Derpy✔
Intern Writer
Tưởng tượng xem, một cậu bé 5 tuổi đang cận kề cái chết vì viêm phổi, được bác sĩ tiên đoán sẽ chẳng bao giờ đủ sức khỏe để bay, vậy mà sau này lại trở thành người đầu tiên điều khiển chiếc máy bay nhanh nhất thế giới, thậm chí còn bay vào không gian. Đó là câu chuyện của Albert Scott Crossfield, một phi công huyền thoại mà cuộc đời ông đã định hình nên giấc mơ về "máy bay không gian" - spaceplane.
Năm 1926, khi Albert Scott Crossfield mới 5 tuổi, một linh mục đã đến nhà ông để làm lễ xức dầu cuối cùng. Cậu bé Crossfield khi ấy đang hôn mê, vật lộn với căn bệnh viêm phổi nặng đã tàn phá phổi và tim. Cha mẹ ông lo sợ con trai mình sẽ không qua khỏi đêm đó. Dù trong cơn mê sảng, Crossfield vẫn nhớ rõ linh mục "Skip" đã nhận xét những bức tranh máy bay dán đầy tường phòng ngủ của ông lấn át cả biểu tượng Thánh Tâm. Crossfield sống sót, nhưng sức khỏe yếu ớt đeo bám ông nhiều năm, thường xuyên phải nằm liệt giường. Một bác sĩ thậm chí còn nói rằng ông khó lòng vượt qua được bài kiểm tra thể lực để bay.
Thế nhưng, ước mơ bay lượn vẫn cháy bỏng. Năm 9 tuổi, Crossfield đã biến chiếc ghế mây trong sân sau thành buồng lái, với cần điều khiển và bàn đạp bánh lái. Ông dành hàng giờ liền để luyện tập, làm theo hướng dẫn từ một cuốn sách bay đặt trên tay ghế, tưởng tượng mình đang lướt qua đại dương, vượt qua núi non và lập kỷ lục thế giới.
Đến năm 1953, Crossfield đã biến những giấc mơ thời thơ ấu ấy thành hiện thực. Ông điều khiển chiếc máy bay nghiên cứu Douglas D-558-II Skyrocket đạt tốc độ Mach 2, tức gấp đôi tốc độ âm thanh, trở thành người nhanh nhất thế giới lúc bấy giờ. Sáu năm sau, ông là người đầu tiên lái chiếc X-15, một máy bay thử nghiệm mới, cũng là chiếc máy bay đầu tiên trên thế giới bay vào không gian. Nhưng bay vào không gian và ở lại đó lại là hai vấn đề hoàn toàn khác biệt.
Hơn nửa thế kỷ qua, chúng ta vẫn miệt mài tìm cách tiến thêm một bước nữa: đưa máy bay cất cánh từ đường băng và bay vào quỹ đạo. Sau nhiều thập kỷ thất vọng, những chiếc máy bay không gian (spaceplane) đã tìm thấy vị trí của mình, nhưng là ở "vùng rìa" của không gian.
Vậy "vùng rìa không gian" là gì? Vào tháng 2 năm 1963, Theodore von Kármán, một nhà khoa học gốc Hungary 81 tuổi, đã có một khoảnh khắc đáng nhớ khi nhận Huân chương Khoa học Quốc gia đầu tiên từ Tổng thống Kennedy. Khi Kennedy chìa tay giúp ông xuống bậc thang, von Kármán đã dí dỏm từ chối: "Thưa Tổng thống, người ta không cần giúp khi đi xuống, chỉ cần khi đi lên thôi."
Von Kármán khi đó đã là nhà khí động học hàng đầu thế kỷ 20, một chuyên gia về "đi lên". Ông đến Mỹ vào những năm 1920 để giúp mở rộng nghiên cứu hàng không tại Viện Công nghệ California (Caltech). Tại đây, ông dẫn dắt một nhóm sinh viên thử nghiệm tên lửa, được gọi là "Biệt đội ******" (Suicide Squad) vì tính chất nguy hiểm của nghiên cứu. Trong Thế chiến thứ hai, xưởng của họ đã trở thành Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực (Jet Propulsion Laboratory – JPL), sau này được NASA tài trợ.
Trong khi các học trò của von Kármán đang thử nghiệm tên lửa ở California, một nhà khoa học châu Âu đương thời là Eugen Sänger cũng đang thử nghiệm động cơ tên lửa tại Đại học Công nghệ Vienna. Trong Thế chiến thứ hai, Sänger cùng nhà vật lý người Đức Irene Bredt đã thiết kế một máy bay ném bom không gian cho Bộ Tư lệnh Tối cao Đức. Dựa trên các khái niệm từ luận án "Raketenflugtechnik (Kỹ thuật Bay Tên lửa)" năm 1933 của Sänger – nghiên cứu lý thuyết đầu tiên về máy bay không gian – chiếc máy bay ném bom này có khả năng lướt qua rìa không gian như một viên đá nảy trên mặt hồ. Mục tiêu chưa thành hiện thực của họ là thả bom xuống Mỹ.
Sau Thế chiến thứ hai, công trình của Sänger và Bredt đã thúc đẩy Mỹ cùng các quốc gia khác khám phá ý tưởng máy bay không gian "skip-glide" (lướt nhảy). Trong khi đó, von Kármán lại tìm cách trả lời một câu hỏi rất đơn giản: Máy bay có thể bay cao đến mức nào trước khi nó không còn là máy bay nữa?
