của nền tảng Velaro Novo.

Điều thú vị là chính Krause từng cho rằng tàu cao tốc có phần “nhàm chán” so với lĩnh vực hàng không. Tốc độ 300-400 km/h rõ ràng thấp hơn so với tốc độ của máy bay. Nhưng suy nghĩ đó thay đổi khi ông thực sự đi sâu vào bài toán khí động học của tàu.

Theo Krause, khí động học của tàu cao tốc phức tạp hơn nhiều so với những gì người ta có thể hình dung. Một trong những nguyên nhân quan trọng nhất nằm ở khả năng vận hành hai chiều.

Máy bay có phần đầu và đuôi được thiết kế theo những chức năng khí động học khác nhau. Một chiếc máy bay không được thiết kế để bay ngược lại bằng cách đổi chiều toàn bộ thân máy bay. Trong khi đó, tàu cao tốc phải có khả năng chạy theo cả hai hướng.

Điều đó khiến mọi giải pháp khí động học phải được đánh giá từ cả hai phía. Nếu chỉ tối ưu phần đầu theo hướng chuyển động, một đoàn tàu có thể đạt hiệu quả rất tốt khi chạy tiến nhưng lại chịu lực cản lớn khi chạy theo chiều ngược lại. Krause cho biết có trường hợp sự khác biệt về dòng khí có thể khiến đoàn tàu khi chạy ngược chịu tác động bất lợi lớn hơn nhiều so với lợi ích đạt được khi chạy xuôi.

Vì vậy, mỗi thay đổi về hình dạng, góc nghiêng hay bề mặt đều phải được tính toán trong nhiều tình huống vận hành khác nhau. Đây là một trong những lí do Siemens phải dành sự chú ý đặc biệt cho khí động học trên Velaro Novo - không chỉ để đoàn tàu đạt tốc độ cao mà còn để giảm năng lượng cần thiết cho mỗi hành trình.

'Tàu cao tốc khó làm gấp 5 gấp 10 ô tô, nhưng là chất xúc tác để công nghiệp Việt đi lên'

Nhật thử nghiệm nhân viên AI phục vụ du khách trên tàu cao tốc

“Đóng kín” những điểm gây lực cản

Một đoàn tàu cao tốc không phải là một khối liền mạch. Bên ngoài nó tồn tại rất nhiều chi tiết có thể phá vỡ dòng khí: giá chuyển hướng, khoảng trống giữa các toa, thiết bị trên nóc, hệ thống điện và các kết cấu kĩ thuật khác.

Ở tốc độ cao, những chi tiết này tạo ra lực cản đáng kể. Theo Krause, trên những thế hệ tàu trước, các giá chuyển hướng thường lộ ra bên ngoài, trong khi khu vực nối giữa các toa tạo thành những khoảng rỗng khiến dòng khí bị xáo trộn. Velaro Novo được phát triển theo hướng xử lí đồng thời tất cả những điểm yếu này.

Kết quả, Siemens cho biết hiệu quả khí động học của Velaro Novo được cải thiện hơn 30% so với các sản phẩm trước đây. Một trong những thay đổi đáng chú ý nằm trên nóc tàu. Trước đây, các thiết bị điện cao áp và bộ phận cách điện phải để lộ do những yêu cầu về khoảng cách an toàn điện. Điều đó khiến việc tạo ra một bề mặt khí động học liền mạch gần như không thể.

Nhưng công nghệ mới cho phép Siemens giảm đáng kể số lượng thiết bị phải để lộ ra ngoài. Bộ phận vẫn cần nhô lên là cần lấy điện - pantograph - được đưa vào một khoang lõm trên nóc tàu thay vì nằm trên một bề mặt mở rộng như trước. Chỉ riêng giải pháp này đã giúp giảm khoảng 8% lực cản khí động học, theo Krause.

Tuy nhiên, bước đột phá lớn hơn nằm ở cụm giá chuyển hướng. Đây vốn là một trong những bộ phận khó xử lí nhất về khí động học bởi nó phải đảm nhiệm nhiệm vụ cơ học quan trọng, đồng thời phải nằm trong giới hạn kích thước nghiêm ngặt của phương tiện đường sắt.

Trên Velaro Novo, Siemens phát triển giải pháp bao kín hoàn toàn giá chuyển hướng, kết hợp với thiết kế ổ trục phía trong. Theo Krause, đây là một giải pháp chưa từng xuất hiện trên tàu cao tốc ở quy mô tương tự trước đó. Kết quả là lực cản khí động học tại khu vực này giảm khoảng 15%.

Nếu cộng các cải tiến tại nhiều khu vực khác nhau, hiệu quả tổng thể tạo nên mức cải thiện hơn 30% so với các sản phẩm trước. Đây là điểm quan trọng để hiểu về Velaro Novo: tiết kiệm năng lượng không chỉ đến từ động cơ hoặc hệ thống điện. Khi đoàn tàu chạy ở tốc độ rất cao, việc giảm lực cản của không khí cũng trực tiếp làm giảm năng lượng cần thiết để duy trì vận tốc.

