Thời gian thử nghiệm pin nhiên liệu hydro
Giờ đây, Airbus đã chọn được thiết kế cho máy bay chở khách ZEROe tương lai, cột mốc quan trọng tiếp theo là thử nghiệm mặt đất các bộ phận động cơ dự kiến vào năm 2027. Keith Button đã trao đổi với các kỹ sư và giám đốc điều hành chương trình về công việc sắp tới và mục tiêu điều chỉnh cho các chuyến bay chở khách.
Nếu mọi việc suôn sẻ, trong hai năm nữa, Gregg Llewellyn sẽ nhìn qua cửa sổ từ phòng điều khiển tại một cơ sở của Airbus ngay ngoại ô Munich. Phía bên kia tấm kính, được gắn vào một khung kim loại có kích thước bằng một chiếc ô tô nhỏ, sẽ là phiên bản đầu tiên của các bộ phận cho động cơ điện-hydro mà công ty hy vọng một ngày nào đó sẽ đưa một chiếc máy bay 100 hành khách với tầm bay 1.850 km và không phát thải carbon.
Mặc dù thiết lập này không mô phỏng cấu hình bay cuối cùng được lên kế hoạch cho động cơ, nhưng một cuộc trình diễn thành công vẫn sẽ đánh dấu một "bước tiến lớn", Llewellyn, người đứng đầu dự án máy bay hydro ZEROe mà Airbus đã khởi động vào giữa năm 2020, cho biết. Công ty đã dành gần năm năm để đánh giá các ý tưởng máy bay chở khách khác nhau trước khi công bố lựa chọn của mình vào tháng 3: một thiết kế máy bay chạy bằng hydro-điện với bốn động cơ. Trong cấu hình này, hydro lỏng sẽ được bơm từ hai bình chứa lớn đến các động cơ, mỗi bình chứa pin nhiên liệu để chuyển đổi hydro, kết hợp với oxy trong khí quyển, thành điện năng. Dòng điện này sẽ chạy đến bộ điều khiển động cơ, sau đó truyền dòng điện đến một động cơ điện để truyền động hộp số, làm quay cánh quạt.
"Với pin nhiên liệu, chúng tôi tin rằng mình đã tìm thấy công nghệ phù hợp", Llewellyn nói. Ý tưởng này đã đánh bại ba đối thủ còn lại [xem biểu đồ bên dưới] — tất cả đều dựa trên quá trình đốt cháy trực tiếp hydro lỏng. Một phần là do hệ thống đẩy hydro-điện sẽ không tạo ra khí thải nitơ oxit và có khả năng không tạo ra vệt khói, cả hai đều là những tác nhân chính gây ra hiện tượng nóng lên của khí quyển trong ngành hàng không, bên cạnh carbon dioxide. Ông cho biết, năng lượng điện cũng mang đến cho các nhà thiết kế máy bay nhiều lựa chọn hơn về cách phân bổ cánh quạt trên khung máy bay.
Airbus đã điều chỉnh lại ý tưởng ban đầu được công bố vào năm 2020, giảm số lượng động cơ từ sáu xuống bốn dựa trên kết quả thử nghiệm ban đầu cho thấy mỗi động cơ sẽ tạo ra nhiều công suất trên mỗi kilôgam hơn so với dự đoán ban đầu của các kỹ sư. Mathias Andriamisaina, người đứng đầu bộ phận thử nghiệm công nghệ ZEROe, cho biết việc giảm số lượng động cơ cũng sẽ giúp giảm tổng chi phí sản xuất máy bay.
Mặc dù đã có những tiến triển, nhưng có thể phải mất thêm 20 năm nữa những chiếc máy bay chở khách đầu tiên mới có thể đưa vào sử dụng. Airbus đã nỗ lực hướng tới việc đưa vào hoạt động vào năm 2035 nhưng đã hủy bỏ mục tiêu này vào đầu năm nay do sự phát triển chậm chạp của mạng lưới cung cấp hydro toàn cầu. Mặc dù ngày mục tiêu chính thức mới vẫn chưa được công bố, nhưng Airbus dự đoán thị trường nhiên liệu sẽ mất từ 5 đến 10 năm để hoàn thiện, Bruno Fichefeux, người đứng đầu các chương trình tương lai, cho biết tại hội nghị thượng đỉnh của công ty vào tháng 3. Điều này sẽ khiến máy bay ZEROe ra mắt vào khoảng năm 2040 đến 2045.