Bởi vì bầu khí quyển Trái Đất không có một ranh giới rõ ràng – nó chỉ mỏng dần cho đến khi những dấu vết của nó trôi qua Mặt Trăng – von Kármán đã đưa ra một điểm phân định thực tế. Cánh máy bay hoạt động bằng cách đẩy không khí xuống; không khí càng loãng, cánh phải di chuyển càng nhanh để đẩy đủ lượng không khí cần thiết. Von Kármán lập luận rằng, nếu bay đủ cao, cánh máy bay sẽ phải bay nhanh đến mức nó đã đạt tốc độ quỹ đạo – khoảng 28.163 km/h (17.500 dặm/giờ) ở rìa dưới quỹ đạo Trái Đất thấp, tức khoảng 161 km (100 dặm) so với bề mặt. Ở tốc độ đó, cánh trở nên vô dụng. Vật thể không còn được giữ trên cao bởi áp suất không khí nữa; nó liên tục rơi xuống, bị trọng lực Trái Đất kéo, nhưng di chuyển đủ nhanh theo chiều ngang để liên tục "trượt" khỏi Trái Đất. Nếu quá chậm, nó sẽ xoắn ốc rơi xuống; nếu quá nhanh, nó sẽ bay thẳng vào không gian.
Von Kármán tính toán điểm chuyển giao này ở độ cao khoảng 80,5 km (50 dặm), mặc dù con số này có thể dao động theo mật độ khí quyển. Vào những năm 1960, Liên đoàn Hàng không Quốc tế (Fédération Aéronautique Internationale) đã làm tròn con số này thành 100 km (62 dặm). NASA và Không quân Mỹ vẫn sử dụng mốc 80,5 km (50 dặm). Bất kể con số chính xác là bao nhiêu, nó đã được biết đến là "rìa không gian", một ranh giới đầy biến động nơi vật lý của việc bay thay đổi đáng kể. Mặc dù chưa có hiệp ước nào chính thức hóa, "đường Kármán" vẫn là ranh giới thông thường giữa luật hàng không và luật không gian, nơi cánh máy bay không còn tác dụng giữ vật thể trên cao – chỉ có tốc độ mới quan trọng.
Để bay vào không gian cần độ cao, nhưng để ở lại đó lại cần tốc độ. Khoảng cách giữa hai yếu tố này chính là nơi giấc mơ về máy bay không gian luôn gặp trở ngại, bắt đầu từ cỗ máy độc đáo mà Crossfield đã giúp thiết kế vào những năm 1950.
Năm 1963, biên tập viên Wesley S. Griswold của Popular Science từng viết: "Bắt đầu một chuyến bay trên X-15 giống như khởi động ô tô khi đang rơi xuống từ vách đá." Chiếc máy bay này sẽ cất cánh từ đường băng, treo dưới cánh của máy bay ném bom B-52 cho đến khi đạt độ cao 13,7 km (45.000 feet). Tại đó, nó sẽ tách ra và động cơ của nó sẽ bốc cháy, đẩy nó lên cao "như thể bị bắn ra từ một khẩu đại bác".
Là sự kết hợp giữa tên lửa và máy bay, các kỹ sư chế tạo X-15 đã gọi nó là "một tên lửa có buồng lái", Griswold tường thuật trong bài viết giới thiệu năm 1958 trên Popular Science. Giống như tên lửa, chiếc máy bay này chủ yếu là một thùng nhiên liệu. Giống như máy bay, đôi cánh cụt và cánh đuôi của nó cho phép nó di chuyển trong bầu khí quyển Trái Đất. Tuy nhiên, đặc điểm nổi bật nhất của con tàu là hệ thống điều khiển bay kép: một để điều hướng trong không khí, một để điều hướng trong không gian. Khi máy bay tiếp cận đường Kármán, phi công sẽ chuyển từ điều khiển máy bay truyền thống sang sử dụng các luồng hơi nước siêu nóng ở mũi và cánh, điều khiển máy bay bằng các động cơ đẩy nhỏ, giống hệt như một tàu vũ trụ.
Khi Scott Crossfield biết về chương trình X-15 vào khoảng năm 1955, ông đã rời vị trí công tác tại Ủy ban Cố vấn Hàng không Quốc gia (NACA), tiền thân của NASA, để làm việc cho North American Aviation, nhà sản xuất X-15. Tại đây, Crossfield đã giúp thiết kế cỗ máy này và trở thành phi công thử nghiệm đầu tiên của nó. Ông đã sống sót sau một vụ nổ động cơ trên mặt đất, khiến cỗ máy phải sửa chữa lớn, và một cú hạ cánh làm thân máy bay gãy đôi. Đến khi chiếc máy bay được bàn giao cho chương trình chung của Không quân Mỹ-Hải quân-NASA, ông đã đạt độ cao tối đa 26,8 km (88.116 feet), khoảng 27 km. Chiếc máy bay đã bay chưa tới không gian, nhưng nó đã sẵn sàng. Phần việc của Crossfield đã hoàn thành.
