Máy bay “thân cánh hỗn hợp” có trở thành thiết kế của tương lai?

Thiết kế "thân cánh hỗn hợp" hứa hẹn mang đến tiềm năng phát triển những chiếc máy bay thương mại với "hiệu suất chưa từng có". Tuy nhiên, sẽ còn rất lâu để điều này trở thành hiện thực.

Hai “ông lớn” của ngành hàng không thế giới là Boeing và Airbus, và hãng khởi nghiệp JetZero, là những công ty đang nghiên cứu ý tưởng phát triển máy bay với cấu trúc thân cánh hỗn hợp (blended wing body). Cấu trúc này khiến máy bay có hình dáng khác với máy bay thương mại thông thường.

Liệu cách thiết kế máy bay này có trở nên thông dụng trong tương lai hay không? Hãng tin CNN hôm 21/8 đã có bài viết về triển vọng này.

Theo hãng tin Mỹ, thiết kế cơ bản của các máy bay thương mại hầu như không có nhiều thay đổi trong sáu thập kỷ qua.

Các máy bay chở khách hiện đại như Boeing 787 và Airbus A350 đều có hình dạng chung, giống như những chiếc Boeing 707 và Douglas DC-8 được chế tạo từ cuối những năm 1950, với thiết kế dạng “ống và cánh” (tube and wing) vẫn được sử dụng cho đến ngày nay.

Đó là do ngành hàng không thương mại ưu tiên tính an toàn với các giải pháp đã được thử nghiệm. Ngoài ra, những khía cạnh khác như vật liệu và động cơ cho thấy thiết kế truyền thống vẫn còn phù hợp.

Hiện tại, khi ngành hàng không đang “ráo riết” tìm cách cắt giảm khí thải carbon, thách thức lại có phần khó đương đầu hơn trong ngành này so với các lĩnh vực khác, bởi thực tế cho thấy các công nghệ cốt lõi của ngành hàng không là rất khó thay đổi.

Dù vậy, có thể đã đến lúc để thử một điều gì đó mới mẻ.

Một gợi ý thiết kế có thể là “thân cánh hỗn hợp.” Hình dạng máy bay hoàn toàn mới này sẽ tương tự như thiết kế "cánh bay" (flying wing) dùng cho máy bay quân sự, như chiếc máy bay ném bom B-2 mang tính biểu tượng. Nhưng cánh hỗn hợp sẽ có nhiều không gian rỗng hơn ở phần giữa.

Cả Boeing và Airbus đều đang nghiên cứu ý tưởng này. “Người nhập cuộc” thứ ba là JetZero, có trụ sở tại California, cũng đặt ra mục tiêu đầy tham vọng là đưa loại máy bay cánh hỗn hợp vào sử dụng ngay trước năm 2030.

Giới thiệu trên website của công ty, JetZero cho biết hãng hợp tác với Không quân Mỹ, Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ (NASA) và Cục Quản lý Hàng không Liên bang (FAA) nhằm phát triển những chiếc máy bay “siêu hiệu quả” với “hiệu suất chưa từng có.”

Tom O'Leary, nhà đồng sáng lập kiêm Giám đốc Điều hành của JetZero cho biết: “Chúng tôi cảm nhận rất rõ ràng con đường dẫn đến ‘không khí thải’ ở các máy bay phản lực lớn, và một chiếc máy bay với thiết kế thân cánh hỗn hợp có thể giúp giảm tới 50% lượng nhiên liệu đốt và khí thải.

Đó là một bước nhảy vọt đáng kinh ngạc so với những gì từng thấy trong ngành công nghiệp này.”

Khái niệm cánh hỗn hợp không phải là mới. Những nỗ lực đầu tiên chế tạo máy bay với thiết kế như thế này đã có ở Đức từ cuối những năm 1920.

Nhà công nghiệp và thiết kế máy bay người Mỹ Jack Northrop đã sáng tạo một thiết kế cánh bay chạy động cơ phản lực vào năm 1947 - thiết kế đã khơi nguồn cảm hứng cho chiếc B-2 trong những năm 1990 sau này.

Là một dạng lai (hybrid) giữa cánh bay và “ống và cánh” truyền thống, cánh hỗn hợp cho phép toàn bộ máy bay tạo ra lực nâng, đồng thời giảm thiểu lực cản.

Theo NASA, hình dạng này giúp tăng khả năng tiết kiệm nhiên liệu và tạo ra các khu vực tải trọng lớn hơn - chứa hàng hóa hoặc hành khách - ở phần thân giữa của máy bay.” NASA đã kiểm tra khả năng này trên một trong những chiếc máy bay thử nghiệm của mình là X-48.

