Công nghệ máy bay Hoa Kỳ

Việt Nam cần hiểu biết tương lai tiến bộ phát triển chuyển vận thế giới tương lai không những trên biển cả , đất liền mà còn ngay cả trên không ( phận ) nữa :

    Những sáng kiến không thể tưởng tượng nổi ở ngành công nghệ máy bay Hoa Kỳ 

                                     G S Tôn Thất Trình

1-      Bay với phân nửa nhiên liệu:

Cơ quan không gian Hoa Kỳ NASA yêu cầu các kỷ sư chế tạo máy bay chóp bu thế giới giải quyết vấn đề khó khăn nhất ngành hàng không thương mãi.  Cách nào máy bay bay sạch hơn, êm dịu hơn và dùng ít nhiên liệu hơn. Những kiểu mẩu đầu tiên sẽ đặt ra một tiêu chuẩn mới cho máy bay hai chục năm tới.

`     Các phản lực chở hành khách  tiêu thụ một số nhiên liệu to lớn. Một Boeing 747 đốt cháy 20 lít ( 5 ga lông ) nhiên liệu để bay một dặm Anh, và khi giá nhiên liệu tăng thì   giá vé cũng tăng theo. Các kỷ sư hảng Lockheed Martin phát triễn ý niệm Cánh Hộp – Box Wing để tìm những phương thức mới  giảm bớt đốt cháy nhiên liệu mà không vất bỏ hình  dáng căn bản máy bay hiện hửu. Cố thích nghi những vật liệu tìm thấy ở các máy bay chiến đấu phản lực F-22 và F-35, họ đã họa kiểu hình dung cánh vòng thòng lọng có cơ  tăng thêm tỉ lệ bay lên và kéo lê thê - lift –to – drag đến 16%, giúp chúng bay xa hơn sử dụng ít nhiên liệu hơn, trong khi vẫn lọt vào được các cổng phi trường.      

    Chúng cũng đang  đào chôn  các động cơ quạt-tua bin – turbofans qui ước, thay bằng các động cơ  rẽ ngang tránh qua các quạt tuabin cao siêu – ultra - high bypass. Giống như mọi quạt -tua bin,  chúng tạo ra sức đẩy  băng cách hút không khí  xuyên qua một  quạt ở phía trước  động cơ và bằng cách đốt cháy một pha trộn nhiên liệu – không khí  ở lõi động cơ.  Nhờ quạt rộng 40% hơn những loại sử dụng ngày nay, các động cơ Cánh Hộp  rẽ ngang tránh  – bypass  lõi, nhiều lần  tỉ xuất các động cơ hiện hửu. Ở tốc độ siêu âm, cách xếp đặt này cải thiện hiệu quả  22 %.   Cọng thêm  hình dạng mới của cánh hộp, tăng  cường tiết kiệm nhiên liệu và máy bay  này  là 50% hửu hiệu hơn các máy bay trung bình.  Cánh lên cao hơn nữa, giúp các phi công hạ xuống  thẳng dốc hơn  ở những nơi dân cư đông đúc  khi động cơ chạy ở những sức thấp hơn. Những thay đổi này sẽ giảm bớt tiếng ồn  35 decibels  và làm ngắn đường hạ xuống phi trường đến 50%. Hy vọng sẽ bán ra loại máy bay kiểu này năm 2025.        