Phi công Không quân Bob White là người đầu tiên đưa X-15 vào không gian, đạt độ cao 95,9 km (314.750 feet) vào tháng 7 năm 1962, giành được đôi cánh phi hành gia đầu tiên từng được trao cho một phi công máy bay có cánh. Phi công NASA Joe Walker đã lái X-15 lên độ cao 107,9 km (354.200 feet) vào tháng 8 năm 1963 – khoảng 108 km, một độ cao mà chưa có máy bay có cánh nào vượt qua, và là một trong hai chuyến bay X-15 duy nhất vượt qua đường Kármán. Phi công Không quân Pete Knight đã đẩy X-15 lên Mach 6.7 vào tháng 10 năm 1967, vẫn là tốc độ nhanh nhất mà một máy bay có người lái từng đạt được. Tổng cộng, có 13 chuyến bay đã vượt qua mốc 80,5 km (50 dặm) – ngưỡng không gian theo tiêu chuẩn của NASA. Tám phi công đã giành được đôi cánh phi hành gia, trong số đó có một phi công nghiên cứu của NASA tên là Neil Armstrong.
Theodore von Kármán đã không sống đủ lâu để chứng kiến Walker vượt qua đường ranh giới mang tên ông, rìa không gian chính thức. Ông qua đời mười tuần trước đó, vào tháng 5 năm 1963.
Giữa những chuyến bay đáng kinh ngạc của X-15, vào tháng 9 năm 1965, Wernher von Braun, giám đốc Trung tâm Chuyến bay Vũ trụ George C. Marshall của NASA, đã viết một bài báo trên Popular Science dự đoán về kỷ nguyên sắp tới của máy bay không gian. Ông viết: "Các phương tiện phóng tái sử dụng, trông giống máy bay hơn là tên lửa, sẽ đưa các tàu có người lái và không người lái vào quỹ đạo." Tuy nhiên, von Braun cũng thận trọng với dự đoán của mình, cho rằng những chiếc máy bay như vậy có thể không cất cánh từ đường băng; chúng sẽ được phóng thẳng đứng bằng một tên lửa đẩy.
Trong bài phát biểu Thông điệp Liên bang năm 1986, Ronald Reagan đã hứa hẹn về một "Orient Express mới", một máy bay không gian có khả năng đạt quỹ đạo Trái Đất thấp. Nó cũng sẽ cất cánh từ Washington, D.C., và đến Tokyo chỉ trong hai giờ. Chiếc Rockwell X-30, máy bay siêu thanh được thiết kế để thực hiện tầm nhìn của Reagan, sẽ được trang bị động cơ scramjet, loại động cơ thu khí oxy từ không khí thay vì mang theo trong bình chứa. Tuy nhiên, nó chưa bao giờ được chế tạo.
Anh Quốc cũng theo đuổi chương trình máy bay không gian riêng, được đặt tên là HOTOL (Horizontal Take-Off and Landing – Cất cánh và Hạ cánh Ngang). Nó chưa bao giờ rời khỏi bản vẽ. Tây Đức đã thiết kế Sänger II, đặt theo tên người đàn ông mà khái niệm "skip-glide" từ những năm 1930 của ông đã truyền cảm hứng cho công nghệ máy bay không gian. Dự án này đã bị hủy bỏ trước khi sản xuất.
Một nỗ lực gần đây và đầy hứa hẹn để đạt quỹ đạo là Reaction Engines, một công ty của Anh đã tiếp nối nơi HOTOL đã dừng lại và thành công trong việc chế tạo phần khó nhất của động cơ siêu thanh. Nhưng họ đã không huy động đủ vốn để chế tạo máy bay không gian của mình.
Sau khi chương trình X-30 của Reagan thất bại, NASA đã thử lại, thuê Lockheed Martin chế tạo X-33, một phương tiện thử nghiệm thuộc chương trình Venture Star của NASA. X-33 sẽ phóng như một tên lửa, sử dụng động cơ riêng, và bay như một máy bay khi hạ cánh. Chương trình này đã bị hủy bỏ vào năm 2001.
Năm 1999, nhà văn Bill Sweetman của Popular Science đã viết về Space Access, một công ty khởi nghiệp ở Palmdale, California, do kỹ sư Rockwell Steven Wurst thành lập, người từng tham gia chương trình X-30 đã bị hủy bỏ. Wurst nói với Sweetman: "Vấn đề là tần suất bay, đồ ngốc." Trừ khi một tàu vũ trụ bay thường xuyên, nó sẽ không bao giờ đủ rẻ để cạnh tranh. Wurst đã đúng về mặt kinh tế nhưng lại sai về hình dạng. Một chiếc máy bay đủ nhẹ để bay tốt không thể mang đủ nhiên liệu để đạt quỹ đạo, và một phương tiện mang đủ nhiên liệu để đạt quỹ đạo thì không còn giống máy bay nữa. Hai thập kỷ sau, SpaceX đã chứng minh điều này bằng một tên lửa tái sử dụng có thể hạ cánh bằng đuôi.
Thuật ngữ "máy bay không gian" đã được nới lỏng so với ý nghĩa giữa thế kỷ 20 để bao gồm cả tàu con thoi – những phương tiện được phóng vào không gian trên lưng tên lửa nhưng có cánh cho phép chúng quay trở lại đường băng.
Từ năm 1981 đến 2011, Tàu con thoi Mỹ đã thực hiện 135 nhiệm vụ vào không gian, hạ cánh trên đường băng và trông giống một chiếc máy bay. Nhưng nó chưa bao giờ cất cánh như một chiếc máy bay. Nó bay lên theo chiều thẳng đứng, dựa vào một thùng nhiên liệu dùng một lần và các tên lửa đẩy có thể thu hồi, đúng như Wernher von Braun đã dự đoán, bởi vì động cơ của tàu con thoi không thể tự mình đưa nó vào không gian hoặc đạt tốc độ quỹ đạo. Là một tải trọng được trang bị cánh và khoảng 24.000 tấm gạch nhiệt phức tạp đòi hỏi kiểm tra thủ công sau mỗi nhiệm vụ, nó quá phức tạp và đắt đỏ để tiếp tục hoạt động.