Trong khoảng 120 chuyến bay thử nghiệm được thực hiện từ năm 2007 đến năm 2012, hai chiếc X-48 không người lái, điều khiển từ xa đã chứng minh tính khả thi của ý tưởng thử nghiệm này.

NASA cho biết một chiếc máy bay loại cánh hỗn hợp có sải cánh lớn hơn một chút so với Boeing 747 và có thể hoạt động từ các nhà ga sân bay hiện có. Chiếc máy bay này cũng nhẹ hơn, tạo ra ít tiếng ồn và khí thải hơn, chi phí vận hành thấp hơn so với một máy bay vận tải thông thường ở dòng “tiên tiến không kém.”

Năm 2020, Airbus đã chế tạo một chiếc máy bay trình diễn cỡ nhỏ với cánh hỗn hợp, dài khoảng 1,8m, cho thấy mối quan tâm của hãng tới việc phát triển một chiếc máy bay nguyên cỡ trong tương lai.

Câu hỏi là, nếu thiết kế này có hiệu quả đến thế, tại sao chúng ta vẫn chưa chuyển sang phát triển những chiếc máy bay như vậy?

Thách thức kỹ thuật

Theo Giám đốc Điều hành JetZero Tom O'Leary, có một thách thức kỹ thuật chính đang cản trở các nhà sản xuất, đó là khả năng điều áp của thân máy bay không phải hình ống. Trên thực tế, một chiếc máy bay với thân hình ống có khả năng xử lý tốt hơn các chu kỳ giãn nở và co lại liên tục xảy ra trong mỗi chuyến bay.

“Nếu bạn nghĩ về một chiếc máy bay với thiết kế 'ống và cánh,' nó sẽ phân tách tải trọng. Bạn có tải trọng điều áp trên ống và tải trọng uốn trên cánh. Nhưng một chiếc máy bay theo thiết kế ‘cánh hỗn hợp’ về cơ bản sẽ pha trộn những thứ này với nhau. Chỉ đến bây giờ chúng tôi mới chỉ giải quyết được bài toán khi dùng vật liệu composite có đặc tính nhẹ và bền.”

Ngoài ra, một hình dạng hoàn toàn mới sẽ làm cho nội thất của máy bay khác hẳn so với máy bay thân rộng ngày nay. “Đó là một thân máy bay rộng hơn rất nhiều” - O'Leary nói.

“Chiếc máy bay một lối đi điển hình sẽ có ba chỗ ngồi ở mỗi hàng, mỗi bên thân máy bay. Nhưng máy bay thân cánh hỗn hợp sẽ có thân dạng ống ngắn hơn và rộng hơn. Bạn có thể chở cùng số lượng người, nhưng hành khách sẽ ngồi chỉ với 15 hoặc 20 hàng ghế trong cabin, tùy thuộc cách sắp xếp của mỗi hãng hàng không.

O’Leary ví việc này giống như mỗi hãng hàng không sẽ có một bảng màu vẽ trong tay. “Tôi nghĩ sẽ rất tuyệt vời khi xem cách họ ‘vẽ’ và bài trí không gian rộng lớn hơn nhiều này như thế nào,” ông chia sẻ.

Theo O'Leary, có thể hình dung loại tương đương gần nhất về kích thước là Boeing 767 - một chiếc máy bay hai động cơ thân rộng được giới thiệu vào những năm 1980, thường chở khoảng 210 hành khách.

Boeing 767 vẫn được sản xuất như một máy bay chở hàng, nhưng đã được “thế thân” bằng Boeing 787 như một máy bay chở khách. Nó còn có một biến thể quân sự hiện đại là KC-46, được Không quân Mỹ sử dụng để tiếp liệu trên không.

Tương tự như vậy, JetZero muốn phát triển đồng thời ba “biến thể”: Máy bay chở khách, máy bay chở hàng và máy bay chở nhiên liệu.

Cấu trúc cánh hỗn hợp “phù hợp” đến mức Không quân Mỹ mới đây đã cấp 235 triệu USD cho JetZero để phát triển một mẫu trình diễn “nguyên cỡ” và xác nhận hiệu suất của “concept” cánh hỗn hợp này.

Chuyến bay đầu tiên được kỳ vọng sẽ diễn ra trước năm 2027, đồng nghĩa phiên bản quân sự của chiếc máy bay này sẽ dẫn đường mở lối và hỗ trợ sự phát triển của các mẫu máy bay thương mại.

