Bị nhốt bên trong một đầu đạn kim loại, từ trạng thái đứng yên nó bị gia tốc lên vận tốc gấp nhiều lần tốc độ âm thanh chỉ trong tích tắc. Trong khoảnh khắc đó, áp lực tác động lên nó có thể được ví như việc một con voi đứng lên từng centimet vuông cơ thể con người. Chưa dừng lại ở đó, toàn bộ hành trình còn diễn ra giữa một “cơn bão từ” dữ dội gần như có khả năng thiêu cháy mọi thiết bị điện tử không được bảo vệ.
Đó chính là môi trường hoạt động bên trong pháo điện từ (railgun) – loại vũ khí mà nhiều cường quốc đã theo đuổi suốt nhiều thập kỷ.
Từ lâu, tham vọng lớn nhất của các kỹ sư là tích hợp hệ thống dẫn đường thông minh vào đạn pháo điện từ, cho phép đầu đạn tự điều chỉnh quỹ đạo để tấn công mục tiêu ở khoảng cách hàng trăm kilomet. Tuy nhiên, câu hỏi khiến giới nghiên cứu đau đầu là làm thế nào một con chip điện tử mong manh có thể sống sót dưới gia tốc lên tới 20.000 lần trọng lực Trái Đất, đồng thời chịu được từ trường mạnh gấp khoảng 140.000 lần từ trường tự nhiên của hành tinh.
Theo một nghiên cứu được công bố trên Tạp chí Đại học Trung Bắc (North University of China - NUC) hồi tháng 5, các nhà khoa học Trung Quốc cho biết họ đã tìm ra lời giải.
Trong cuộc bắn thử thực tế bằng pháo điện từ, nguyên mẫu đạn thông minh không chỉ sống sót sau toàn bộ quá trình phóng mà còn ghi lại được dữ liệu của chuyến hành trình.
Nhóm nghiên cứu do Phó Giáo sư Ge Shuangchao dẫn đầu cho biết thử nghiệm đã xác nhận hệ thống có thể hoạt động trong môi trường cực hạn với xung điện kéo dài 8 mili giây, gia tốc quá tải 20.000G và mật độ từ thông lên tới 7 Tesla.
Đại học Trung Bắc được xem là một trong những cơ sở nghiên cứu quốc phòng hàng đầu của Trung Quốc.
Sau khi thu hồi đầu đạn, nhóm nghiên cứu tiến hành kiểm tra toàn bộ kết cấu bảo vệ.
"Kết quả cho thấy lớp vỏ bảo vệ vẫn giữ được tính toàn vẹn kết cấu, không xuất hiện biến dạng đáng kể", các tác giả viết.
Nhóm cũng xác nhận hệ thống đệm giảm chấn nhiều tầng bên trong không bị hư hại. Các cảm biến và mạch điện tử tiếp tục hoạt động bình thường sau khi trải qua quá trình phóng.
Nếu được triển khai thực tế, đạn pháo điện từ siêu vượt âm có thể tấn công mục tiêu cách xa hàng trăm kilomet với chi phí chỉ bằng một phần nhỏ so với tên lửa truyền thống.
Tuy nhiên, ở tốc độ cực cao như vậy, chỉ một sai lệch nhỏ khi rời nòng pháo cũng có thể khiến đầu đạn chệch mục tiêu hàng kilomet.
Đó là lý do con chip dẫn đường đóng vai trò sống còn. Nó phải liên tục điều khiển các cánh lái nhỏ trên đầu đạn, hiệu chỉnh quỹ đạo trong quá trình bay và bảo đảm đầu đạn đánh trúng mục tiêu được chỉ định.
Nếu hệ thống điện tử bị phá hủy ngay trong khoảnh khắc đầu tiên sau khi khai hỏa, toàn bộ vũ khí sẽ chỉ còn là một khối kim loại đắt tiền lao đi vô định.
Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học phải đối mặt với hai mối đe dọa cùng lúc. Thứ nhất là sóng xung kích cơ học khổng lồ sinh ra trong quá trình gia tốc. Thứ hai là từ trường cực mạnh được tạo ra bởi dòng điện khổng lồ dùng để phóng đầu đạn. Từ trường này có thể cảm ứng các dòng điện bất thường bên trong mạch điện tử và phá hủy thiết bị.