Tuy nhiên, một thế hệ tàu con thoi mới đã cải thiện đáng kể yếu tố kinh tế. Nhỏ hơn, không người lái và được trang bị tấm chắn nhiệt đáng tin cậy hơn, chiếc X-37B trông giống một tàu con thoi mini. Nó đã hoàn thành bảy nhiệm vụ kể từ năm 2010. Nhiệm vụ thứ tám của nó được phóng bằng tên lửa SpaceX Falcon 9 vào tháng 8 năm 2025. Sử dụng thiết kế tương tự, tàu con thoi Dream Chaser của Sierra Space dự kiến ra mắt vào cuối năm 2026.
Mặc dù trải qua nhiều thập kỷ với các chương trình thất bại, những chiếc máy bay không gian thực sự đã bắt đầu tạo dựng một vị trí quan trọng, di chuyển với tốc độ siêu thanh đến độ cao cực lớn và rìa không gian nhưng không đi vào quỹ đạo.
Aurora của Dawn Aerospace là một máy bay không gian cận quỹ đạo nhỏ chạy bằng tên lửa, cất cánh và hạ cánh trên các đường băng thông thường – đây chính là điểm mấu chốt. Hoạt động dưới sự điều khiển từ xa – nó quá nhỏ để có phi hành đoàn – Aurora đã bay 64 lần kể từ năm 2016, đôi khi hai lần trong một ngày. Vào tháng 11 năm 2024, nó trở thành máy bay dân sự đầu tiên bay siêu thanh kể từ Concorde. Nó đã mang theo các tải trọng nghiên cứu cho Johns Hopkins, Arizona State và Hải quân Hoàng gia New Zealand. Các phiên bản tương lai được thiết kế để vượt quá Mach 3.5 và vượt qua đường Kármán – hai lần một ngày.
Giống như X-15 gần 70 năm trước, Stratolaunch có trụ sở tại California thả máy bay không gian nghiên cứu siêu thanh Talon-A của mình từ dưới cánh của chiếc máy bay lớn nhất thế giới. Tương tự, máy bay cận quỹ đạo của Virgin Galactic được thả từ một máy bay, sau đó kích hoạt động cơ tên lửa riêng để đưa khách du lịch ngắm cảnh đến rìa không gian, trước khi hạ cánh trên một đường băng ở New Mexico.
Rìa không gian không chỉ mang lại cơ hội ngắm cảnh. Vì nó đòi hỏi phải di chuyển ở tốc độ Mach rất cao để duy trì độ cao, máy bay không gian đang ở tuyến đầu của nghiên cứu siêu thanh, trải nghiệm những điều kiện không thể tái tạo trong các đường hầm gió trên mặt đất. Rìa không gian cũng cung cấp điều kiện vi trọng lực, rất quan trọng cho nghiên cứu.
Tầng nhiệt (thermosphere), nơi đường Kármán nằm, là một trong những tầng khí quyển ít được nghiên cứu nhất của chúng ta – quá cao đối với máy bay nghiên cứu, quá thấp đối với vệ tinh – nhưng nó lại quan trọng đối với các mô hình khí hậu và sự an toàn của tàu vũ trụ đi qua. Và, trong khi một "Orient Express" từ Washington, D.C., đến Tokyo trong hai giờ vẫn là một giấc mơ, việc khám phá "bờ biển" không gian này có thể dạy chúng ta đủ về siêu thanh và tầng khí quyển trên cao của Trái Đất để một ngày nào đó biến giấc mơ đó thành hiện thực.
Vào ngày 19 tháng 4 năm 2006, Scott Crossfield cất cánh từ Prattville, Alabama, lái chiếc Cessna 210A của riêng mình, trở về nhà ở Virginia. Ông đã 84 tuổi và vẫn tự mình bay đến các buổi diễn thuyết, truyền bá về giáo dục hàng không vũ trụ. Ông đã thiệt mạng trên bầu trời phía bắc Georgia khi máy bay của ông bị vỡ tan trong một trận giông bão.
Từng suýt chết vì viêm phổi khi còn nhỏ, Crossfield đã sống sót sau vụ nổ động cơ tên lửa phía sau ông trên bệ thử nghiệm và thoát chết sau một cú hạ cánh làm máy bay của ông gãy đôi. Ông đã lái chiếc máy bay nguy hiểm nhất từng được chế tạo, bay nhanh hơn bất kỳ con người nào vào thời điểm đó. Điều cuối cùng đã giết chết ông lại chính là bầu khí quyển của Trái Đất, nơi của những giấc mơ thời thơ ấu của ông, và là môi trường mà đôi cánh được tạo ra để hoạt động.
Hơn nửa thế kỷ sau chuyến bay đầu tiên của X-15 do Crossfield thực hiện, các kỹ sư vẫn không ngừng cố gắng chế tạo những chiếc máy bay có thể bắc cầu vật lý giữa khí quyển và không gian, không chỉ cất cánh và hạ cánh trên đường băng thông thường mà còn bay vào quỹ đạo Trái Đất. Tuy nhiên, công nghệ đẩy hiện tại của chúng ta chưa hỗ trợ việc kết hợp lực nâng khí quyển với tốc độ quỹ đạo cực lớn. Nếu có, chúng ta có lẽ đã bay trong những chiếc đĩa bay, chứ không phải máy bay. Cuối cùng, X-15 đã định hướng đúng cho máy bay không gian ngay từ đầu: lướt trên "bờ biển" khí quyển dọc theo rìa không gian.
