Làm cho động cơ phản lực phù hợp với kỷ nguyên hydro
Ngọn lửa từ vòi phun hydro. Tín dụng: Nicolas Noiray / ETH Zurich
Châu Âu đang chuẩn bị cho chuyến bay trung hòa khí hậu được cung cấp năng lượng bằng hydro được sản xuất bền vững. Năm ngoái, EU đã khởi động một dự án hỗ trợ ngành công nghiệp và các trường đại học trong việc phát triển máy bay tầm trung chạy bằng hydro. Trong số những thứ khác, động cơ phản lực sẽ phải được điều chỉnh để chạy bằng nhiên liệu mới. Động cơ ngày nay được tối ưu hóa để đốt dầu hỏa.
"Hydro cháy nhanh hơn nhiều so với dầu hỏa, tạo ra ngọn lửa nhỏ gọn hơn", Nicolas Noiray, Giáo sư Khoa Kỹ thuật Cơ khí và Quy trình tại ETH Zurich giải thích. Điều này phải được tính đến khi thiết kế động cơ hydro. Các thí nghiệm của nhóm Noiray hiện cung cấp cơ sở quan trọng cho điều này. Nhóm vừa công bố kết quả của mình trên tạp chí Combustion and Flame.
Một vấn đề là độ rung, mà các kỹ sư cố gắng giảm thiểu. Trong các động cơ phản lực thông thường, khoảng 20 vòi phun nhiên liệu được bố trí xung quanh buồng đốt hình khuyên của động cơ. Quá trình đốt cháy hỗn loạn của nhiên liệu ở đó tạo ra sóng âm. Những sóng này được phản xạ trở lại từ các bức tường của buồng đốt và có tác động phản hồi lên ngọn lửa. Sự kết hợp giữa sóng âm và ngọn lửa này có thể tạo ra các rung động gây ra tải trọng lớn lên buồng đốt của động cơ.
"Những rung động này có thể làm mỏi vật liệu, trong trường hợp xấu nhất có thể dẫn đến nứt và hư hỏng", Abel Faure-Beaulieu, một cựu nghiên cứu sinh sau tiến sĩ trong nhóm của Noiray cho biết. "Đây là lý do tại sao khi phát triển động cơ mới, người ta phải cẩn thận để đảm bảo rằng những rung động này không xảy ra trong điều kiện vận hành".
Mô phỏng các điều kiện ở độ cao bay ổn định
Khi các kỹ sư phát triển động cơ dầu hỏa ngày nay, họ phải kiểm soát những rung động này. Họ đã đạt được điều này bằng cách tối ưu hóa hình dạng của ngọn lửa cũng như hình học và âm học của buồng đốt. Tuy nhiên, loại nhiên liệu có tác động lớn đến sự tương tác giữa âm thanh và ngọn lửa. Điều này có nghĩa là các kỹ sư và nhà nghiên cứu hiện phải đảm bảo rằng chúng sẽ không phát sinh trong động cơ hydro mới.
Một cơ sở thử nghiệm và đo lường tinh vi tại ETH Zurich cho phép Noiray đo âm học của ngọn lửa hydro và dự đoán độ rung tiềm ẩn. Là một phần của dự án HYDEA của EU, trong đó ông tham gia cùng với GE Aerospace, ông thử nghiệm các vòi phun hydro do công ty sản xuất.
"Cơ sở của chúng tôi cho phép chúng tôi tái tạo các điều kiện nhiệt độ và áp suất của động cơ ở độ cao bay ổn định", Noiray giải thích. Các nhà nghiên cứu ETH cũng có thể tái tạo âm học của nhiều buồng đốt khác nhau, cho phép thực hiện nhiều phép đo khác nhau. "Nghiên cứu của chúng tôi là nghiên cứu đầu tiên thuộc loại này nhằm đo hành vi âm học của ngọn lửa hydro trong điều kiện bay thực tế".
Các vòi phun cho động cơ hydro được thử nghiệm trong buồng này tại ETH Zurich. Các nhà nghiên cứu có thể tái tạo các điều kiện thực tế ở độ cao bay ổn định. Nguồn: Nicolas Noiray / ETH Zurich
Trong các thí nghiệm của mình, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một vòi phun duy nhất và sau đó mô hình hóa hành vi âm học của cụm vòi phun khi chúng được sắp xếp trong động cơ hydro trong tương lai. Nghiên cứu này đang giúp các kỹ sư tại GE Aerospace tối ưu hóa các vòi phun và mở đường cho động cơ hydro hiệu suất cao. Trong vài năm nữa, động cơ sẽ sẵn sàng cho các cuộc thử nghiệm ban đầu trên mặt đất và trong tương lai, nó có thể đẩy máy bay chạy bằng nhiên liệu hydro đầu tiên.
Giáo sư Noiray của ETH không coi việc phát triển động cơ hoặc phát triển bình chứa hydro cho máy bay là thách thức lớn nhất trong quá trình chuyển đổi hàng không sang kỷ nguyên hydro. "Nhân loại đã bay lên mặt trăng; các kỹ sư chắc chắn sẽ có thể phát triển máy bay chạy bằng hydro", ông nói.
Nhưng chỉ riêng máy bay thôi là chưa đủ. Noiray cho biết một thách thức lớn khác là đưa toàn bộ cơ sở hạ tầng vào hoạt động hàng không chạy bằng hydro, bao gồm sản xuất hydro trung hòa khí hậu với số lượng đủ và vận chuyển đến các sân bay. Để đạt được điều này trong một khung thời gian hợp lý, cần phải có nỗ lực chung ngay từ bây giờ.
Tại sao lại sử dụng hydro cho hàng không?
Hầu hết các phương tiện mặt đất đều có thể được điện khí hóa bằng pin; tuy nhiên, pin quá nặng đối với máy bay hiệu suất cao. Việc lưu trữ năng lượng cần thiết để chở 200 hành khách trên hàng nghìn km bằng hydro trong bình chứa khí đông lạnh nhẹ hơn ít nhất ba mươi lần so với việc lưu trữ trong pin.
"Trong những thập kỷ tới, chỉ những máy bay nhỏ có tải trọng rất thấp mới được cung cấp năng lượng bằng pin", Giáo sư Noiray của ETH cho biết. "Đối với máy bay chở khách và hàng hóa, nhiên liệu tổng hợp là giải pháp thay thế duy nhất cho dầu hỏa hiện nay và hydro là giải pháp tiết kiệm nhất để sản xuất bền vững".
Tùy thuộc vào kích thước và phạm vi của máy bay, có hai giải pháp hydro tiềm năng. Đối với máy bay khu vực nhỏ hơn có tốc độ bay thấp và phạm vi bay ngắn, hydro có thể được chuyển đổi thành điện trong một pin nhiên liệu trên máy bay. Pin này sẽ dẫn động cánh quạt thông qua một động cơ điện.
Tuy nhiên, đối với máy bay thương mại đường dài, pin nhiên liệu không phù hợp do kích thước và trọng lượng của chúng. Trong tương lai, những máy bay này sẽ được đẩy bằng động cơ phản lực chạy bằng hydro. Một số tập đoàn công nghiệp hiện đang làm việc để phát triển những động cơ như vậy.