Box Wing Jet

2-      Đem trở lui lại các máy bay siêu âm: máy bay siêu âm xanh

Cũng của hảng Lockheed Martin.  Thời đại đầu tiên của  chuyên chở thương mãi siêu âm – supersonic chấm dứt ngày 26 tháng 11 năm 2003 , với chuyến bay cuối cùng của Concorde, một máy bay ồn ào, không hửu hiệu và ô nhiễm cao.  Nhưng mơ tưởng bay  ngang nước từ Đông về Tây Hoa Kỳ  ít hơn 3 giờ đồng hồ vẫn lãng vãng và năm 2010, các nhà họa kiểu  hảng Lockheed Martin, trình bày Máy bay Xanh  Siêu âm , bay theo tốc độ  Mach1.6. Các động cơ chu kỳ  biến thiên – variable – cycle engine  sẽ cải thiện hiệu năng  bằng cáh chuyễn  từ kiểu quạt tua bin qui ước  khi cất cánh  và hạ cánh . Các máy đốt – combusters  xây đắp trong động cơ  sẽ giảm bớt ô nhiễm oxid nitrogen  75% .  Máy bay  có đuôi lật ngược hình V – inverted-V tail  và động cơ   đặt dưới cánh hầu như loại bỏ gần hết các bùm  nổ  âm thanh ,  đã khiến các quốc gia cấm không cho Concorde bay ngang qua đất liền.  Hình dạng máy bay mới cũng giảm bớt  những làn sóng áp lực  không khí ( gây ra do đụng chạm  với không khí của một máy bay bay nhanh hơn Mach 1), phối hợp  thành những làn sóng  sốc- shock waves  đồ sộ , tạo ra bùm nổ âm thanh – sonic boom. Theo Peter Coen , nhà điều nghiên chánh cho các dự án siêu âm NASA “ Tòan thể ý kiến  họa kiểu ít bùm nổ - low boom  là kiểm soát sức mạnh, vị trí và tương tác của các làn sóng sốc. Thay vì  tạo ra một vòng thòng lọng liên tục các bùm nổ to tiếng, máy bay chỉ phát một tiếng gầm gừ  buồn bả , mà  từ mặt đất sẽ  giống như tiếng ồn do một máy  chân không hút bụi mà thôi.  Hy vọng sẽ bán ra năm 2030 .    

Supersonic- siêu âm xanh

3-      Làm cho máy bay lai – Hybrids to lớn

     Phương thức tốt nhất  bảo tồn nhiên liệu phản lực  là tắt  máy các động cơ.  Đìều này chỉ thực hiện được   với một nguồn điện  thay thế , tỉ như một gói bình điện  và các motor  điện ở hệ thống đẩy lai – hybrids  propulsion system, trên loại Boeing SUGAR VOLT.  Máy bay  kích thước 737  bay được  3500 dặm Anh  sẽ dùng năng lượng của hai  nhiên liệu phản lực  và các bình điện lúc cất cánh, nhưng một khi đã đến độ cao bay đường trường - cruise , các phi công  có thể chuyễn qua  loại kiểu  toàn dùng điện.( xem phần tiếp Cao Thế - High Voltage ). Cùng lúc, các kỷ sư Boeing  đã suy tư lại sức đẩy, họ cũng suy tư đến họa kiểu cánh máy bay.  Theo lời Marty Bradley  chánh điều nghiên  của Boeing ở dự án. : “ bằng cách  làm cánh mỏng hơn  và bề ngang đôi cánh lớn hơn, bạn có thể  sản xuất  nhiều đi lên cao – lift hơn và ít lê thê – drag hơn. Cánh quá cỡ  sẽ gấp lại được, giúp cho các phi công  có thể vào được các cổng ga  tiêu chuẩn.  Chung lại, các cánh  giúp lên cao, giàn  lực đẩy – power train  và các động cơ motor mở hửu hiệu  sẽ làm SUGAR Volt 55 % hửu hiệu hơn  các máy bay trung bình. Máy bay này sẽ phát thải  60% ít carbon dioxide hơn và 80% ít  nitrous oxide hơn . Hơn nữa  tăng cường thêm hệ thống lai cung cấp,  khi cất cánh sẽ giúp cho phi công lái  sử dụng các phi đạo  ngắn, chỉ 4000 bộ Anh. (đối với hầu hết máy bay, hạ cánh đòi hỏi ít không gian hơn là cất cánh ).  Một máy bay 737  cần tối thiểu  5000 bộ Anh để cất cánh, cho nên  SUGAR Volt có thể giúp các chuyến bay xuyên lục địa Đông -Tây Hoa Kỳ đến các phi trường nhỏ bé hơn. 

SUGAR Volt

4-      Bên trong máy bay  điện sẳn sàng sản xuất đầu tiên: cao thế - high voltage

     Các kỷ sư đã phải  đối diện, theo lịch sử, hai cản trở  khi họa kiểu  máy bay điện – electric aircraft.  Các bình điện chạy các motor  điện, hoặc  quá nặng  hay  không đủ dày đặc- dense, để cung cấp đủ điện. Và những hậu quả thất bại  cũng quá cao: hết điện  chắc chắn sẽ làm máy bay rơi xuống.