Năm 1926, khi Albert Scott Crossfield mới 5 tuổi, một linh mục đã đến nhà ông để làm lễ xức dầu cuối cùng. Cậu bé Crossfield khi ấy đang hôn mê, vật lộn với căn bệnh viêm phổi nặng đã tàn phá phổi và tim. Cha mẹ ông lo sợ con trai mình sẽ không qua khỏi đêm đó. Dù trong cơn mê sảng, Crossfield vẫn nhớ rõ linh mục "Skip" đã nhận xét những bức tranh máy bay dán đầy tường phòng ngủ của ông lấn át cả biểu tượng Thánh Tâm. Crossfield sống sót, nhưng sức khỏe yếu ớt đeo bám ông nhiều năm, thường xuyên phải nằm liệt giường. Một bác sĩ thậm chí còn nói rằng ông khó lòng vượt qua được bài kiểm tra thể lực để bay.
Thế nhưng, ước mơ bay lượn vẫn cháy bỏng. Năm 9 tuổi, Crossfield đã biến chiếc ghế mây trong sân sau thành buồng lái, với cần điều khiển và bàn đạp bánh lái. Ông dành hàng giờ liền để luyện tập, làm theo hướng dẫn từ một cuốn sách bay đặt trên tay ghế, tưởng tượng mình đang lướt qua đại dương, vượt qua núi non và lập kỷ lục thế giới.
Đến năm 1953, Crossfield đã biến những giấc mơ thời thơ ấu ấy thành hiện thực. Ông điều khiển chiếc máy bay nghiên cứu Douglas D-558-II Skyrocket đạt tốc độ Mach 2, tức gấp đôi tốc độ âm thanh, trở thành người nhanh nhất thế giới lúc bấy giờ. Sáu năm sau, ông là người đầu tiên lái chiếc X-15, một máy bay thử nghiệm mới, cũng là chiếc máy bay đầu tiên trên thế giới bay vào không gian. Nhưng bay vào không gian và ở lại đó lại là hai vấn đề hoàn toàn khác biệt.
Hơn nửa thế kỷ qua, chúng ta vẫn miệt mài tìm cách tiến thêm một bước nữa: đưa máy bay cất cánh từ đường băng và bay vào quỹ đạo. Sau nhiều thập kỷ thất vọng, những chiếc máy bay không gian (spaceplane) đã tìm thấy vị trí của mình, nhưng là ở "vùng rìa" của không gian.
Vậy "vùng rìa không gian" là gì? Vào tháng 2 năm 1963, Theodore von Kármán, một nhà khoa học gốc Hungary 81 tuổi, đã có một khoảnh khắc đáng nhớ khi nhận Huân chương Khoa học Quốc gia đầu tiên từ Tổng thống Kennedy. Khi Kennedy chìa tay giúp ông xuống bậc thang, von Kármán đã dí dỏm từ chối: "Thưa Tổng thống, người ta không cần giúp khi đi xuống, chỉ cần khi đi lên thôi."
Von Kármán khi đó đã là nhà khí động học hàng đầu thế kỷ 20, một chuyên gia về "đi lên". Ông đến Mỹ vào những năm 1920 để giúp mở rộng nghiên cứu hàng không tại Viện Công nghệ California (Caltech). Tại đây, ông dẫn dắt một nhóm sinh viên thử nghiệm tên lửa, được gọi là "Biệt đội ******" (Suicide Squad) vì tính chất nguy hiểm của nghiên cứu. Trong Thế chiến thứ hai, xưởng của họ đã trở thành Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực (Jet Propulsion Laboratory – JPL), sau này được NASA tài trợ.
Trong khi các học trò của von Kármán đang thử nghiệm tên lửa ở California, một nhà khoa học châu Âu đương thời là Eugen Sänger cũng đang thử nghiệm động cơ tên lửa tại Đại học Công nghệ Vienna. Trong Thế chiến thứ hai, Sänger cùng nhà vật lý người Đức Irene Bredt đã thiết kế một máy bay ném bom không gian cho Bộ Tư lệnh Tối cao Đức. Dựa trên các khái niệm từ luận án "Raketenflugtechnik (Kỹ thuật Bay Tên lửa)" năm 1933 của Sänger – nghiên cứu lý thuyết đầu tiên về máy bay không gian – chiếc máy bay ném bom này có khả năng lướt qua rìa không gian như một viên đá nảy trên mặt hồ. Mục tiêu chưa thành hiện thực của họ là thả bom xuống Mỹ.
Sau Thế chiến thứ hai, công trình của Sänger và Bredt đã thúc đẩy Mỹ cùng các quốc gia khác khám phá ý tưởng máy bay không gian "skip-glide" (lướt nhảy). Trong khi đó, von Kármán lại tìm cách trả lời một câu hỏi rất đơn giản: Máy bay có thể bay cao đến mức nào trước khi nó không còn là máy bay nữa?
