Nhảy từ tầng bình lưu: Kittinger, Baumgartner và Eustace rơi thế nào

Ba cú nhảy từ tầng bình lưu nổi tiếng nhất là của Joseph Kittinger (31,3 km, ngày 16/8/1960), Felix Baumgartner (khoảng 39 km, ngày 14/10/2012, lần đầu một người rơi tự do vượt tốc độ âm thanh) và Alan Eustace (khoảng 41,4 km, ngày 24/10/2014). Cả ba đều phải mặc bộ đồ điều áp, vì ở độ cao đó áp suất chỉ còn khoảng 1% mặt đất — loãng tới mức máu người sẽ sôi ở thân nhiệt nếu không được bảo vệ. Những cú nhảy này vừa là kỷ lục, vừa là thí nghiệm về cách cơ thể và vật rơi đi qua các lớp khí quyển.

Ở 30–40 km khí quyển trông như thế nào

Ba cú nhảy đều bắt đầu trong tầng bình lưu, phía trên khoảng 99% khối lượng khí quyển (99% nằm dưới khoảng 30–32 km). Ở đó:

• Áp suất chỉ còn khoảng 10 hPa ở 31 km và khoảng 2,5–3,5 hPa ở 39–41 km, so với 1013,25 hPa ở mực nước biển.
• Nhiệt độ khoảng −40 tới −60 °C, tuỳ độ cao và mùa.
• Bầu trời gần như đen giữa ban ngày, đường chân trời cong thấy rõ.
• Không có hơi nước, không có mây thường.

Mốc sinh lý quan trọng là giới hạn Armstrong, ở khoảng 18–19 km: áp suất tại đây thấp tới mức nước sôi ở 37 °C. Trên độ cao này, nếu không có bộ đồ điều áp, nước bọt và nước mắt sôi lên, các mô cơ thể phồng do hơi nước tạo thành bên trong (hiện tượng ebullism). Người không bảo vệ chỉ còn tỉnh táo khoảng 10–15 giây. Vì vậy bộ đồ của người nhảy thực chất là một con tàu vũ trụ hình người.

Joseph Kittinger và Dự án Excelsior (1959–1960)

Cuối thập niên 1950, Không quân Mỹ cần biết phi công có sống sót được không nếu phải nhảy dù từ máy bay bay rất cao. Vấn đề lớn nhất là xoay tròn: một người rơi trong không khí loãng dễ bị cuốn vào vòng xoáy phẳng tới hơn 100 vòng mỗi phút và bất tỉnh. Dự án Excelsior thử nghiệm một dù hãm nhỏ nhiều tầng, mở sớm để giữ người rơi ổn định.

Đại uý Joseph Kittinger thực hiện ba lần nhảy từ khí cầu có khoang hở:

Trong chuyến Excelsior III, găng tay điều áp bên phải của Kittinger bị hỏng khi đang bay lên. Ông không báo về mặt đất vì sợ chuyến bay bị huỷ. Bàn tay phải sưng to và đau dữ dội ở áp suất thấp, rồi trở lại bình thường vài giờ sau khi xuống đất. Tốc độ rơi lớn nhất của ông được ghi nhận khoảng 988 km/h. Kỷ lục độ cao nhảy dù của ông đứng vững hơn 50 năm.

Kinh nghiệm Excelsior góp phần vào thiết kế dù hãm và quy trình thoát hiểm độ cao lớn, cũng như hiểu biết về đồ điều áp cho chương trình bay vào vũ trụ sau này.

Cú nhảy bi thảm năm 1962

Không phải mọi cú nhảy đều thành công. Ngày 1/11/1962, trong chương trình khí cầu Volga của Liên Xô, đại tá Pyotr Dolgov nhảy từ độ cao khoảng 28 km. Mũ bảo hộ của ông được cho là đã va vào khoang khi rời khí cầu, làm vỡ hoặc hở kính mặt nạ; bộ đồ mất áp suất và ông tử vong trước khi chạm đất. Tai nạn cho thấy giới hạn mong manh: một vết nứt nhỏ ở độ cao đó là đủ chết người.

Felix Baumgartner và Red Bull Stratos (2012)

Ngày 14/10/2012, vận động viên nhảy dù người Áo Felix Baumgartner bay lên từ Roswell, bang New Mexico (Mỹ), trong một khoang điều áp treo dưới khí cầu heli khổng lồ. Ông bước ra ở độ cao được Liên đoàn Hàng không Quốc tế (FAI) công nhận khoảng 38.969 m.