Các kỹ sư có thể tận dụng khoảng thời gian bổ sung đó. Trong số những thách thức đó là chứng minh rằng họ có thể chuyển đổi các linh kiện hydro-điện cồng kềnh, nặng nề hiện nay, phù hợp cho vận tải mặt đất và ứng dụng công nghiệp, thành những động cơ nhẹ, nhỏ gọn với công suất trên mỗi kg lớn hơn.
Vì vậy, nhiệm vụ quan trọng nhất của họ trước bản demo năm 2027 là tìm ra các phương pháp tăng công suất động cơ trên mỗi kg, quản lý nhiệt của pin nhiên liệu hiệu quả hơn và phát triển phần mềm có thể kiểm soát công suất động cơ trong khi bay. Việc giảm trọng lượng song hành với những mục tiêu này. Trong suốt một năm, các kỹ sư đã thực hiện khoảng 1.000 bài kiểm tra trên mặt đất trong hơn 500 giờ với các linh kiện động cơ ban đầu. Thiết lập tương tự như kế hoạch cho bản demo năm 2027, nhưng có những điểm khác biệt chính. Đầu tiên, một bình chứa áp suất cao công nghiệp cung cấp hydro khí ở nhiệt độ phòng - không phải hydro lỏng ở nhiệt độ đông lạnh, như yêu cầu cho chuyến bay. Tương tự, các linh kiện động cơ bán sẵn là những linh kiện tiên tiến nhất dành cho ô tô, xe tải hoặc tàu thuyền chạy bằng pin nhiên liệu, nhưng chúng không được thiết kế với kích thước và trọng lượng phù hợp với máy bay, Andriamisaina cho biết.
“Bạn có thể sử dụng hệ thống đẩy của thuyền hoặc tàu thủy,” ông nói, “nhưng nó quá cồng kềnh đến mức bạn sẽ không bao giờ cất cánh được.”
Llewellyn cho biết, kế hoạch yêu cầu thay thế các bộ phận này vào cuối năm nay bằng các bộ phận dành riêng cho máy bay, bao gồm pin nhiên liệu, động cơ điện và hộp số nâng cấp. Ngoài ra, các bình chứa bằng thép không gỉ sẽ được thay thế bằng các bình nhẹ hơn có thể giữ hydro ở nhiệt độ âm 253 độ C cần thiết để duy trì trạng thái lỏng. Andriamisaina cho biết, Airbus có kế hoạch giảm kích thước của các bộ phận động cơ thử nghiệm xuống khoảng một nửa vào năm tới — giảm trọng lượng bằng cách chế tạo pin nhiên liệu và động cơ bằng vật liệu nhẹ hơn.
“Một trong những thách thức là làm cho tất cả chúng thật, thật nhỏ gọn.”
Thiết kế bình chứa cũng sẽ đóng một vai trò quan trọng ở đây. Hydro lỏng có một số ưu điểm so với hydro khí, bắt đầu với trọng lượng nhẹ hơn của bình chứa kép.
Bồn chứa cách nhiệt chân không, vách điện tử so với bồn chứa cồng kềnh cần thiết để giữ nhiên liệu khí ở áp suất thường ở mức từ 350 đến 700 lần áp suất không khí ở mực nước biển. Vì vậy, Airbus và Air Liquide Advanced Technologies tại Paris đang thử nghiệm xem các bồn chứa và đường ống của chúng có thể được chế tạo từ hợp kim nhôm và nhựa gia cố carbon hay không, Llewellyn cho biết.