Bởi vì bầu khí quyển Trái Đất không có một ranh giới rõ ràng – nó chỉ mỏng dần cho đến khi những dấu vết của nó trôi qua Mặt Trăng – von Kármán đã đưa ra một điểm phân định thực tế. Cánh máy bay hoạt động bằng cách đẩy không khí xuống; không khí càng loãng, cánh phải di chuyển càng nhanh để đẩy đủ lượng không khí cần thiết. Von Kármán lập luận rằng, nếu bay đủ cao, cánh máy bay sẽ phải bay nhanh đến mức nó đã đạt tốc độ quỹ đạo – khoảng 28.163 km/h (17.500 dặm/giờ) ở rìa dưới quỹ đạo Trái Đất thấp, tức khoảng 161 km (100 dặm) so với bề mặt. Ở tốc độ đó, cánh trở nên vô dụng. Vật thể không còn được giữ trên cao bởi áp suất không khí nữa; nó liên tục rơi xuống, bị trọng lực Trái Đất kéo, nhưng di chuyển đủ nhanh theo chiều ngang để liên tục "trượt" khỏi Trái Đất. Nếu quá chậm, nó sẽ xoắn ốc rơi xuống; nếu quá nhanh, nó sẽ bay thẳng vào không gian.
Von Kármán tính toán điểm chuyển giao này ở độ cao khoảng 80,5 km (50 dặm), mặc dù con số này có thể dao động theo mật độ khí quyển. Vào những năm 1960, Liên đoàn Hàng không Quốc tế (Fédération Aéronautique Internationale) đã làm tròn con số này thành 100 km (62 dặm). NASA và Không quân Mỹ vẫn sử dụng mốc 80,5 km (50 dặm). Bất kể con số chính xác là bao nhiêu, nó đã được biết đến là "rìa không gian", một ranh giới đầy biến động nơi vật lý của việc bay thay đổi đáng kể. Mặc dù chưa có hiệp ước nào chính thức hóa, "đường Kármán" vẫn là ranh giới thông thường giữa luật hàng không và luật không gian, nơi cánh máy bay không còn tác dụng giữ vật thể trên cao – chỉ có tốc độ mới quan trọng.
Để bay vào không gian cần độ cao, nhưng để ở lại đó lại cần tốc độ. Khoảng cách giữa hai yếu tố này chính là nơi giấc mơ về máy bay không gian luôn gặp trở ngại, bắt đầu từ cỗ máy độc đáo mà Crossfield đã giúp thiết kế vào những năm 1950.
Năm 1963, biên tập viên Wesley S. Griswold của Popular Science từng viết: "Bắt đầu một chuyến bay trên X-15 giống như khởi động ô tô khi đang rơi xuống từ vách đá." Chiếc máy bay này sẽ cất cánh từ đường băng, treo dưới cánh của máy bay ném bom B-52 cho đến khi đạt độ cao 13,7 km (45.000 feet). Tại đó, nó sẽ tách ra và động cơ của nó sẽ bốc cháy, đẩy nó lên cao "như thể bị bắn ra từ một khẩu đại bác".
Là sự kết hợp giữa tên lửa và máy bay, các kỹ sư chế tạo X-15 đã gọi nó là "một tên lửa có buồng lái", Griswold tường thuật trong bài viết giới thiệu năm 1958 trên Popular Science. Giống như tên lửa, chiếc máy bay này chủ yếu là một thùng nhiên liệu. Giống như máy bay, đôi cánh cụt và cánh đuôi của nó cho phép nó di chuyển trong bầu khí quyển Trái Đất. Tuy nhiên, đặc điểm nổi bật nhất của con tàu là hệ thống điều khiển bay kép: một để điều hướng trong không khí, một để điều hướng trong không gian. Khi máy bay tiếp cận đường Kármán, phi công sẽ chuyển từ điều khiển máy bay truyền thống sang sử dụng các luồng hơi nước siêu nóng ở mũi và cánh, điều khiển máy bay bằng các động cơ đẩy nhỏ, giống hệt như một tàu vũ trụ.
Khi Scott Crossfield biết về chương trình X-15 vào khoảng năm 1955, ông đã rời vị trí công tác tại Ủy ban Cố vấn Hàng không Quốc gia (NACA), tiền thân của NASA, để làm việc cho North American Aviation, nhà sản xuất X-15. Tại đây, Crossfield đã giúp thiết kế cỗ máy này và trở thành phi công thử nghiệm đầu tiên của nó. Ông đã sống sót sau một vụ nổ động cơ trên mặt đất, khiến cỗ máy phải sửa chữa lớn, và một cú hạ cánh làm thân máy bay gãy đôi. Đến khi chiếc máy bay được bàn giao cho chương trình chung của Không quân Mỹ-Hải quân-NASA, ông đã đạt độ cao tối đa 26,8 km (88.116 feet), khoảng 27 km. Chiếc máy bay đã bay chưa tới không gian, nhưng nó đã sẵn sàng. Phần việc của Crossfield đã hoàn thành.
Phi công Không quân Bob White là người đầu tiên đưa X-15 vào không gian, đạt độ cao 95,9 km (314.750 feet) vào tháng 7 năm 1962, giành được đôi cánh phi hành gia đầu tiên từng được trao cho một phi công máy bay có cánh. Phi công NASA Joe Walker đã lái X-15 lên độ cao 107,9 km (354.200 feet) vào tháng 8 năm 1963 – khoảng 108 km, một độ cao mà chưa có máy bay có cánh nào vượt qua, và là một trong hai chuyến bay X-15 duy nhất vượt qua đường Kármán. Phi công Không quân Pete Knight đã đẩy X-15 lên Mach 6.7 vào tháng 10 năm 1967, vẫn là tốc độ nhanh nhất mà một máy bay có người lái từng đạt được. Tổng cộng, có 13 chuyến bay đã vượt qua mốc 80,5 km (50 dặm) – ngưỡng không gian theo tiêu chuẩn của NASA. Tám phi công đã giành được đôi cánh phi hành gia, trong số đó có một phi công nghiên cứu của NASA tên là Neil Armstrong.
