Vì sao phải mất khoảng 10-15 năm mới phát triển ra được một động cơ máy bay?

Vào cuối năm 2020, các máy bay dân dụng Nga MС-21-310 và Il-114-300 được trang bị động cơ nội địa PD-14 (phản lực cánh quạt) và TV7-117ST-01 (tuốc bin cánh quạt) đã thực hiện các chuyến bay đầu tiên. Hai loại động cơ này dự kiến trang bị cho các máy bay Nga. Các chuyên gia Nga đang phát triển động cơ phản lực cánh quạt mạnh hơn (PD-35) và động cơ có lực đẩy thấp hơn (PD-8), cũng như động cơ mới cho trực thăng. Năm nay, chuyến bay thử nghiệm đầu tiên của "phòng thí nghiệm bay" Yak-40 với động cơ điện đã được lên kế hoạch. 

Vì sao phải mất khoảng 10-15 năm mới phát triển ra được một động cơ máy bay? Liệu Sukhoi dân dụng (SSJ-100) có nhận được động cơ máy bay nội địa? Khi nào máy bay thương mại sẽ được trang bị động cơ điện hoặc động cơ chạy bằng nhiên liệu hydro? 

Một trong những chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực chế tạo động cơ máy bay Mikhail Gordin, Tổng Giám đốc Viện thiết kế Động cơ Hàng không Trung ương (TsIAM) trả lời các câu hỏi này trong cuộc phỏng vấn của Sputnik. 

Không một chiếc máy bay Nga nào có thể cất cánh nếu không có sự tham gia của TsIAM 

Trước hết, Mikhail Gordin lưu ý rằng, Viện thiết kế Động cơ Hàng không Trung ương thực hiện các nghiên cứu trong lĩnh vực này trong 90 năm qua. TsIAM đã tham gia vào tất cả, không có ngoại lệ, dự án phát triển động cơ máy bay. Các chuyên gia của TsIAM cung cấp hỗ trợ khoa học cho các dự án thiết kế và thử nghiệm động cơ máy bay và thu lượm được kinh nghiệm phong phú trong lĩnh vực này. 

Có thể nói, bất chấp những khó khăn vào những năm 1990, Nga vẫn giữ được năng lực chế tạo động cơ máy bay của Liên Xô. LB Nga vẫn là một trong những quốc gia hàng đầu trong lĩnh vực này (đó là Mỹ, Anh, Pháp, Nga và cả Đức). Không thể chế tạo từ con số 0 một động cơ máy bay hiện đại nếu không có “nền tảng”, nếu không có tính liên tục. Ví dụ, trong quá trình phát triển động cơ PD-14 (động cơ đầy hứa hẹn với lực đẩy 14 tấn) dành cho máy bay dân dụng MC-21, các chuyên gia đã tính đến những phát triển được thực hiện dưới thời Liên Xô. Quá trình phát triển động cơ máy bay kéo dài 10-15 năm. Đây là một quá trình phức tạp đòi hỏi nhiều trí tuệ và am hiểu kiến thức. Chuyến bay đầu tiên của máy bay dân dụng MC-21 với PD-14 cho thấy rằng, quá trình phát triển động cơ đã hoàn thành đầy đủ và có thể chuẩn bị để sản xuất hàng loạt. Cả hai động cơ cho máy bay MC-21 - của Mỹ và Nga - đều có giấy chứng nhận chất lượng kiểu loại của Nga. Bây giờ Cơ quan Vận tải Hàng không Liên bang Nga phải cung cấp giấy chứng nhận cho bản thân máy bay, sau đó cho phiên bản sửa đổi MC-21 / PD-14. Hiện nay đang tiến hành quá trình chuẩn bị cho việc xác nhận giấy chứng chỉ cho loại máy bay này với cả hai tùy chọn động cơ tại Cơ quan An toàn Hàng không của Liên minh châu Âu (EASA). 

Sputnik: Các công việc chế tạo những loại động cơ hiện đại khác đang phát triển như thế nào? Ví dụ, động cơ PD-35 tạo lực đẩy lớn hơn, hoặc các loại động cơ với công suất thấp hơn PD-14?

Mikhail Gordin: Các công việc nghiên cứu và phát triển động cơ PD-35 được tiến hành từ năm 2016. Cơ sở phát triển chính là UEC-Aviadvigatel, còn TsIAM là một trong những cơ sở chính thực hiện dự án. Đặc điểm của dự án này là tất cả các giải pháp kỹ thuật cho động cơ phải được thực hiện để đảm bảo “chi phí vòng đời tối thiểu”. Tức là, mục tiêu không chỉ là đạt được các đặc tính kỹ thuật (tiết kiệm nhiên liệu và vòng đời) hoặc sự kết hợp tối ưu giữa các đặc tính và giá cả, mà còn là chi phí tối ưu cho toàn bộ vòng đời của động cơ. Có tới 18 công nghệ quan trọng nhất đang được phát triển cho động cơ PD-35 (máy nén khí cao áp hiệu suất cao, hệ thống quản lý động cơ, trục động cơ, buồng đốt, máy tạo khí - trái tim của động cơ, công nghệ sản xuất các bộ phận và nhiều hơn nữa). Một cải tiến quan trọng là cánh quạt composite. Trong tương lai, động cơ PD-14 cũng có thể được trang bị cách quạt composite, nếu các chuyên gian sẽ xác định tính hiệu quả kinh tế của điều này. Nói về động cơ có công suất thấp hơn, trong khuôn khổ dự án SSJ-NEW các chuyên gia đang phát triển động cơ PD-8 được thiết kế để thay thế động cơ SaM146 của Pháp-Nga trên máy bay Sukhoi Superjet. TsIAM cũng đang phát triển các loại động cơ trục cánh quạt (cho trực thăng) và động cơ phản lực cánh quạt (cho máy bay) hợp nhất sâu sắc với chúng: TV7-117V cho Mi-38 và TV7-117ST-01 cho Il-114-300. Ngoài ra, các động cơ VK-650V và VK-1600V cho máy bay trực thăng đang được phát triển với sự tham gia tích cực của TsIAM. 

