GE Catalyst: Đột phá mới cho thị trường động cơ tuabin cánh quạt
Hơn 100 năm trước, khi Sanford Moss được cấp bằng sáng chế cho một thiết kế tuabin khí mới, ông hy vọng thiết bị này sẽ thay đổi thế giới. Và nó thực sự đã làm được điều đó, chỉ là khác so với cách mà ông hình dung ban đầu.
Tuabin khí của Moss sử dụng nhiều nhiên liệu nhưng tạo ra quá ít điện nên ông đã tạm gác lại dự án này. Đến năm 1917, Ủy ban Cố vấn Hàng không Quốc gia (tiền thân của NASA) yêu cầu ông tiếp tục nghiên cứu. Lúc đó, Thế Chiến I - cuộc xung đột quân sự lớn đầu tiên sử dụng máy bay đang diễn ra dữ dội và chính phủ Mỹ muốn GE giúp phi cơ của họ hoạt động tốt hơn khi bay trong không khí loãng ở độ cao lớn. Kỹ sư Moss của GE đã phủi bụi tấm bằng sáng chế của mình và tạo ra một tuabin hướng tâm có khả năng nén không khí đi vào động cơ để tạo ra luồng khí giống như dưới mặt đất. Thiết bị này được gọi là turbosupercharger (bộ siêu tăng áp), giúp máy bay phục hồi lực đẩy đồng thời ghi danh Moss vào Đại sảnh Danh vọng Hàng không Quốc gia Hoa Kỳ cũng như mở đường cho GE gia nhập thị trường hàng không. “Về cơ bản, ông ấy gần như đã nâng một sân bay từ dưới mặt đất lên đến độ cao hơn 4.000 m so với mực nước biển bằng bộ siêu tăng áp” - Paul Corkery, Tổng Giám đốc phụ trách động cơ tuabin cánh quạt tại GE Aviation cho biết.
Giờ đây, Corkery cũng đang nối tiếp bước chân của Moss. 15 năm đầu tiên trong hơn ba thập kỷ làm việc tại GE, Corkery tập trung vào nghiên cứu tuabin khí. Còn hiện nay, ông đang điều hành nhóm 400 kỹ sư hàng không trong một dự án phát triển động cơ tuabin cánh quạt mới có tên Catalyst - thiết kế mới đầu tiên trên thị trường này trong 50 năm qua. Họ tin rằng động cơ này sẽ nâng ngành hàng không lên một tầm cao mới.
Bước đột phá cho động cơ tuabin cánh quạt
Catalyst kế thừa công nghệ và bí quyết từ các động cơ phản lực thương mại cỡ lớn của GE đồng thời được bổ sung thêm một số tính năng mới như hệ thống điều khiển kỹ thuật số. Nó được kỳ vọng sẽ thay đổi hoàn toàn cách phi công điều khiển động cơ tuabin cánh quạt, tiết kiệm nhiên liệu và giảm lượng khí thải CO2 tới 20% so với các động cơ hiện có trên thị trường. Catalyst còn sử dụng nhiên liệu hàng không bền vững (SAF) hay nhiên liệu sinh học đồng thời cũng có thể vận hành một số mẫu thiết bị bay không người lái và máy bay điện lai mới. “Về mặt công nghệ, nó thực sự sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho các công ty sản xuất máy bay” - Corkery nói. “5 năm trước, khi bắt đầu phát triển động cơ này, chúng tôi đã đưa ra rất nhiều quyết định và những quyết định đó đã giúp chúng tôi chuẩn bị tốt cho tương lai”.
Paul Corkery (trái) và Milan Slapak mang một mô hình động cơ GE Catalyst đến triển lãm hàng không tại Oshkosh tháng 7 vừa qua. Ảnh: Alex Schroff/GE Reports.
Để đạt được những thành quả này, Corkery và các đồng nghiệp đã vận dụng những công nghệ tiên tiến chưa từng được thử nghiệm trên động cơ tuabin cánh quạt. Điển hình như thay đổi hình dạng tuabin - tính năng vốn dĩ được GE và huyền thoại hàng không Gerhard Neumann phát triển cho động cơ phản lực siêu thanh. Neumann đã tìm ra cách xoay cánh stato của động cơ khi bay làm thay đổi áp suất bên trong tuabin và giúp máy bay đạt vận tốc siêu thanh. Khi ứng dụng vào dự án Catalyst, thiết kế này cho phép kỹ sư tăng áp suất và nhiệt độ bên trong động cơ, tiêu thụ nhiên liệu hiệu quả hơn, gia tăng lực đẩy và tốc độ khi đạt tầm cao. “Lực đẩy cao hơn cho phép công ty sản xuất máy bay có thể thiết kế khoang hành khách rộng rãi, thoải mái hơn và tạo ra chiếc máy bay bay nhanh hơn khi lên cao” - Corkery cho biết. “Không chỉ bay nhanh hơn, nó còn tiêu thụ ít nhiên liệu đồng thời thải ra ít khí CO2 hơn. Chúng tôi biết cách làm điều đó vì đã thực hiện thành công trên những động cơ lớn khác”.