     Paul Peterson,  nhà thiết lập viên và tổng giám đốc điều hành – CEO ở Portland, Oregon,  hảng  chế tạo máy bay Volta Volare,  cho biết nhiều năm qua các bình điện và  motor các  xe hơi điện ngoài kệ tủ  đã nhẹ nhàng hơn, mạnh mẽ hơn và đủ hửu hiệu để làm các chuyến bay- ít nhất là máy bay lai- hybrids, sống còn được. Mùa xuân này, Volta Volare sẽ bắt đầu thử nghiệm GT4 bốn chỗ ngồi.  Chế tạo quanh một khung tiêu chuẩn, máy bay sẽ dùng một giàn lực  lai tương tự giàn lực  ở xe hơi Chevrolet  Volt, với những bình điện có một động cơ chạy xăng trợ giúp.

   Một máy bay điện có cơ  ít tốn kém có ý nghĩa  khi hoạt động hơn cả một máy bay qui ước. Một  chuyến bay chạy điện dài 200 dặm Anh trên một máy bay cá nhân một động cơ , sẽ tiêu thụ  chừng 20 đô la điện, so với 80 đô la  tiền xăng  loại máy bay; và  một motor điện chỉ có một bộ phận  cần di chuyễn, cho nên phần lớn không phải tu bổ. Peterson nói  là những giảm bớt phí tổn này, phối hợp với các mô hình chủ quyền chia sẽ, có thể giúp  ngành hàng không cá nhân mở rộng cho nhiều người dùng hơn .

Volta Volare GT4

a-      Khung đẩy vịt -  Canard pusher air frame

 Nhóm Peterson  đặt mắt vào  một khung đẩy vịt - gọi là vịt  hay có cánh xuyên ngang ngắn  gần mủi máy bay, và cánh quạt – propeller  đặt phía sau máy bay, đẩy máy bay qua không khí. Họa kiểu “ba cánh” cống hiến cho các kỷ sư vô số chỗ để nhét các bình điện . 

b-      Cánh quạt composite carbon

   Các cánh quạt 4 lưỡi  bằng carbon composite  của GT4  nhẹ hơn các cánh quạt làm bằng kim loại hay gỗ, nhưng chúng đủ mạnh  làm những momen quay – torque các motor điện sản xuất. 

c-      Giàn lực lai - hybrid powertrain

GT4 có thể cất cánh, leo cao và bay tốc độ  đường trường - cruise  đến  300 dặm Anh  chỉ có bình điện. Khi điện cung cấp đến gần mức 25 %, một kiểm soát bình  ra dấu là động cơ xăng cần mở máy. Động cơ phát xuất điện, để sạc  lại cho bình .

d-      Motor điện

Motor điện GT4 làm từ những lõi phối  hợp  của hai motors nhỏ hơn, đặt nằm trong một phòng  aluminium xi kín. Nó có thể phát sinh một đỉnh 600 mã lực và giữ   vững 400 mã lực  suốt thời gian bay.  Khác với một động cơ nổ,  cần một  chuyên viên máy móc  một tuần lễ  phân tích và tái sắp đặt  giàn lực trong thời gian thanh tra hàng năm, một motor điện  trên GT4 sẽ chỉ cần môt chẩn đoán điện tử  mau lẹ bằng cách nối kết  một máy computer để đùi- laptop đến máy bay  nhờ cáp USB.

e-   Bình xe hơi điện

   Môt dàn trải   bình điện polymer lithium 900 cân Anh gồm 236  tế bào cá nhân, mỗi  tế bào  cở sách  bìa  giấy dày chạy motor điện, giàn lực  lai GT4 nhẹ hơn  động cơ xăng là khung  đẩy vịt – canard  pusher airframe,  nguyên được họa kiểu để mang theo, cho nên các kỷ sư  phụ thêm nhiều bình điện để cân bằng trung tâm trọng lực máy bay. Peterson nói : “   Trước đây , phi công lái sẽ phải di chuyễn những bao  đạn chì  ra - vào phòng chứa va li.  Nay chúng ta có thể sử dụng bình điện làm việc đó.

f-       Động cơ xăng bay đường dài hơn

Một động cơ xăng siêu sạc 1.5 lít  hổ trợ  hệ thống điện.  Một thùng  23 ga lông ở giữa thân máy bay  chứa đủ xăng  không chì, để kéo dài  đường  bay GT4 thêm  đến 1000 dặm. Một khi bình điện cải thiện, các kỷ sư có thể lấy động cơ xăng ra, chuyễn hóa GT4  thành một máy bay  bay bằng toàn  là điện.

( chiếu theo Khoa học Phổ thông- Popular Science tháng 5 năm 2012 )