Sputnik: Gần đây, Airbus đã trình làng các mẫu máy bay khái niệm chạy bằng hydro. Viện TsIAM đang phát triển những dự án đột phá nào? Ví dụ, chúng tôi biết rằng, TsIAM và Quỹ Nghiên cứu tiềm năng (FPI) đang phát triển động cơ điện dành riêng cho máy bay.

Mikhail Gordin: Hiện nay khó có thể thực hiện bước nhảy vọt trong lĩnh vực chế tạo động cơ phản lực mang lại hiệu suất đốt cháy nhiên liệu cao hơn, hiệu quả kinh tế cao hơn và tính thân thiện với môi trường. Chính bởi vậy, các tổ chức khoa học trên thế giới đang phát triển các loại động cơ điện và công nghệ lưu trữ năng lượng trên máy bay. 

Vấn đề là ở chỗ: mật độ năng lượng (W.h/kg) trong pin lithium-ion hiện đại tiên tiến nhất là kém hơn một lần rưỡi so với nhiên liệu trên cơ sở dầu hỏa. Máy bay Pipistrel hai chỗ ngồi chạy bằng điện hoàn toàn được chứng nhận ở nước ngoài, chỉ có điện dự trữ trong vòng 45 phút bay. Khi các chuyên gia cố gắng tăng thời gian bay, máy bay mất tác dụng - pin chiếm quá nhiều khối lượng. Chỉ có các động cơ hybrid mới có thể giúp hưởng lợi từ sức kéo điện đồng thời duy trì hiệu suất trọng lượng chấp nhận được. Trong các giai đoạn nhu cầu điện năng tối đa - cất cánh và hạ cánh, động cơ điện sẽ hoạt động cả từ pin và từ động cơ nhiệt. Trong chế độ bay hành trình, động cơ nhiệt sẽ cung cấp năng lượng cho chuyến bay đồng thời sạc pin. Tôi cho rằng, trong những năm 2030 sẽ xuất hiện máy bay với động cơ hybrid có thể bay chặng bay ngắn (dành cho 9-19 hành khách) và cũng có thể là máy bay cho các tuyến khu vực. Dự kiến ​​máy bay với động cơ hybrid có thể bay chặng bay dài chỉ có thể xuất hiện sau năm 2040. 

Có cả những giải pháp khác cho động cơ điện. Năm nay, TsIAM, Quỹ FPI và công ty SuperOx của Matxcơva lên kế hoạch sử dụng phòng thí nghiệm bay Yak-40 để thử nghiệm động cơ điện làm việc trên cơ sở hiệu ứng siêu dẫn. Sau đó, chúng tôi sẽ biết về các công nghệ siêu dẫn nhiều hơn bất kỳ ai khác trên thế giới. 

Sputnik: Nhìn về tương lai xa, liệu hàng không có thể sử dụng động cơ chạy bằng nhiên liệu hydro?

Mikhail Gordin: Tất nhiên. Về hiệu suất trọng lượng, mật độ năng lượng (W.h/kg), hydro lỏng là chất tích lũy năng lượng tốt hơn gấp nhiều lần so với dầu hỏa. Do đó, rất có lợi khi sử dụng chất này. Tôi xin nhắc lại với các bạn: vào năm 1988, Liên Xô là nước đầu tiên và duy nhất trên thế giới thử nghiệm dùng hydro hóa lỏng làm nhiên liệu trên "phòng thí nghiệm bay" Tu-155 (phiên bản sửa đổi của máy bay Tu-154). Hiện nay, nhiều đồng nghiệp nước ngoài đang cố gắng tiếp cận kiến thức này của chúng tôi, đưa nội dung này vào một số dự án hợp tác quốc tế. Tuy nhiên, Nga không có ý định bán "bí quyết" này để lấy tiền, nhưng chúng tôi có thể suy nghĩ về những dự án chung. 

Tuy nhiên, nhiên liệu hydro có những phức tạp riêng của nó. Thứ nhất, đó là chất lỏng đông lạnh đòi hỏi cơ sở hạ tầng và kỹ năng nhân sự phù hợp. Thứ hai, nó chiếm nhiều thể tích hơn dầu hỏa. Do đó, khối lượng nhiên liệu hydro cần thiết và số lượng hành khách hợp lý về mặt thương mại không phù hợp với sơ đồ khí động học của máy bay hiện đại. Cần phải tạo ra những chiếc máy bay có cách bố trí khác, - Mikhail Gordin, Tổng Giám đốc Viện thiết kế Động cơ Hàng không Trung ương (TsIAM) kết luận.