Theodore von Kármán đã không sống đủ lâu để chứng kiến Walker vượt qua đường ranh giới mang tên ông, rìa không gian chính thức. Ông qua đời mười tuần trước đó, vào tháng 5 năm 1963.
Giữa những chuyến bay đáng kinh ngạc của X-15, vào tháng 9 năm 1965, Wernher von Braun, giám đốc Trung tâm Chuyến bay Vũ trụ George C. Marshall của NASA, đã viết một bài báo trên Popular Science dự đoán về kỷ nguyên sắp tới của máy bay không gian. Ông viết: "Các phương tiện phóng tái sử dụng, trông giống máy bay hơn là tên lửa, sẽ đưa các tàu có người lái và không người lái vào quỹ đạo." Tuy nhiên, von Braun cũng thận trọng với dự đoán của mình, cho rằng những chiếc máy bay như vậy có thể không cất cánh từ đường băng; chúng sẽ được phóng thẳng đứng bằng một tên lửa đẩy.
Trong bài phát biểu Thông điệp Liên bang năm 1986, Ronald Reagan đã hứa hẹn về một "Orient Express mới", một máy bay không gian có khả năng đạt quỹ đạo Trái Đất thấp. Nó cũng sẽ cất cánh từ Washington, D.C., và đến Tokyo chỉ trong hai giờ. Chiếc Rockwell X-30, máy bay siêu thanh được thiết kế để thực hiện tầm nhìn của Reagan, sẽ được trang bị động cơ scramjet, loại động cơ thu khí oxy từ không khí thay vì mang theo trong bình chứa. Tuy nhiên, nó chưa bao giờ được chế tạo.
Anh Quốc cũng theo đuổi chương trình máy bay không gian riêng, được đặt tên là HOTOL (Horizontal Take-Off and Landing – Cất cánh và Hạ cánh Ngang). Nó chưa bao giờ rời khỏi bản vẽ. Tây Đức đã thiết kế Sänger II, đặt theo tên người đàn ông mà khái niệm "skip-glide" từ những năm 1930 của ông đã truyền cảm hứng cho công nghệ máy bay không gian. Dự án này đã bị hủy bỏ trước khi sản xuất.
Một nỗ lực gần đây và đầy hứa hẹn để đạt quỹ đạo là Reaction Engines, một công ty của Anh đã tiếp nối nơi HOTOL đã dừng lại và thành công trong việc chế tạo phần khó nhất của động cơ siêu thanh. Nhưng họ đã không huy động đủ vốn để chế tạo máy bay không gian của mình.
Sau khi chương trình X-30 của Reagan thất bại, NASA đã thử lại, thuê Lockheed Martin chế tạo X-33, một phương tiện thử nghiệm thuộc chương trình Venture Star của NASA. X-33 sẽ phóng như một tên lửa, sử dụng động cơ riêng, và bay như một máy bay khi hạ cánh. Chương trình này đã bị hủy bỏ vào năm 2001.
Năm 1999, nhà văn Bill Sweetman của Popular Science đã viết về Space Access, một công ty khởi nghiệp ở Palmdale, California, do kỹ sư Rockwell Steven Wurst thành lập, người từng tham gia chương trình X-30 đã bị hủy bỏ. Wurst nói với Sweetman: "Vấn đề là tần suất bay, đồ ngốc." Trừ khi một tàu vũ trụ bay thường xuyên, nó sẽ không bao giờ đủ rẻ để cạnh tranh. Wurst đã đúng về mặt kinh tế nhưng lại sai về hình dạng. Một chiếc máy bay đủ nhẹ để bay tốt không thể mang đủ nhiên liệu để đạt quỹ đạo, và một phương tiện mang đủ nhiên liệu để đạt quỹ đạo thì không còn giống máy bay nữa. Hai thập kỷ sau, SpaceX đã chứng minh điều này bằng một tên lửa tái sử dụng có thể hạ cánh bằng đuôi.
Thuật ngữ "máy bay không gian" đã được nới lỏng so với ý nghĩa giữa thế kỷ 20 để bao gồm cả tàu con thoi – những phương tiện được phóng vào không gian trên lưng tên lửa nhưng có cánh cho phép chúng quay trở lại đường băng.
Từ năm 1981 đến 2011, Tàu con thoi Mỹ đã thực hiện 135 nhiệm vụ vào không gian, hạ cánh trên đường băng và trông giống một chiếc máy bay. Nhưng nó chưa bao giờ cất cánh như một chiếc máy bay. Nó bay lên theo chiều thẳng đứng, dựa vào một thùng nhiên liệu dùng một lần và các tên lửa đẩy có thể thu hồi, đúng như Wernher von Braun đã dự đoán, bởi vì động cơ của tàu con thoi không thể tự mình đưa nó vào không gian hoặc đạt tốc độ quỹ đạo. Là một tải trọng được trang bị cánh và khoảng 24.000 tấm gạch nhiệt phức tạp đòi hỏi kiểm tra thủ công sau mỗi nhiệm vụ, nó quá phức tạp và đắt đỏ để tiếp tục hoạt động.
