Động cơ phản lực hoạt động thế nào: hút, nén, đốt, xả và quạt khổng lồ

Động cơ phản lực hoạt động theo bốn bước nối tiếp: hút không khí vào, nén nó lại, đốt cùng nhiên liệu, rồi cho khí nóng phụt ra phía sau thật nhanh. Khí bị đẩy về sau thì động cơ — và cả máy bay — bị đẩy về trước. Trên máy bay chở khách ngày nay, phần lớn lực đẩy thực ra không đến từ luồng khí nóng mà từ chiếc quạt khổng lồ ở đầu động cơ.

Hút, nén, đốt, xả: chu trình bốn nhịp

Người làm nghề hay tóm tắt bằng bốn chữ tiếng Anh: suck, squeeze, bang, blow. Dịch thô là hút, nén, nổ, thổi. Chu trình này có tên khoa học là chu trình Brayton, và nó giống động cơ xe máy ở chỗ cũng nạp – nén – đốt – xả. Khác biệt là trong động cơ phản lực, bốn bước diễn ra liên tục và đồng thời ở bốn khu vực khác nhau, chứ không lần lượt trong một xi lanh.

1. Cửa hút và quạt: không khí đi vào miệng động cơ.
2. Máy nén: nhiều tầng cánh quạt nhỏ xếp nối nhau ép không khí lại, áp suất tăng lên vài chục lần.
3. Buồng đốt: nhiên liệu phun vào, cháy liên tục, nhiệt độ tăng vọt, khí giãn nở mạnh.
4. Tuabin và ống xả: khí nóng đi qua các tầng tuabin làm chúng quay, rồi phụt ra ngoài.

Mấu chốt nằm ở bước 4. Tuabin được nối với máy nén và quạt bằng trục. Nghĩa là chính luồng khí nóng đi ra quay tuabin, tuabin quay máy nén và quạt ở phía trước, máy nén lại hút và ép thêm không khí mới. Một khi đã chạy, động cơ tự duy trì mình. Chỉ lúc khởi động mới cần một nguồn khí nén bên ngoài — thường từ bộ động cơ phụ nhỏ ở đuôi máy bay (APU) — để quay trục lên tốc độ ban đầu.

Ai phát minh động cơ phản lực

Động cơ phản lực có hai người cha làm việc độc lập, gần như cùng thời:

• Frank Whittle, sĩ quan không quân Anh, nộp bằng sáng chế động cơ tuabin phản lực năm 1930. Ông mất nhiều năm thiếu vốn và thiếu sự ủng hộ. Máy bay thử nghiệm Gloster E.28/39 dùng động cơ của ông bay lần đầu tháng 5 năm 1941.
• Hans von Ohain, kỹ sư người Đức, phát triển động cơ riêng cùng hãng Heinkel. Chiếc Heinkel He 178 bay ngày 27 tháng 8 năm 1939, được ghi nhận là máy bay đầu tiên bay bằng động cơ tuabin phản lực.

Hai người chỉ gặp nhau sau này và trở thành bạn. Còn với hàng không dân dụng, mốc lớn là chiếc de Havilland Comet của Anh, máy bay phản lực chở khách đầu tiên vào khai thác thương mại năm 1952.

Bốn họ động cơ tuabin khí

Cùng một lõi đốt, kỹ sư có thể dùng năng lượng theo nhiều cách. Từ đó có bốn họ động cơ chính:

Quạt khổng lồ và tỉ số vòng

Nhìn thẳng vào miệng động cơ một chiếc Airbus A321neo hay Boeing 787, thứ ta thấy là chiếc quạt lớn với hàng chục cánh. Chỉ một phần nhỏ không khí qua quạt đi vào lõi để nén và đốt. Phần lớn đi vòng qua lõi, trong một ống bao bên ngoài, rồi phụt ra phía sau. Tỉ lệ giữa luồng khí đi vòng và luồng khí đi vào lõi gọi là tỉ số vòng (bypass ratio).

Động cơ Comet đời đầu không có luồng vòng. Động cơ CFM56 trên A320 và Boeing 737 thế hệ trước có tỉ số khoảng 5–6. Động cơ thế hệ mới như CFM LEAP hay Pratt & Whitney GTF đã lên khoảng 11–12.

Vì sao kỹ sư thích quạt to? Có một nguyên lý vật lý đơn giản: muốn tạo cùng một lực đẩy, đẩy nhiều không khí đi chậm tốn ít năng lượng hơn đẩy ít không khí đi rất nhanh. Quạt to làm đúng việc đó. Thêm một lợi ích: luồng khí lạnh bao quanh luồng khí nóng làm tiếng ồn giảm hẳn. Máy bay ngày nay ồn ít hơn nhiều so với thế hệ thập niên 1960.

Giới hạn của quạt to là kích thước. Quạt của động cơ GE9X trên Boeing 777X có đường kính khoảng 3,4 mét, thân động cơ to gần bằng thân một chiếc máy bay một lối đi. Quạt to cần càng cao, cần chỗ dưới cánh, nặng thêm, và đầu cánh quạt quay quá nhanh sẽ vượt tốc độ âm thanh. Động cơ GTF của Pratt & Whitney giải quyết bài toán cuối bằng một hộp số cho quạt quay chậm hơn tuabin.

