Những giải pháp năng lượng và động cơ thay thế cho ngành hàng không
Một trong những xu hướng phát triển của ngành hàng không thế giới ở thời điểm hiện tại là việc sử dụng các loại động cơ và nhiên liệu thay thế.
SputnikVấn đề này được xem xét như thế nào tại Viện Khí động học Trung ương (TsAGI), một trong những cơ sở khoa học hàng không hàng đầu không chỉ ở Nga mà còn trên thế giới? Những chi tiết - trong tài liệu của Sputnik.
Tại sao các nhà thiết kế máy bay (và cả các nhà chế tạo động cơ máy bay) trên toàn thế giới bắt đầu nghiên cứu về những hệ thống dẫn động bằng điện mới cho máy bay?
Trước hết bởi vì
trữ lượng dầu - nguyên liệu chính để làm nhiên liệu hydrocacbon cho động cơ máy bay - trên hành tinh chúng ta không phải là nguồn tài nguyên vô hạn. Nhiên liệu dầu hỏa cho động cơ phản lực và động cơ diesel hàng không vốn đã khá đắt, xăng máy bay cho động cơ của các phương tiện bay hạng nhẹ và trực thăng thậm chí còn đắt hơn.
Thứ hai, vấn đề sinh thái - khí thải và tiếng ồn của động cơ máy bay cũng gia tăng lên tới đỉnh điểm. Tất nhiên, vấn đề này đang được giải quyết, nhưng, một giải pháp cơ bản là việc đưa vào vận hàng các phương tiện bay với động cơ điện thay thế hoặc với nhiên liệu thay thế mới.
Gần đây, Viện Khí động học Trung ương (TsAGI) ở khu vực Matxcơva là một trong những trung tâm công nghệ hàng không tầm cỡ thế giới, đã tổ chức Ngày báo chí. Trong khuôn khổ chương trình này đã tổ chức các cuộc họp báo với sự tham gia các nhà lãnh đạo của viện - Tổng Giám đốc TsAGI, Tiến sĩ Khoa học Kỹ thuật, Giáo sư Kirill Sypalo và Giám đốc Khoa học, Viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học Nga, Tiến sĩ Khoa học Vật lý và Toán học, Giáo sư Sergey Chernyshev. Ngoài một số vấn đề khác trong sự phát triển của ngành hàng không Nga, cuộc họp báo này cũng đề cập đến chủ đề động cơ điện và nhiên liệu thay thế đầy hứa hẹn.
Nhiên liệu khí: hydro, metan, hỗn hợp propan-butan
Một trong những lựa chọn là cải tiến hơn nữa các loại động cơ hiện có, chuyển đổi động cơ thành động cơ chạy khí cryogenic. Và ở đây Nga có một lợi thế khách quan - trữ lượng khí đốt tự nhiên khổng lồ. Trên thực tế, khí tự nhiên gần như là nhiên liệu làm sẵn. Một loại nhiên liệu khác - rất thân thiện với môi trường - có thể là hydro.
Trả lời câu hỏi của các nhà báo về triển vọng sử dụng nhiên liệu cryogenic (khí hóa lỏng và hydro lỏng) trong ngành hàng không, Viện sĩ Sergey Chernyshev lưu ý:
“Khoảng chục năm trước, chúng tôi đã thảo luận vấn đề này với các đồng nghiệp nước ngoài. Tất cả họ đều nói về quá trình chuyển đổi sang nhiên liệu sinh học trong tương lai, hay như họ gọi nó - nhiên liệu hàng không bền vững - (SAF-sustainable Aviation Fuel), tức là không dựa trên dầu mỏ. Khi đó các chuyên gia TsAGI đã đề xuất xem xét những lựa chọn khác. Ví dụ, quay trở lại việc sử dụng hydro và các loại nhiên liệu cryogenic dựa trên hydrocarbon làm nhiên liệu cho động cơ máy bay.
Tôi xin nhắc lại rằng, Liên Xô là quốc gia duy nhất đã chứng minh khả năng sử dụng nhiên liệu cryogenic - metan lỏng và hydro lỏng - trong chuyến bay của chiếc máy bay Tu-155 là một chiếc Tu-154 hoán cải được sử dụng để thử nghiệm nhiên liệu thay thế. Các chuyên gia trong lĩnh vực hàng không đã ủng hộ ý tưởng sử dụng hydro. Và ngày nay, các nhà sản xuất máy bay hàng đầu đưa ra dự báo về việc chuyển đổi sang sử dụng hydro cryogenic đến năm 2050. Chúng tôi có kế hoạch phát triển năng lượng hydro ở nước mình, với khả năng sử dụng hydro trong vận tải, chẳng hạn, trong ngành vận tải đường sắt, sau đó trong ngành hàng không”.
Viện sĩ Chernyshev nhấn mạnh rằng, trong khi tiến hành nghiên cứu về nhiên liệu hydro, không nên quên về nhiên liệu hỗn hợp và dầu hỏa truyền thống. Đồng thời cần phải tìm cách giảm mức tiêu thụ nhiên liệu của động cơ máy bay, giảm khí thải độc hại phát ra từ máy bay và cải thiện các quá trình khí động trong động cơ phản lực.
“Ngoài ra, Nga là một trong những nước dẫn đầu thế giới về sản xuất dầu mỏ, có một lượng lớn khí hóa lỏng - hỗn hợp propan-butan, - ông Sergey Chernyshev lưu ý. - Và Nga gần như là quốc gia duy nhất trên thế giới có kinh nghiệm sử dụng loại nhiên liệu này trong ngành hàng không”.
