Sự tái sinh của công nghệ cánh quạt
X-57 được sửa đổi từ loại máy bay 2 động cơ cánh quạt Tecnam P2006T do Ý chế tạo. Khác biệt, ngoài yếu tố nhiên liệu giữa xăng và điện, còn nằm ở chỗ X-57 có sự kết hợp của rất nhiều cánh quạt, sở hữu động cơ nhỏ hơn và bố trí nhiều tấm pin trải khắp máy bay, được gọi là “động cơ đẩy phân tán”.
Máy bay X-57 của NASA chạy bằng pin lithium-ion và có tầm bay 160 km. Ảnh: NASA
Cách tiếp cận này đại diện cho một lĩnh vực nghiên cứu và phát triển thú vị có thể tìm thấy trong nhiều thiết kế máy bay điện thử nghiệm. Đôi cánh của X-57 cũng khác “bản gốc” P2006T, khi các cánh quạt được bố trí để tối ưu hóa luồng không khí xung quanh. Những lúc không cần sử dụng, cánh quạt của 12/14 động cơ có thể gập lại.
Công nghệ cánh quạt nói chung đang có sự tái sinh. Các thiết kế không chỉ trở nên hiệu quả hơn mà còn ít ồn ào hơn và giá cả phải chăng hơn. Tốc độ và góc nghiêng của cánh quạt thậm chí có thể được thay đổi trong suốt chuyến bay để thích ứng với các tốc độ khác nhau cho việc cất cánh, hạ cánh hoặc bay hành trình.
Chúng ta đều biết, mật độ không khí thay đổi theo độ cao và ảnh hưởng đến lực đẩy tạo ra từ cánh quạt. Giờ đây, các nhà thiết kế có thể chế tạo cánh quạt hoạt động hiệu quả ở mọi độ cao và tốc độ. Người ta có thể tận dụng tối đa năng lượng dự trữ trong pin. Các thiết kế mới, chẳng hạn như cánh quạt 11 cánh đầu tiên (trên máy bay Piper Cheyenne), có thể đạt được lực đẩy rất cao ngay cả ở mật độ không khí cao.
Một số máy bay thậm chí còn sử dụng "lực đẩy theo vectơ" cho phép động cơ và cánh quạt xoay theo góc 90 độ, mang lại tùy chọn cất cánh và hạ cánh thẳng đứng. Những thiết bị bay này có thể giống trực thăng hơn là máy bay và trong tương lai, nó có thể khiến các sân bay thông thường với đường băng dài và nhà ga lớn chỉ còn là dĩ vãng.
Thách thức vẫn nằm ở công nghệ pin
NASA đã chọn phương án sử dụng pin lithium-ion thông thường cho X-57. Điều này là do dự án của họ chủ yếu tập trung giải quyết các vấn đề về cấu hình cánh quạt cũng như thiết kế loại cánh mới hơn thay vì tìm cách phát triển loại pin hoàn hảo.
Năng lượng nhận được từ pin, so với trọng lượng của chúng, ít hơn 50 lần so với năng lượng có thể nhận được từ xăng máy bay. Hiệu suất đó sẽ là một thách thức lớn với các nhà phát triển máy bay điện. Hơn nữa, dù pin lithium gần như là loại tốt nhất mà chúng ta có cho đến nay, nhưng chúng vẫn còn nặng. Kim loại liti cũng nguy hiểm vì nó dễ bắt lửa .
Khi sử dụng pin, trọng lượng của chúng không đổi trong suốt chuyến bay, nghĩa là chúng không cần được cất giữ trong cánh như nhiên liệu hàng không theo truyền thống. Với nhiên liệu lỏng, trọng lượng của máy bay giảm đáng kể do nhiên liệu được tiêu thụ và việc giữ nhiên liệu trong cánh giúp đảm bảo độ cân bằng của máy bay không bị thay đổi.
Tuy nhiên, mật độ năng lượng thực sự - lượng năng lượng mà pin chứa so với trọng lượng hoặc kích thước của nó - mới là vấn đề. Những tiến bộ mới liên tục được tạo ra, chẳng hạn như pin được tạo ra dựa trên công nghệ lượng tử. Nhưng trong khi những thứ này sạc nhanh hơn pin thông thường, giá cả đắt đỏ khiến chúng vẫn không dễ thay thế pin lithium và khó có khả năng thay đổi triển vọng cho chuyến bay chạy bằng điện.
Điều chúng ta thực sự chờ đợi là một cuộc cách mạng trong công nghệ pin, một cuộc cách mạng mang lại mật độ năng lượng tương đương với nhiên liệu hàng không hóa thạch.
Động lực từ X-57
Với tầm hoạt động khoảng 160km và thời gian bay khoảng 1 giờ, X-57 không thể thay thế cho máy bay chạy nhiên liệu hóa thạch trong các chuyến bay đường dài. Các chuyến bay chặng ngắn với chỉ khoảng 10 hành khách là mục tiêu tốt và khả thi để sớm có các chuyến bay thương mại với phi cơ chạy bằng pin này.
Buồng lái mô phỏng của máy bay X-57 tại Trung tâm Nghiên cứu chuyến bay Armstrong. Ảnh: NASA
Máy bay chạy bằng hydro cũng rất được quan tâm vì mật độ năng lượng của hydro lớn hơn gần ba lần so với nhiên liệu hàng không thông thường. Nhưng hydro là một chất khí và nó cần được lưu trữ trong các thùng nhiên liệu có áp suất để giảm thể tích.
Điều này sẽ đòi hỏi phải suy nghĩ lại hoàn toàn về thiết kế máy bay. Một số nghiên cứu đã được thực hiện với hydro được lưu trữ dưới dạng chất lỏng ở -253 độ C. Do đó, hydro cho ngành hàng không dù là ý tưởng rất thú vị, nhưng có lẽ không thực tế.
Nhiên liệu tổng hợp dường như cũng chưa sẵn sàng để thay thế nhiên liệu hàng không. Có lẽ khi công nghệ phát triển, chúng sẽ trở nên rẻ hơn. Pin gần như chắc chắn vẫn sẽ cung cấp năng lượng cho các chuyến bay ngắn của trong tương lai gần. Và nếu có một cuộc cách mạng về công nghệ pin thì tương lai của ngành hàng không sẽ hoàn toàn thay đổi.
Chiếc X-57 vì thế đang gửi đi những tín hiệu tích cực, tiếp thêm động lực cho ngành hàng không không khí thải. Bởi dù thế nào, nhân loại vẫn sẽ phải đối mặt với tối hậu thư: Hoặc là chúng ta tìm ra cách chế tạo những chiếc máy bay không cần nhiên liệu hóa thạch, hoặc là chúng ta ngừng bay.
Quang Anh (theo NASA, CNA)