Năm ngoái, GE cam kết sẽ “trung hoà carbon” trong các hoạt động công ty vào năm 2030. Đồng thời, trong Báo cáo Phát triển Bền vững 2020 công bố trong tháng 7 vừa qua, công ty còn đặt ra một mục tiêu cao hơn: năm 2050, GE sẽ “không phát thải” trong cả quá trình sử dụng những giải pháp của hãng. Trên lộ trình thực hiện điều đó, khi nghiên cứu và phát triển động cơ Catalyst, GE cũng phối hợp với nhiều bên - trong đó có Sáng kiến Clean Sky và dự án Maestro trong khuôn khổ sáng kiến. Đây là chương trình nghiên cứu lớn nhất châu Âu về giảm phát thải trong ngành hàng không.
Trước Catalyst, nhiều động cơ khác của GE cũng được triển khai thành công tại nhiều quốc gia với mục tiêu giảm phát thải trong ngành hàng không. Tại Việt Nam, những động cơ tiết kiệm nhiên liệu của GE Aviation như GEnx, GE90 hay LEAP của liên doanh CFM đã được các hãng hàng không trong nước đưa vào sử dụng vì tính hiệu quả cao. Những công nghệ này đã được chứng minh giúp giảm đến 40% mức tiêu thụ nhiên liệu và lượng khí thải CO2 cho ngành hàng không[1].
Cuối tháng 7, GE đã mang một mô hình của động cơ Catalyst đến triển lãm hàng không EAA tại Oshkosh, Wisconsin - một trong những sự kiện hàng không lớn nhất thế giới. “Chúng tôi có mặt tại Oshkosh vì đây là trung tâm của ngành công nghiệp hàng không. Mọi người đều đến tham dự và chúng tôi mang tới công nghệ mới”. Một động cơ Catalyst thật đã được lắp trên máy bay thử nghiệm Beechcraft King Air ở Berlin và đang chờ bay chuyến đầu tiên.
Động cơ GE Catalyst đang được lắp vào máy bay Beechcraft Denali của hãng Textron. Ảnh: Textron.
Bên cạnh hiệu suất cao kế thừa từ những mẫu động cơ lớn tiền nhiệm, GE Catalyst còn sở hữu một bộ não tinh vi được gọi là là FADEC (full authority digital engine control - tạm dịch: hệ thống điều khiển động cơ kỹ thuật số toàn quyền). FADEC giúp phi công có thể điều khiển cả động cơ và cánh quạt. Hệ thống lái này gồm hai máy tính dự phòng có khả năng thu thập dữ liệu từ các cảm biến tốc độ, cao độ, nhiệt độ và mật độ không khí cùng nhiều yếu tố khác, giúp phi công điều khiển máy bay theo cách tối ưu nhất.
Buồng lái của máy bay Beechcraft Denali. “Phi công chỉ cần điều chỉnh một cần gạt duy nhất như khi lái máy bay phản lực vậy” - Corkery giải thích. Ảnh: Textron.
Hệ thống này đã được sử dụng rộng rãi trong các loại máy bay phản lực trong 10 năm qua nhưng chưa từng được thử nghiệm trên dòng máy bay cánh quạt thương mại. Hệ thống FADEC của Catalyst sẽ giúp phi công có nhiều thời gian lái máy bay hơn thay vì phải điều chỉnh các thông số động cơ. “Hệ thống FADEC biết tình trạng cụ thể của máy bay, sau đó sẽ tối ưu độ nghiêng cánh quạt và lưu lượng nhiên liệu dựa trên tình trạng đó” - Corkery giải thích. “Phi công không cần phải xem biểu đồ để tối ưu hoá hành trình bay rồi cài đặt thông số chính xác bằng bốn cần gạt nữa. Tất cả sẽ được số hoá. Họ sẽ chỉ cần điều chỉnh một cần gạt duy nhất như khi lái máy bay phản lực vậy”.
Nâng ngành hàng không lên một tầm cao mới
Theo Milan Slapak, Giám đốc Điều hành của GE Aviation CH Séc tại Prague - trung tâm nghiên cứu động cơ tuabin cánh quạt của GE, hệ thống FADEC sẽ mở ra cánh cửa bay tự hành. “Nó không giống như việc có ai đó bí mật điều khiển thiết bị từ xa. Thay vào đó, chúng ta có thể sử dụng công nghệ trí tuệ nhân tạo AI để ra lệnh cho FADEC, sau đó FADEC sẽ tự lái” - Slapak cho biết.
Textron Aviation là công ty sản xuất máy bay đầu tiên sử dụng động cơ Catalyst. Họ đã hợp tác với GE để phát triển một động cơ tuabin cánh quạt hiệu suất cao mới cho chuyên cơ Beechcraft Denali. Chiếc máy bay một động cơ này dự kiến có vận tốc hành trình 285 hải lý/h (528 km/h), tải trọng đầy bình nhiên liệu 1100 lb (499 kg) và tầm bay 1600 nm (2963 km) khi chở 4 hành khách và một phi công. “Khi nhìn vào quá trình phát triển chiếc Beechcraft Denali cũng như động cơ GE Catalyst, ta sẽ thấy sự song hành” - Alex Hunt, cố vấn marketing mảng kỹ thuật của Textron chia sẻ. “GE đang giúp đỡ chúng tôi đạt được những yêu cầu động cơ cần thiết để duy trì khung máy bay cho một chiếc chuyên cơ kiểu phản lực”.