Mặc dù còn khá mới mẻ trong ngành hàng không vũ trụ, nhưng những bồn chứa hai vách này đã được các ngành công nghiệp khác áp dụng từ nhiều năm trước. Chiếc sedan Hydrogen 7 của BMW từ đầu những năm 2000 và phà MF Hydra chạy bằng hydro của Norled mà Na Uy ra mắt vào năm 2023 đều dựa trên công nghệ này, cũng như các bình giữ nhiệt gia dụng. "Về cơ bản, đây không phải là một công nghệ mới, nhưng chắc chắn là mới đối với các ứng dụng hàng không vũ trụ và hàng không thương mại", Llewellyn nói.
Một trong những thách thức đối với các kỹ sư Airbus là làm thế nào để thiết kế một động cơ nhẹ, nhỏ gọn, tạo ra đủ lực đẩy nhưng vẫn thông gió để nhiệt lượng do pin nhiên liệu hydro tạo ra có thể thoát ra ngoài. Nguồn: Airbus
Những lợi ích khác của hydro lỏng là nó chứa nhiều năng lượng hơn trên mỗi lít so với khí hydro nén, và nó có thể tăng cường hiệu suất tổng thể của động cơ bằng cách đóng vai trò như chất làm mát cho các thiết bị điện tử. Ví dụ, việc giữ các mạch động cơ ở nhiệt độ gần như đông lạnh giúp giảm điện trở, Llewellyn nói, cho phép truyền tải điện "gần như không bị suy giảm". Công ty con Airbus UpNext của công ty đang thiết kế một vòng làm mát sẽ luân chuyển heli được làm lạnh bằng hydro đến các dây cáp, động cơ và thiết bị điện tử của động cơ để tạo ra các đặc tính siêu dẫn.
Điều đó không có nghĩa là động cơ pin nhiên liệu không gặp phải những thách thức, Andriamisaina nói. Trước hết, phải kể đến việc quản lý nhiệt. "Khi chúng ta sử dụng động cơ phản lực thông thường, nhiệt chỉ được đẩy ra bên ngoài", ông nói. Ngược lại, động cơ pin nhiên liệu đòi hỏi phải quản lý nhiệt độ thông qua các bộ trao đổi nhiệt mạnh mẽ. Thông thường, ống kim loại luân chuyển chất làm mát dạng lỏng giữa các pin nhiên liệu ấm. Chất làm mát ấm chảy qua bộ trao đổi nhiệt được làm mát bằng không khí xung quanh và tuần hoàn trở lại.
Andriamisaina cho biết chức năng này sẽ đặc biệt quan trọng đối với máy bay ZEROe, bởi vì cứ mỗi megawatt điện được tạo ra bởi pin nhiên liệu, chúng cũng sẽ tạo ra 0,4-0,6 megawatt nhiệt. Các kỹ sư tin rằng họ sẽ cần tổng cộng 8 megawatt công suất động cơ cho chiếc máy bay chở hơn 100 hành khách này — tức là 2 megawatt cho mỗi động cơ, với thêm tối đa 1,2 megawatt nhiệt.
Các bộ phận trao đổi nhiệt bán sẵn sẽ không đáp ứng được nhiệm vụ này, vì vậy họ đã thử nghiệm trên băng thử nghiệm các nguyên mẫu bộ trao đổi nhiệt thay thế ở Pháp, Đức và Tây Ban Nha. Trong số các lựa chọn: một vòng làm mát lớn so với nhiều vòng nhỏ và dầu so với chất làm mát gốc glycol. Nhìn chung, bộ trao đổi nhiệt càng nhỏ và càng cần ít chất lỏng làm mát thì công suất động cơ trên mỗi kilogam càng được cải thiện.