Nóng hơn cả điểm nóng chảy của kim loại

Điều kỳ lạ nhất trong động cơ hiện đại nằm ngay sau buồng đốt. Khí đi vào tuabin cao áp nóng tới mức vượt nhiệt độ nóng chảy của chính hợp kim làm cánh tuabin. Vậy mà cánh không chảy, vì ba lớp bảo vệ:

• Cánh đơn tinh thể: mỗi cánh tuabin được đúc thành một khối tinh thể kim loại duy nhất, không có ranh giới hạt — chỗ yếu nhất khi kim loại bị nung nóng lâu dưới lực ly tâm khổng lồ.
• Lớp phủ gốm chịu nhiệt trên bề mặt cánh.
• Làm mát bằng màng khí: cánh rỗng ruột, không khí lạnh hơn từ máy nén được dẫn vào trong rồi thoát ra qua hàng trăm lỗ li ti, tạo một lớp đệm khí mỏng phủ quanh cánh.

Mỗi cánh tuabin nhỏ hơn bàn tay nhưng là một trong những chi tiết đắt và khó chế tạo nhất trên máy bay. Trên thế giới chỉ có vài hãng làm được trọn vẹn động cơ phản lực cỡ lớn: GE Aerospace, Rolls-Royce, Pratt & Whitney, cùng các liên doanh như CFM International (giữa GE và Safran).

Động cơ được thử thách thế nào trước khi chở khách

Trước khi được cấp chứng chỉ, động cơ phải vượt qua những bài thử nghe như phá hoại:

• Bắn chim: dùng súng hơi bắn xác chim vào quạt đang quay ở tốc độ cất cánh. Động cơ phải chịu được, với chim cỡ lớn thì không được gây cháy hay vỡ văng mảnh ra ngoài.
• Văng cánh quạt: gắn chất nổ nhỏ ở chân một cánh quạt, cho nổ khi động cơ chạy hết công suất. Vỏ động cơ phải giữ được mảnh cánh văng ra bên trong.
• Nuốt nước và mưa đá: phun lượng nước tương đương mưa nhiệt đới rất lớn vào động cơ, động cơ phải tiếp tục chạy.

Nhờ những yêu cầu đó, động cơ hiện đại cực kỳ bền. Một động cơ có thể ở trên cánh hàng chục nghìn giờ bay trước lần đại tu lớn. Chính độ tin cậy này cho phép máy bay hai động cơ bay vượt đại dương theo quy định ETOPS, ở xa sân bay dự bị có khi hơn ba giờ bay.

Những bộ phận ít ai để ý

Bộ đảo chiều lực đẩy

Sau khi chạm đất, hành khách thường nghe động cơ gầm lên. Đó là bộ đảo chiều (thrust reverser): một phần ống bao trượt ra sau, các tấm chặn bẻ hướng luồng khí đi vòng ra phía trước, giúp hãm tốc. Phanh bánh xe vẫn là thứ dừng máy bay chính; đảo chiều chủ yếu đỡ cho phanh, nhất là trên đường băng ướt.

Trích khí

Động cơ không chỉ đẩy. Trên nhiều dòng máy bay, khí nén được trích từ máy nén để điều áp và sưởi khoang khách, chống đóng băng mép cánh. Boeing 787 là ngoại lệ đáng chú ý: nó gần như bỏ trích khí, dùng máy nén điện riêng, động cơ chỉ còn lo đẩy và phát điện.

Hình răng cưa ở mép xả

Nếu thấy mép sau vỏ động cơ Boeing 787 hay 747-8 có hình răng cưa (chevron), đó không phải trang trí. Các răng cưa giúp luồng khí nóng và lạnh trộn vào nhau êm hơn, giảm tiếng ồn.

Góc nhìn hôm nay: quạt to hơn, lõi nóng hơn

So với động cơ phản lực đời đầu, động cơ ngày nay đốt ít nhiên liệu hơn rất nhiều cho mỗi hành khách mỗi cây số. Phần lớn tiến bộ đến từ hai thứ: quạt ngày càng to và lõi ngày càng nóng, nén ngày càng mạnh. Thế hệ kế tiếp đang được thử là động cơ quạt hở — bỏ hẳn vỏ bao quanh quạt để quạt to hơn nữa. Chương trình RISE của CFM nhắm tới mức tiết kiệm nhiên liệu thêm khoảng 20% so với động cơ hiện tại.

Muốn tận mắt thấy động cơ phản lực, các bảo tàng hàng không lớn đều có mặt cắt động cơ trưng bày: Bảo tàng Hàng không và Vũ trụ Quốc gia Smithsonian ở Mỹ, Bảo tàng Khoa học London (có động cơ Whittle nguyên bản), hay Bảo tàng Hàng không và Không gian Le Bourget ở Paris. Ở Việt Nam, sinh viên ngành kỹ thuật hàng không có thể tìm hiểu qua chương trình đào tạo của Học viện Hàng không Việt Nam và các trung tâm bảo dưỡng máy bay tại Nội Bài, Tân Sơn Nhất.