Động cơ giúp giảm 20% phát thải CO2: Tương lai của ngành hàng không

Cuộc sống của Travis Harper luôn có sự hiện diện của những chiếc máy bay. Lớn lên ngay cạnh sân bay Midway ở phía nam Chicago, dường như lúc nào anh cũng có thể chứng kiến một chiếc máy bay phản lực hạ cánh. “Tôi đã say mê với ngành hàng không suốt thời thơ ấu” - anh nói. “Tôi dõi theo máy bay cất cánh và hạ cánh rồi tưởng tượng một ngày nào đó mình cũng được đi du lịch và trải nghiệm thế giới”.

Với niềm đam mê này, Harper theo đuổi bằng kỹ sư tại Đại học Northwestern và tham gia vào đội ngũ thiết kế và sản xuất động cơ phản lực thương mại tiên tiến nhất thế giới của GE Aviation. Niềm đam mê với ngành hàng không cũng đưa anh đến Dubai - nơi anh đã hỗ trợ Emirates Airline trong quá trình sử dụng đội máy bay áp dụng công nghệ của GE và đến Seattle - nơi anh hỗ trợ Boeing đưa chiếc máy bay 777X chạy bằng động cơ GE9X đi vào hoạt động.

Giờ đây, niềm đam mê đó đã đưa Harper đến với chương mới nhất trong sự nghiệp của mình – định hình lại tương lai cho ngành hàng không. Harper và các đồng nghiệp đang phát triển một động cơ phản lực sử dụng ít nhiên liệu hơn và phát thải CO2 thấp hơn 20% so với các động cơ hiệu quả cao khác hiện nay.

Harper là Giám đốc sản phẩm của GE trong chương trình CFM RISE do liên doanh CFM của GE và Safran Aircraft Engines phát triển. Tầm nhìn được đặt ra cho chương trình RISE là “Cuộc cách mạng sáng chế động cơ bền vững”. “Chương trình phát triển công nghệ này thể hiện cam kết chung của GE và Safran trong việc đạt được những mục tiêu đầy tham vọng cho một tương lai bền vững hơn” - Harper nói.

CFM được thành lập cách đây gần 50 năm và vừa được gia hạn liên doanh đến năm 2050. Công ty đã giao hơn 35.000 động cơ cho hơn 600 nhà khai thác trên toàn thế giới, đạt 1 tỷ giờ bay. “Đây là liên doanh xuyên Đại Tây Dương thành công nhất thế giới, ít nhất là trong lĩnh vực hàng không” - Harper cho biết.

Kể từ khi các động cơ CFM đầu tiên đi vào hoạt động vào đầu những năm 1980, chúng đã giúp giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và lượng khí thải CO2 40% so với các động cơ cũ. Harper và một nhóm gồm các kỹ sư hàng không vũ trụ giỏi nhất thế giới dự định cắt giảm thêm 20% nữa và đây sẽ là kết quả khử cacbon lớn nhất mà họ đạt được.

Tầm nhìn đầy tham vọng này phụ thuộc vào những tiến bộ lớn trong công nghệ và kết cấu động cơ. “Tôi đã dành rất nhiều thời gian cho Safran, các nhà sản xuất khung máy bay và các hãng hàng không. Chúng tôi làm việc với nhau để cùng nỗ lực phát triển một động cơ hỗ trợ tốt nhất cho tương lai của hàng không. Ý tưởng về cánh quạt mở giúp đốt cháy nhiên liệu hiệu quả và giảm phát thải CO2 là thứ mà chúng tôi tin rằng sẽ mang lại nhiều lợi ích nhất” - Harper nói.

Cấu trúc cánh quạt mở. Nguồn: CFM International

Điểm khác biệt của cấu trúc cánh quạt mở so với các động cơ cánh quạt phản lực là nó không có vỏ bọc. Quạt mở có thể giúp cải thiện đáng kể hiệu suất lực đẩy, một yếu tố quan trọng góp phần giảm khí thải và tiêu thụ nhiên liệu. “Theo nguyên tắc vật lý, các giải pháp bền vững mang lại lợi ích lớn nhất đòi hỏi phải có cấu trúc cánh 

quạt mở. Các cấu trúc khác cũng có tiềm năng nhưng chúng không đảm bảo được hiệu suất đốt cháy nhiên liệu và giảm khí thải CO2 như cấu trúc này” – Harper cho biết.

Nhóm nghiên cứu dự định chế tạo chiếc quạt từ sợi carbon đặc biệt, được dệt dạng không gian ba chiều và chứa nhựa thông bên trong. Vật liệu này nhẹ và dai, cho phép các kỹ sư phát triển và chế tạo cánh quạt có đường kính lớn tới gần 4 mét, từ đó gia tăng hiệu suất đẩy và tỷ lệ vòng quay.

Tỷ lệ vòng quay là một thông số quan trọng cho thấy tỷ lệ giữa lực đẩy mà cánh quạt tạo ra với lượng nhiên liệu mà nó cần để quay. Vào những năm 1980, các động cơ của CFM đạt tỷ lệ vòng quay 5:1 và đến động cơ LEAP, con số này là 11:1. Tuy nhiên, một cánh quạt mở có thể cho phép con số đạt tới 70:1. “Chúng tôi tăng cường lượng không khí chuyển động quanh động cơ chỉ với một lượng nhiên liệu nhỏ hơn và đạt được nhiều lợi ích hơn” - Harper cho biết.