Hình dạng của kênh hút gió bên ngoài động cơ cũng cần được xác định, kênh này phải dẫn không khí bên ngoài qua bộ trao đổi nhiệt đến máy nén khí cấp cho pin nhiên liệu mà không gây ra lực cản đáng kể lên máy bay. Trong các thử nghiệm trong đường hầm gió ở Tây Ban Nha, các kỹ sư đã chế tạo các kênh bằng gỗ, nhựa và kim loại và gắn chúng vào phần trên, phần dưới hoặc hai bên của các mô hình động cơ thu nhỏ. Các mô hình sau đó được đặt trong đường hầm gió, nơi các camera tốc độ cao ghi lại luồng không khí xung quanh và xuyên qua động cơ, được theo dõi bằng các sợi khói hoặc dây, Andriamisaina cho biết. Các thử nghiệm được tiến hành ở nhiều nhiệt độ, tốc độ gió và góc luồng khác nhau để mô phỏng các giai đoạn cất cánh, hạ cánh và bay hành trình. Sau khi được đưa vào mô hình máy tính, kết quả thử nghiệm cho thấy chi tiết các hình dạng làm gián đoạn luồng không khí ở đâu.
Và sau đó là phần mềm, điều này sẽ rất cần thiết để kiểm soát công suất đẩy của động cơ, Llewellyn nói. Pin nhiên liệu sẽ tạo ra dòng điện bằng cách kết hợp oxy từ không khí xung quanh - được máy nén khí hút vào - với hydro lỏng từ các bình chứa trên máy bay đã được hóa hơi thành khí. Bộ điều khiển động cơ biến đổi dòng điện liên tục do pin nhiên liệu tạo ra thành dòng điện xoay chiều có thể điều khiển được, sau đó quay động cơ, cung cấp năng lượng cho hộp số, cung cấp năng lượng cho cánh quạt.
Phần mềm điều khiển phải có khả năng quản lý sự cố của bất kỳ bộ phận riêng lẻ nào, Llewellyn nói. "Bạn muốn có thể tiếp tục chuyến bay và hạ cánh an toàn trong trường hợp xảy ra bất kỳ sự cố nào như vậy."
Trong trường hợp như vậy, phần mềm có thể cần phải tắt các bộ phận liền kề hoặc chuyển hướng nguồn điện từ pin nhiên liệu hoặc bộ phận điện dự phòng trong cùng một động cơ. Vì vậy, các kỹ sư đang tiến hành các thử nghiệm trên mặt đất mô phỏng sự cố của từng bộ phận, cũng như sự cố đồng thời của nhiều bộ phận, để xem phần mềm phản ứng như thế nào. Một số phiên bản của phần mềm cũng đã được thử nghiệm để kiểm soát công suất động cơ và hiệu suất nhiên liệu thông qua việc cung cấp hydro và oxy cho pin nhiên liệu và thông qua nguồn điện thông qua bộ điều khiển động cơ, Llewellyn nói.
Ví dụ, đối với việc điều chỉnh tốc độ, các cơ quan quản lý tại FAA và Cơ quan An toàn Hàng không Liên minh Châu Âu (EASA) yêu cầu động cơ phải có thể tăng tốc từ trạng thái không tải lên tốc độ tối đa trong vòng tám giây sau khi được phi công ra lệnh.
“Điều chúng tôi phải làm với động cơ pin nhiên liệu là chứng minh rằng chúng tôi có thể đạt được những yêu cầu tương tự như động cơ tua-bin khí”, ông nói.
Đối với buổi trình diễn năm 2027, động cơ sẽ được đóng gói chặt chẽ hơn so với thiết lập thử nghiệm trên mặt đất hiện tại, nhưng vẫn chưa đủ nhỏ để lắp vào vỏ động cơ, Andriamisaina nói. Một máy phát điện sẽ thay thế cho cánh quạt, do đó động cơ có thể hoạt động dưới tải trọng cánh quạt mô phỏng khi cất cánh, bay hành trình và trong điều kiện gió giật, và tiếng ồn lớn nhất phát ra từ động cơ sẽ là tiếng rít của máy nén khí.
Ngay cả khi mọi việc diễn ra theo đúng kế hoạch, vẫn còn rất nhiều việc phải làm trước khi chiếc máy bay chở khách chạy bằng hydro đầu tiên sẵn sàng cất cánh.
Andriamisaina cho biết: “Năm 2027 không phải là kết thúc của câu chuyện”.