Tuy nhiên, chế tạo một chiếc máy bay hoàn toàn mới từ đầu là một nhiệm vụ lớn lao và các mục tiêu của JetZero nghe có vẻ đầy tham vọng, vì chỉ riêng quá trình chứng nhận cho bất kỳ “biến thể” nào của một chiếc máy bay hiện có đã có thể mất nhiều năm.

Một lợi thế của JetZero là ban đầu máy bay sẽ có thể mượn động cơ từ máy bay thân hẹp ngày nay, như Boeing 737, mặc dù mục tiêu sau cùng là chuyển sang động cơ đẩy hoàn toàn không có khí thải chạy bằng nhiên liệu hydro. Loại động cơ mới này còn chưa được phát triển.

Chưa có đơn đặt hàng

JetZero hiện chưa có đơn đặt hàng nào cho máy bay của mình, nhưng Giám đốc Điều hành O'Leary cho biết các hãng hàng không có quan tâm. “Chúng tôi đang nói chuyện với tất cả các hãng hàng không lớn trên toàn cầu, và họ rất hào hứng khi nghe về hiệu quả đạt được.”

Vẫn còn phải xem liệu mức giảm 50% tiêu thụ nhiên liệu có thật sự khả thi hay không.

Cả NASA và Airbus đều đưa ra con số khiêm tốn hơn là 20% cho các thiết kế của họ, trong khi Không quân Mỹ cho biết máy bay cánh hỗn hợp có thể “cải thiện hiệu quả khí động học ít nhất 30% so với máy bay tiếp dầu và cơ động hiện tại của Không quân.”

Bailey Miles, nhà phân tích hàng không tại Công ty Tư vấn AviationValues, cho biết: “Điều quan trọng cần lưu ý là mặc dù thân cánh hỗn hợp có thể giảm lực cản và tăng hiệu quả sử dụng nhiên liệu, lợi ích thực tế còn phụ thuộc vào thiết kế, cấu hình và những điều kiện hoạt động cụ thể.”

“Tiến hành thử nghiệm sâu rộng để tối ưu hóa khí động học sẽ là cần thiết để nhận ra đầy đủ tiềm năng giảm lực cản của thiết kế máy bay tiên tiến này. Thật khó để xác định tỷ lệ giảm nhiên liệu cụ thể nếu không có các thử nghiệm cần thiết” - nhà phân tích trên cho biết.

Theo Miles, thiết kế máy bay thân cánh hỗn hợp là một ý tưởng “mang tính cách mạng” có tiềm năng, nhưng cùng với đó là một số trở ngại, như độ phức tạp khí động học gia tăng có thể khiến việc thiết kế và thử nghiệm trở nên khó khăn.

Ngoài ra, sẽ có một loạt thách thức liên quan đến quy định và chứng nhận, bên cạnh việc hình dạng chiếc máy bay mới chưa phù hợp với những cơ sở hạ tầng sân bay hiện có.

“Máy bay thân cánh hỗn hợp mang đầy hứa hẹn như một yếu tố ‘thay đổi cuộc chơi’ trong ngành hàng không với triển vọng cải thiện hiệu quả sử dụng nhiên liệu, nâng cao tải trọng cũng như tiềm năng đổi mới các hệ thống điều khiển.

Tuy nhiên, giải quyết sự phức tạp về khí động học, đảm bảo tính toàn vẹn của cấu trúc, vượt qua các rào cản pháp lý và điều chỉnh cơ sở hạ tầng sân bay là những thách thức ghê gớm cần phải vượt qua để trở thành hiện thực” - Miles nhận định.

Nhà phân tích của AviationValues cho biết thêm với hàng loạt những thách thức kể trên, mục tiêu của JetZero đưa mẫu máy bay mới “vào phục vụ” trước năm 2030 là "không thể tưởng tượng được."

Theo Richard Aboulafia, nhà phân tích hàng không tại hãng tư vấn khí động học Aerodynamic Advisory, mặc dù không phải tất cả các tuyên bố của JetZero đều có thể xác minh, “ý tưởng về một thân cánh hỗn hợp đã khá hấp dẫn trong nhiều năm và có vẻ như họ đã thực hiện một số nghiên cứu rất thú vị."

Aboutlafia cho hay JetZero hiện tại chủ yếu như “một cửa hàng thiết kế,” nhưng nhà phân tích của Aerodynamic Advisory tin rằng dự án có thể thành công với sự giúp đỡ của các nhà thầu. “Chắc chắn có chỗ cho ai đó thực sự muốn gia tăng giá trị trong ngành này,” ông nói.

Theo TTXVN