Tuy nhiên, một thế hệ tàu con thoi mới đã cải thiện đáng kể yếu tố kinh tế. Nhỏ hơn, không người lái và được trang bị tấm chắn nhiệt đáng tin cậy hơn, chiếc X-37B trông giống một tàu con thoi mini. Nó đã hoàn thành bảy nhiệm vụ kể từ năm 2010. Nhiệm vụ thứ tám của nó được phóng bằng tên lửa SpaceX Falcon 9 vào tháng 8 năm 2025. Sử dụng thiết kế tương tự, tàu con thoi Dream Chaser của Sierra Space dự kiến ra mắt vào cuối năm 2026.
Mặc dù trải qua nhiều thập kỷ với các chương trình thất bại, những chiếc máy bay không gian thực sự đã bắt đầu tạo dựng một vị trí quan trọng, di chuyển với tốc độ siêu thanh đến độ cao cực lớn và rìa không gian nhưng không đi vào quỹ đạo.
Aurora của Dawn Aerospace là một máy bay không gian cận quỹ đạo nhỏ chạy bằng tên lửa, cất cánh và hạ cánh trên các đường băng thông thường – đây chính là điểm mấu chốt. Hoạt động dưới sự điều khiển từ xa – nó quá nhỏ để có phi hành đoàn – Aurora đã bay 64 lần kể từ năm 2016, đôi khi hai lần trong một ngày. Vào tháng 11 năm 2024, nó trở thành máy bay dân sự đầu tiên bay siêu thanh kể từ Concorde. Nó đã mang theo các tải trọng nghiên cứu cho Johns Hopkins, Arizona State và Hải quân Hoàng gia New Zealand. Các phiên bản tương lai được thiết kế để vượt quá Mach 3.5 và vượt qua đường Kármán – hai lần một ngày.
Giống như X-15 gần 70 năm trước, Stratolaunch có trụ sở tại California thả máy bay không gian nghiên cứu siêu thanh Talon-A của mình từ dưới cánh của chiếc máy bay lớn nhất thế giới. Tương tự, máy bay cận quỹ đạo của Virgin Galactic được thả từ một máy bay, sau đó kích hoạt động cơ tên lửa riêng để đưa khách du lịch ngắm cảnh đến rìa không gian, trước khi hạ cánh trên một đường băng ở New Mexico.
Rìa không gian không chỉ mang lại cơ hội ngắm cảnh. Vì nó đòi hỏi phải di chuyển ở tốc độ Mach rất cao để duy trì độ cao, máy bay không gian đang ở tuyến đầu của nghiên cứu siêu thanh, trải nghiệm những điều kiện không thể tái tạo trong các đường hầm gió trên mặt đất. Rìa không gian cũng cung cấp điều kiện vi trọng lực, rất quan trọng cho nghiên cứu.
Tầng nhiệt (thermosphere), nơi đường Kármán nằm, là một trong những tầng khí quyển ít được nghiên cứu nhất của chúng ta – quá cao đối với máy bay nghiên cứu, quá thấp đối với vệ tinh – nhưng nó lại quan trọng đối với các mô hình khí hậu và sự an toàn của tàu vũ trụ đi qua. Và, trong khi một "Orient Express" từ Washington, D.C., đến Tokyo trong hai giờ vẫn là một giấc mơ, việc khám phá "bờ biển" không gian này có thể dạy chúng ta đủ về siêu thanh và tầng khí quyển trên cao của Trái Đất để một ngày nào đó biến giấc mơ đó thành hiện thực.
Vào ngày 19 tháng 4 năm 2006, Scott Crossfield cất cánh từ Prattville, Alabama, lái chiếc Cessna 210A của riêng mình, trở về nhà ở Virginia. Ông đã 84 tuổi và vẫn tự mình bay đến các buổi diễn thuyết, truyền bá về giáo dục hàng không vũ trụ. Ông đã thiệt mạng trên bầu trời phía bắc Georgia khi máy bay của ông bị vỡ tan trong một trận giông bão.
Từng suýt chết vì viêm phổi khi còn nhỏ, Crossfield đã sống sót sau vụ nổ động cơ tên lửa phía sau ông trên bệ thử nghiệm và thoát chết sau một cú hạ cánh làm máy bay của ông gãy đôi. Ông đã lái chiếc máy bay nguy hiểm nhất từng được chế tạo, bay nhanh hơn bất kỳ con người nào vào thời điểm đó. Điều cuối cùng đã giết chết ông lại chính là bầu khí quyển của Trái Đất, nơi của những giấc mơ thời thơ ấu của ông, và là môi trường mà đôi cánh được tạo ra để hoạt động.
Hơn nửa thế kỷ sau chuyến bay đầu tiên của X-15 do Crossfield thực hiện, các kỹ sư vẫn không ngừng cố gắng chế tạo những chiếc máy bay có thể bắc cầu vật lý giữa khí quyển và không gian, không chỉ cất cánh và hạ cánh trên đường băng thông thường mà còn bay vào quỹ đạo Trái Đất. Tuy nhiên, công nghệ đẩy hiện tại của chúng ta chưa hỗ trợ việc kết hợp lực nâng khí quyển với tốc độ quỹ đạo cực lớn. Nếu có, chúng ta có lẽ đã bay trong những chiếc đĩa bay, chứ không phải máy bay. Cuối cùng, X-15 đã định hướng đúng cho máy bay không gian ngay từ đầu: lướt trên "bờ biển" khí quyển dọc theo rìa không gian.