Từng milimet đều phải được tính toán

Những cải tiến khí động học nghe có vẻ đơn giản trên giấy nhưng lại là một bài toán cực kì khó khi đặt trong giới hạn kĩ thuật của đường sắt. Krause cho biết nhóm phát triển từng nhiều lần nghĩ tới việc bao kín giá chuyển hướng nhưng thất bại vì không thể đáp ứng khổ giới hạn phương tiện đường sắt châu Âu.

Vấn đề nằm ở cách giá chuyển hướng chuyển động khi đoàn tàu vào đường cong. Nếu phần vỏ bao được gắn vào thân toa, giá chuyển hướng phải nằm trong phạm vi hình học của thân tàu. Điều đó đồng nghĩa giá chuyển hướng phải hẹp hơn đáng kể để dành chỗ cho lớp vỏ khí động học.

Trong quá trình phát triển Velaro Novo, các kỹ sư phải tính toán đến từng milimet, thậm chí từng nửa milimet. Đó cũng là tinh thần xuyên suốt dự án: không coi những giới hạn kĩ thuật hiện tại là lí do để giữ nguyên thiết kế cũ.

Ở phần đầu tàu, bài toán thậm chí phức tạp hơn khi phải dung hòa nhiều yêu cầu cùng lúc. Chuyên gia khí động học cần giảm lực cản; kỹ sư kết cấu phải bảo đảm an toàn; chuyên gia thiết kế va chạm phải tính toán khả năng hấp thụ năng lượng; trong khi nhà thiết kế công nghiệp lại phải tạo ra một diện mạo đủ hấp dẫn.

Krause kể rằng ban đầu, nhà thiết kế không hài lòng với phần đầu tàu vì nó tạo cảm giác quá “buồn”. Thiết kế cửa che bộ phận nối tàu sau đó được điều chỉnh để tạo cảm giác giống như một nụ cười. Nhưng phía sau vẻ ngoài đó là hàng loạt tính toán khí động học về góc nghiêng, các phần lồi, cạnh và hình dạng bề mặt.

Cuối cùng, hình dáng đầu tàu được quyết định bởi cả một nhóm thay vì một cá nhân. Điều này cho thấy một trong những điểm đặc biệt của Velaro Novo không nằm ở một phát minh đơn lẻ mà ở cách Siemens kết hợp nhiều lĩnh vực kĩ thuật để giải quyết cùng một bài toán.

Krause cho biết nhóm phát triển liên tục đặt câu hỏi với những thứ vốn được xem là hiển nhiên: “Đó là cách chúng ta vẫn làm” không còn được coi là câu trả lời đủ thuyết phục.

Mỗi bộ phận đều được xem xét lại, sau đó các kỹ sư cân nhắc phương án A, B hay thậm chí C. Giải pháp nào mang lại lợi ích lớn nhưng rủi ro chấp nhận được thì được thử nghiệm; những gì chưa đủ chắc chắn vẫn được giữ theo phương pháp đã chứng minh hiệu quả.

Tinh thần đó tạo nên điều Krause gọi là việc “đưa cái mới vào nhưng không đánh mất cái cũ”. Sau nhiều năm phát triển, ông cho rằng Velaro Novo đã vượt qua những giới hạn từng được xem là không thể vượt qua.

Những gì trước đây được cho là bất khả thi về mặt vật lí hoặc kĩ thuật nay đã được đưa vào một đoàn tàu thực tế. Từ việc bao kín giá chuyển hướng, tối ưu thiết bị trên nóc đến thiết kế phần đầu và kiểm soát dòng khí quanh toàn bộ thân tàu, Siemens đã biến khí động học thành một trong những nền tảng quan trọng để nâng cao hiệu suất Velaro Novo.

Với Việt Nam, nơi các dự án đường sắt tốc độ cao đang đặt ra yêu cầu ngày càng lớn về tốc độ, hiệu quả năng lượng và chi phí vận hành, câu chuyện khí động học của Velaro Novo cho thấy một thực tế: khi tốc độ tăng lên, từng chi tiết nhỏ của đoàn tàu đều trở nên quan trọng.

Ở 350 km/h, một thiết bị nhô ra trên nóc, một khoảng trống giữa hai toa hay một giá chuyển hướng không được che chắn không còn chỉ là vấn đề về hình thức. Chúng trở thành lực cản trực tiếp đối với hiệu suất của cả đoàn tàu.

Và đó cũng là lí do cuộc đua tàu cao tốc không chỉ là cuộc đua về công suất hay tốc độ tối đa. Đó còn là cuộc đua để kiểm soát luồng không khí bao quanh đoàn tàu đến từng milimet.

Bùi Tú