• Thời gian rơi tự do khoảng 4 phút 19 giây.
• Tốc độ lớn nhất được công nhận khoảng 1.357,6 km/h, tương đương Mach 1,25 — lần đầu một người vượt tốc độ âm thanh mà không có phương tiện.
• Ông bị xoay mạnh trong khoảng một phút đầu, rồi tự lấy lại được tư thế ổn định.
• Joseph Kittinger, khi đó đã ngoài 80 tuổi, là người liên lạc chính với Baumgartner từ trung tâm điều khiển.

Vì sao người rơi được vượt âm thanh

Hai yếu tố khí quyển cộng lại. Một là sức cản: ở gần 39 km, không khí loãng hơn mặt đất hàng trăm lần, nên vật rơi tăng tốc gần như rơi trong chân không suốt những chục giây đầu. Hai là tốc độ âm thanh không cố định: nó phụ thuộc vào nhiệt độ, ở mặt đất khoảng 340 m/s, còn trong khí lạnh tầng bình lưu chỉ khoảng 295–300 m/s. Ngưỡng "siêu thanh" trên cao vì vậy thấp hơn. Khi xuống tới các lớp khí dày hơn, sức cản tăng mạnh và người rơi tự động chậm lại, xuống dưới tốc độ âm thanh từ rất lâu trước khi mở dù.

Alan Eustace (2014): không khoang, treo dưới khí cầu

Alan Eustace, khi đó là phó chủ tịch cấp cao của Google, chọn cách tối giản. Ông không dùng khoang. Ngày 24/10/2014, cũng từ Roswell, ông mặc bộ đồ điều áp kiểu đồ du hành vũ trụ, treo trực tiếp dưới một khí cầu heli và được kéo lên trong khoảng hai tiếng. Ở độ cao khoảng 41,4 km (135.890 feet), một thiết bị nổ nhỏ cắt dây và ông rơi.

Eustace dùng một dù hãm nhỏ ngay từ đầu để tránh xoay tròn, nên tốc độ tối đa của ông, khoảng 1.320 km/h, vẫn vượt tốc độ âm thanh ở độ cao đó. Vì có dù hãm nên kỷ lục của ông được ghi vào một hạng mục riêng của FAI. Dự án được chuẩn bị gần ba năm cùng công ty Paragon Space Development và không công bố trước.

Ba cú nhảy dạy gì về khí quyển

Các thiết bị ghi trên người nhảy biến họ thành những "đầu dò" rơi qua khí quyển. Dữ liệu cho thấy rõ những điều mà sách vở mô tả:

• Mật độ tăng nhanh khi xuống thấp: tốc độ đạt đỉnh chỉ sau chừng 40–50 giây rơi, khi còn ở độ cao gần 30 km hoặc hơn, rồi giảm dần dù người vẫn đang rơi tự do.
• Nhiệt độ không giảm đều: rơi từ tầng bình lưu xuống, người nhảy đi qua vùng lạnh nhất gần đỉnh tầng đối lưu (khoảng 11–17 km tuỳ vĩ độ) rồi ấm dần.
• Áp suất trên cao quá thấp để cơ thể tự chống đỡ, nhưng chỉ cần bộ đồ giữ áp suất bên trong khoảng một phần tư tới một phần ba atm là đủ giữ mạng sống.

Những thông tin này phục vụ thiết kế đồ thoát hiểm cho phi hành đoàn trên tàu vũ trụ thương mại và máy bay bay cao.

Góc nhìn hôm nay

Kỷ lục độ cao nhảy dù có thể sẽ còn bị phá, nhưng điều đáng nhớ hơn là chuỗi kinh nghiệm: từ một găng tay hỏng năm 1960 tới bộ đồ có thể chịu được rơi siêu thanh năm 2014. Khoang của Baumgartner và bộ đồ của Eustace hiện được trưng bày tại Bảo tàng Hàng không và Vũ trụ Quốc gia của Smithsonian (Mỹ),. Người muốn hiểu sâu có thể đọc hồi ký Come Up and Get Me của Kittinger viết cùng Craig Ryan.

Cần nói rõ: đây là những dự án được chuẩn bị nhiều năm với đội ngũ y tế, kỹ sư và cơ quan hàng không cấp phép. Nhảy dù thể thao thông thường diễn ra ở độ cao vài nghìn mét, hoàn toàn khác về rủi ro và kỹ thuật.