Đồng thời, theo Viện sĩ Sergey Chernyshev, hiện có một số vấn đề với nhiên liệu hydro. Vâng, quá trình đốt cháy của hydro là sạch, sản phẩm cháy của nó chỉ là nước. Hãy tưởng tượng rằng, phần lớn giao thông đường không trên hành tinh chúng ta là những chiếc máy bay chạy bằng hydro. Dấu vết ngưng tụ của các động cơ như vậy sẽ tạo ra một số lượng lớn các đám mây nhân tạo. Nếu những đám mây nhân tạo bao phủ một phần đáng kể của địa cầu, chúng sẽ góp phần vào biến đổi khí hậu: chúng sẽ che giấu ánh mặt trời. Nghiên cứu sâu rộng về vấn đề này là cần thiết.
Máy bay chạy động cơ điện
Động cơ điện và
động cơ điện hybrid trên máy bay cũng là một trong những lựa chọn thay thế cho động cơ tuabin khí hiện đại. Các công việc nghiên cứu trong lĩnh vực này đang được thực hiện ở các quốc gia khác nhau. Các nhà khoa học Nga cũng đang phát triển những thiết bị như vậy. Tổng Giám đốc TsAGI, Giáo sư Kirill Sypalo cho biết về triển vọng của việc ứng dụng các loại động cơ này vào lĩnh vực hàng không.
“Trong lĩnh vực này hiện có hai xu hướng. Đầu tiên là máy bay với gần như tất cả các hệ thống được chuyển sang nguồn điện. Ý tưởng sáng tạo này thành hiện thực trong các thiết kế các máy bay Boeing-787 và Airbus-350. Các nhà thiết kế động cơ máy bay đang phải giải quyết nhiệm vụ chuyển càng nhiều hệ thống máy bay sang nguồn điện càng tốt, ngừng lấy điện từ động cơ và từ bỏ việc sử dụng động cơ chạy khí nén và động cơ thủy lực. Xu hướng thứ hai là động cơ điện, khi máy bay được đẩy đi bằng động cơ điện.
Trong số ba dự án khoa học và công nghệ chiến lược cho sự phát triển của ngành công nghiệp sản xuất máy bay Nga, động cơ điện đóng vai trò rất lớn trong hai dự án "Integral" và "Vintokryl". Tuy nhiên, theo tôi, trong hai dự án này cũng cần phải đạt được sự cân bằng tối ưu giữa việc sử dụng động cơ truyền thống và lực đẩy điện", - ông Kirill Sypalo lưu ý.
Theo ông, đối với một số loại phương tiện bay, đặc biệt là máy bay không người lái cỡ nhỏ, việc sử dụng lực kéo 100% bằng điện là hợp lý. TsAGI bắt đầu thực hiện một trong những dự án này. Và các loại động cơ hybrid phù hợp nhất với những cỗ máy lớn hơn thuộc loại máy bay khu vực. Các nhà khoa Nga cũng rất tích cực phát triển các công việc trong lĩnh vực này.
Năng lượng hạt nhân cho lực đẩy máy bay
Trả lời câu hỏi của phóng viên Sputnik về triển vọng sử dụng năng lượng hạt nhân cho lực đẩy máy bay, Tổng Giám đốc TsAGI, Giáo sư Kirill Sypalo nhắc nhở về dự án của hai kỹ sư Liên Xô Myasishchev và Gurko - máy bay vũ trụ chạy bằng năng lượng hạt nhân.
“Tôi nghĩ rằng, ở giai đoạn đầu tiên, các nhà khoa học sẽ tìm cách sử dụng năng lượng điện hạt nhân cho các hệ thống hàng không vũ trụ. Các đồng nghiệp của chúng tôi từ Rosatom đang tích cực phát triển các lò phản ứng năng lượng thấp - không cần giám sát và đủ an toàn. Nhưng, trước khi lắp đặt động cơ điện hạt nhân cho máy bay, một số vấn đề sẽ phải được giải quyết. Tản nhiệt, an toàn, tương thích điện từ. Tuy nhiên, giới hạn của năng lượng đang được sử dụng cho các loại nhiên liệu hiện đại và phương thức di chuyển hiện đại đã gần kề. Chúng tôi phải tiến lên phía trước. Và nhu cầu sử dụng năng lượng hạt nhân, như thường nói, là một vấn đề hiển nhiên và rõ ràng. Năng lượng hạt nhân đã được thử nghiệm trong ngành hàng hải. Chúng tôi hy vọng rằng, các hệ thống hàng không vũ trụ sẽ được trang bị những động cơ như vậy, và trong tương lai chúng tôi có thể nghĩ đến việc sử dụng chúng trong ngành hàng không dân dụng”.
Viện sĩ Chernyshev, Giám đốc Khoa học của TsAGI, nói thêm rằng, trước hết cần phải cân nhắc tính hợp lý, hiệu quả của việc sử dụng đông cơ điện hạt nhân trên các phương tiện vận tải đường không tương lai, phân tích chi tiết ưu và nhược điểm, trên hết là vấn đề an toàn bay. Ngoài ra, Sergey Chernyshev lưu ý đến "hiệu ứng kinh tế quy mô": một chiếc máy bay với động cơ điện hạt nhân không thể có kích thước nhỏ. Liệu chiếc
máy bay khổng lồ sẽ có nhu cầu trên thị trường vận tải đường không? Máy bay này có thể lặp lại số phận của máy bay chở khách khổng lồ Airbus A380 hóa ra “không thực sự cần thiết”, và tập đoàn Airbus đã ngừng sản xuất “siêu máy bay”.