Trước đây, Trung Quốc cũng như nhiều quốc gia khác từng công bố các linh kiện điện tử "chịu sốc" hoặc "chống từ trường". Tuy nhiên, theo nhóm nghiên cứu, đây là lần đầu tiên xuất hiện dữ liệu nguồn mở từ một cuộc thử nghiệm pháo điện từ thực tế chứng minh rằng cả hệ thống hoàn chỉnh có thể sống sót sau khi khai hỏa.
Để bảo vệ hệ thống điện tử, nhóm nghiên cứu thiết kế một cấu trúc nhiều lớp giống như chiếc "kén bảo vệ" bao quanh con chip.
Từ ngoài vào trong, cấu trúc này gồm lớp đồng, lớp sắt, lớp polyurethane, lớp hợp kim từ tính đặc biệt mu-metal và cuối cùng là một lớp polyurethane khác nằm sát hệ thống điện tử. Lớp đồng ngoài cùng đóng vai trò tuyến phòng thủ đầu tiên trước xung điện từ, hoạt động tương tự một cột thu lôi. Lớp sắt phía sau tạo thành hàng rào từ tính có khả năng hấp thụ các tác động mạnh.
Nhưng thành phần được đánh giá quan trọng nhất lại là lớp polyurethane. Nó không chỉ đóng vai trò giảm chấn cơ học mà còn tạo ra cái gọi là "lớp không tương thích trở kháng" – chìa khóa giúp vô hiệu hóa phần lớn năng lượng của sóng xung kích.
Khi sóng xung kích phá hủy truyền qua lớp kim loại cứng rồi bất ngờ gặp lớp polyurethane mềm, một phần rất lớn năng lượng sẽ bị phản xạ ngược trở lại thay vì tiếp tục truyền sâu vào bên trong.
Lớp mu-metal tiếp tục hấp thụ phần từ trường còn sót lại, trong khi lớp polyurethane cuối cùng đóng vai trò như một chiếc đệm mềm bảo vệ trực tiếp các linh kiện điện tử.
Để tìm ra cấu trúc tối ưu, nhóm nghiên cứu sử dụng thuật toán di truyền NSGA-II mô phỏng cơ chế chọn lọc tự nhiên. Hệ thống đã thử nghiệm hàng nghìn tổ hợp vật liệu và độ dày khác nhau nhằm tìm ra thiết kế có khả năng chống chịu đồng thời cả xung kích cơ học lẫn xung điện từ.
Kết quả cuối cùng giúp hiệu quả bảo vệ tổng thể tăng tới 71,4%.
Trong cuộc thử nghiệm thực tế, hai thiết kế nguyên mẫu khác đã thất bại. Chỉ có cấu trúc bảo vệ được tối ưu hóa mới vượt qua toàn bộ quá trình phóng.
Trong khi đó, sau nhiều năm đầu tư hàng trăm triệu USD, Mỹ đã dừng chương trình pháo điện từ hải quân do không thể vượt qua các rào cản kỹ thuật để đưa hệ thống vào hoạt động thực chiến.
Nhật Bản hiện cũng đang phát triển pháo điện từ riêng, nhưng đây là thiết kế cỡ nòng nhỏ chủ yếu phục vụ phòng thủ tầm gần. Theo các chuyên gia, loại pháo này không đủ không gian để mang theo nguồn điện lớn và các hệ thống dẫn đường phức tạp cần thiết cho những cuộc tấn công siêu vượt âm tầm xa.
Theo nhận định của nhóm nghiên cứu, kết quả mới cho thấy Trung Quốc đang từng bước đưa pháo điện từ ra khỏi phạm vi phòng thí nghiệm để tiến gần hơn tới khả năng triển khai thực tế trên chiến trường.
Nếu thành công, một loại vũ khí có khả năng phóng đầu đạn dẫn đường ở tốc độ siêu vượt âm trên khoảng cách rất xa có thể tạo ra thách thức lớn đối với tàu sân bay, các căn cứ cố định và thậm chí làm thay đổi đáng kể các học thuyết phòng thủ hải quân, phòng không hiện nay.
Nghiên cứu được thực hiện với sự tham gia của Phòng thí nghiệm Trọng điểm Quốc gia về Công nghệ và Thiết bị Đo lường Động lực Quang điện trong Môi trường Cực hạn thuộc Đại học Trung Bắc, cùng Viện Đổi mới Khoa học và Công nghệ Quốc phòng Trung Quốc.
Theo SCMP