Harper đã giúp phát triển động cơ GE9X cho máy bay Boeing 777X

Cánh quạt mở thế hệ mới này sẽ đi kèm với một rotor mở do GE cùng NASA phát triển vào những năm 1980 với sự hỗ trợ của Safran – động cơ GE36. Đây là động cơ thử nghiệm có cánh quạt composite giúp tiết kiệm nhiên liệu đáng kể. Cánh quạt composite đánh dấu sự ra đời của hàng loạt động cơ phản lực hai luồng khí hệ số tách dòng cao của GE Aviation, giúp các nhà sản xuất máy bay có thể phát triển được những chiếc máy bay đường dài như Boeing 777 và Boeing 787 Dreamliner mà chỉ cần sử dụng 2 thay vì 4 động cơ.

Kể từ năm 1995, động cơ GE90 cho Boeing 777 vẫn là động cơ phản lực mạnh nhất thế giới - cho đến khi GE9X giành vị trí này vào năm ngoái. “Vào những năm 80, mọi người biết rằng cánh quạt mở là một ý tưởng tuyệt vời. Nhưng ngày đó chúng ta chưa đủ khả năng tối ưu hóa khí động học và âm học” - Harper chia sẻ.

Harper cho hay, cả GE và Safran đều đã đạt được “những tiến bộ đáng kinh ngạc nhờ các công cụ phân tích và tính toán, được củng cố bởi các kết quả thử nghiệm từ các đường hầm gió cho đến các thử nghiệm toàn bộ động cơ”. Safran đã thử nghiệm mô hình rotor mở từ năm 2018.

Chế tạo một chiếc quạt lớn hơn không phải là cách duy nhất để làm cho động cơ hoạt động hiệu quả hơn. Một cách tiếp cận khác là cải thiện phần lõi của động cơ chứa máy nén, bộ đốt, tuabin và các bộ phận khác giúp chuyển đổi năng lượng của nhiên liệu thành chuyển động quay hiệu quả.

Nhóm RISE đang làm điều này bằng cách sử dụng một vật liệu cách mạng khác đã được thử nghiệm trong động cơ LEAP và GE9X: Vật liệu hỗn hợp ma trận gốm - hay còn gọi là CMC. Đây là vật liệu có trọng lượng bằng một phần ba thép nhưng có thể chịu được nhiệt độ cao tới 1.300 độ C, vượt quá điểm nóng chảy của nhiều siêu hợp kim kim loại tiên tiến, giúp cải thiện hiệu suất nhiệt của động cơ. Điều này có ý nghĩa lớn đối với việc cải thiện hiệu suất chịu nhiệt của động cơ. “Chúng tôi mất đến 30 năm để ứng dụng nó trong LEAP, động cơ bán chạy nhất trong lịch sử của CFM với khoảng 4.500 động cơ đã được bán ra trong 5 năm qua. Chương trình LEAP giúp chúng tôi biết cách sản xuất hàng loạt các bộ phận từ vật liệu CMC và tận dụng các đặc tính của nó để thiết kế các bộ phận mới” - Ted Ingling, cựu kỹ sư của GE Aviation, người đã dẫn đầu chương trình phát triển GE9X cho biết. 

Harper đã hứng thú với ngành hàng không vũ trụ từ khi còn nhỏ

Trong chương trình RISE, động cơ thử nghiệm dự kiến sẽ có các bộ phận in 3D, hệ thống điện lai, mạch truyền nhiệt và các công nghệ đột phá khác.

Nhóm RISE cũng nghiên cứu cách để các nhà sản xuất và vận hành máy bay có thể tận dụng tối đa công nghệ tiên tiến này. “Bằng cách làm việc cùng với các nhà sản xuất máy bay để tối ưu hóa việc lắp đặt và hiệu suất của động cơ trên máy bay, chúng tôi có thể mang đến động cơ tốt nhất cho chiếc máy bay tốt nhất và ngược lại” - Harper nói. “Tôi cũng dành nhiều thời gian với các hãng hàng không để hiểu rõ chiến lược đổi mới đội bay và phát triển bền vững. Tôi tin rằng các sản phẩm tương lai của chúng tôi có thể giúp đáp ứng nhu cầu cả trước mắt và sau năm 2050 của họ”.

Đối với Harper, dường như cả mấy thế kỷ đã trôi qua kể từ chuyến bay đầu tiên đưa gia đình anh từ Chicago đến Florida. “Tôi dành cả đời để học cách ngành hàng không vận hành và cách mà các bộ phận được kết hợp với nhau. Tôi cố gắng học nhiều và nhanh nhất có thể, tìm đến những người giúp tôi có thể học được nhiều nhất có thể. Khi là một đứa trẻ dõi theo máy bay cất và hạ cánh, tôi không bao giờ nghĩ rằng mình có thể tham gia vào việc phát triển các công nghệ giúp cho hàng không bền vững hơn và phát triển lâu dài”.