Khoang hành khách theo phong cách máy bay phản lực của chiếc Denali là một minh hoạ tốt cho dự án hợp tác này. Các kỹ sư của Textron chế tạo khoang hành khách từ nhôm nguyên khối để gia tăng độ bền và mở rộng kích thước cabin. Tương tự như trong các mẫu máy bay phản lực lớn hơn của hãng, Textron Aviation thường sử dụng vật liệu nguyên khối được gia công cao tốc để giảm trọng lượng, chi phí và tăng không gian cabin. Luồng khí được hút vào động cơ thông qua một hệ thống điều áp kỹ thuật số để điều áp cho khoang cabin, giúp hành khách ở độ cao 9.144m có thể hít thở dễ dàng như đang ở độ cao chỉ 1.829m so với mực nước biển. Đây là trải nghiệm chỉ có ở những dòng máy bay phản lực chở khách thế hệ mới nhất như chiếc Boeing 777X. “Hành khách sẽ cảm thấy rất dễ chịu. Họ kết thúc chuyến bay với cảm giác thư thái và sảng khoái” - Hunt cho biết.
“Khi nhìn vào quá trình phát triển chiếc Beechcraft Denali cũng như động cơ GE Catalyst, ta sẽ thấy sự song hành” - Alex Hunt, cố vấn marketing mảng kỹ thuật của Textron chia sẻ. Ảnh: Alex Schroff/GE Reports.
Như nhiều công ty sản xuất máy bay và hãng hàng không ngày nay, Hunt khá hứng thú với hiệu suất và khả năng sử dụng nhiên liệu hàng không bền vững của động cơ Catalyst. “Một trong những khoản đầu tư lớn nhất gần đây của Textron Aviation là nhiên liệu bền vững” - Hunt nói. “Toàn bộ máy bay của chúng tôi đều có thể sử dụng nhiên liệu SAF và chúng tôi rất vui khi có thể tiếp tục điều đó với động cơ GE Catalyst của chuyên cơ Beechcraft Denali. Nhiên liệu hàng không bền vững thực sự giúp giảm phát thải carbon”.
Ngoại trừ một số thử nghiệm trên băng tại Canada, Corkery và đồng nghiệp đã nghiên cứu và phát triển động cơ GE Catalyst gần như hoàn toàn tại châu Âu. Các kỹ sư Italia của Avio Aero - một công ty con thuộc GE Aviation - thiết kế động cơ và những chi tiết chính như hộp số, hệ thống FADEC và các chi tiết tuabin cao áp. Nhóm nghiên cứu tại Ba Lan và Đức chế tạo máy nén khí và các chi tiết khác còn CH Séc là nơi đặt trụ sở, tiến hành thử nghiệm mặt đất và đặt nhà máy lắp ráp. “Tuyển dụng nhanh 400 nhân sự phù hợp cho dự án không phải việc dễ dàng nên chúng tôi đã đến nơi có nhiều tiềm năng nhất” - Corkery chia sẻ.
Động cơ có thể điều áp khoang cabin, giúp hành khách ở độ cao 9.144m có thể hít thở dễ dàng như đang ở độ cao chỉ 1.829m so với mực nước biển. Ảnh: Textron.
GE Aviation cũng hợp tác với Đại học Kỹ thuật Cộng hoà Séc (CVUT) để phát triển một phương pháp bảo dưỡng dự phòng mới cho các động cơ tuabin cánh quạt hiện đại như Catalyst. Máy bay của CVUT sẽ thực hiện các chuyến bay thử nghiệm để tạo dữ liệu nghiên cứu. Chuyến bay đầu tiên sẽ diễn ra tại Đức, sau đó phần lớn thử nghiệm sẽ được thực hiện tại Cộng hoà Séc. “Mỗi động cơ mới được phát triển vào thời hiện đại đều cần các mô hình theo dõi và dự đoán hiệu suất tiên tiến nhất” - Slapak nói. “CVUT chọn chiếc King Air 350 là mẫu thử nghiệm lý tưởng để cung cấp dữ liệu cho việc nghiên cứu và phát triển mô hình, đồng thời chúng tôi cũng vui khi máy bay của trường sẽ thực hiện chuyến bay đầu tiên sử dụng động cơ Catalyst”.
Kết luận lại, thiết kế tuabin của Sanford Moss thực sự đã thay đổi thế giới. Vậy nên, không có gì bất ngờ khi các lứa kỹ sư kế cận ông đang giúp nâng ngành hàng không lên một tầm cao mới.
[1] https://vir.com.vn/ges-hi-tech-supports-vietnams-burgeoning-aviation-industry-30990.html