Đổi mới hợp tác cho tương lai của chuyến bay

Trung tâm Phát triển Hàng không Vũ trụ của SKF đang hợp tác chặt chẽ với khách hàng để phát triển các công nghệ quan trọng cho máy bay trong tương lai.

Ngành hàng không toàn cầu đã trải qua vài năm đầy biến động. Đầu tiên là sự sụt giảm nhu cầu hành khách do lệnh phong tỏa và hạn chế đi lại do đại dịch virus corona. Sau đó, khi thế giới bắt đầu trở lại bình thường, ngành đã trải qua một hiệu ứng phục hồi mạnh mẽ: chỉ riêng trong năm 2022, lượng hành khách hàng không đã tăng 47%.

Tổ chức Hàng không Dân dụng Quốc tế dự kiến ​​nhu cầu vận tải hành khách bằng đường hàng không sẽ tăng vượt mức trước đại dịch vào năm 2023 và các nhà sản xuất máy bay đang báo cáo về dây chuyền sản xuất bận rộn và danh sách đơn đặt hàng đầy đủ.

Mặc dù đó là tin vui cho ngành hàng không, nhưng ngành này vẫn phải đối mặt với những thách thức đáng kể về lâu dài, trong đó có các mục tiêu phát triển bền vững do các cơ quan chức năng trên toàn thế giới đặt ra. Tuy nhiên, không giống như nhiều ngành khác, các giải pháp kỹ thuật cần thiết để cung cấp dịch vụ vận tải hàng không không phát thải ở quy mô lớn vẫn chưa được xác định.

Vai trò đối tác quan trọng của SKF

SKF đang đóng góp vai trò của mình trong việc hỗ trợ phát triển các công nghệ hàng không vũ trụ thế hệ tiếp theo thông qua Trung tâm Phát triển Hàng không Vũ trụ, một cơ sở thử nghiệm mới được nâng cấp tại Valence, Pháp.

Nhiều dự án chúng tôi đang thực hiện hiện nay dự kiến ​​sẽ sử dụng máy bay được chế tạo vào những năm 2030 trở đi.

 FB TW

Yves Maheo , giám đốc Trung tâm Phát triển Hàng không Vũ trụ của SKF

Paolo Andolfi, giám đốc kỹ thuật hàng không vũ trụ tại SKF, cho biết: “Lần đầu tiên, chúng tôi có một cơ sở duy nhất được trang bị để thử nghiệm mọi bộ phận được sử dụng trên máy bay, bất kể đó là chuyển động lăn hay trượt, các bộ phận quay với tốc độ hàng nghìn vòng quay mỗi phút hay các bộ phận không chuyển động”.

Phát triển sản phẩm hàng không vũ trụ là một quá trình hợp tác lâu dài và chặt chẽ. “Thời gian hoàn thiện một công nghệ hàng không vũ trụ tiên tiến có thể lên đến 10 năm”, Yves Maheo, giám đốc Trung tâm Phát triển Hàng không Vũ trụ, cho biết. “Nhiều dự án chúng tôi đang thực hiện hiện nay dự kiến ​​sẽ được vận hành trên những máy bay được chế tạo từ những năm 2030 trở đi.”

Và không giống như một số ngành công nghiệp khác, khách hàng cuối cùng được tham gia vào các dự án đổi mới ngay từ giai đoạn rất sớm.

“Chúng tôi hợp tác với khách hàng ở mọi cấp độ,” Maheo giải thích. “Khách hàng chia sẻ lộ trình công nghệ của họ với chúng tôi, và chúng tôi cũng chia sẻ lộ trình của mình với họ. Họ cử kỹ sư của mình đến Valence để làm việc với nhóm của chúng tôi trong các dự án thử nghiệm và phát triển.”

Mối quan hệ làm việc chặt chẽ này giúp SKF đảm bảo rằng họ thấu hiểu sâu sắc nhu cầu của khách hàng trong mọi dự án. “Một ví dụ điển hình là Textilub, một loại vật liệu dệt tự bôi trơn mới được sử dụng trong các bộ truyền động hàng không vũ trụ”, Maheo nói. “Máy bay có tuổi thọ cao, và các bộ phận chắc chắn sẽ bị hao mòn và cần được thay thế. Phần lớn công việc của chúng tôi luôn tập trung vào việc làm cho các bộ phận đó bền hơn. Tuy nhiên, khi chúng tôi trao đổi với khách hàng, họ nói rằng các bộ phận bền hơn là tốt, nhưng điều họ thực sự muốn là các bộ phận hao mòn một cách ổn định, có thể dự đoán được, giúp việc đại tu và thay thế dễ dàng hơn. Chúng tôi có thể kết hợp hiểu biết đó vào quá trình phát triển vật liệu mới.”

Các giống lai tiên tiến

Một lĩnh vực nghiên cứu quan tâm khác hiện nay là phát triển ổ trục cho các thế hệ động cơ phản lực tương lai. Các bộ phận này nằm ở trung tâm của một chiếc máy bay hiện đại, hỗ trợ trục chính quay nhanh của động cơ phản lực cánh quạt lớn trên mọi máy bay chở khách.

Động cơ hiện đại có hơn 10 ổ trục dọc theo trục chính và sự xuất hiện của các thiết kế động cơ kết hợp hộp số giữa quạt ở phía trước động cơ và các bộ phận máy nén phía sau đã làm nảy sinh yêu cầu về các ổ trục chịu tải nặng bổ sung.

Khả năng của ổ trục được sử dụng trong động cơ có tác động đáng kể đến hiệu suất của nó. Chúng cần chịu được tải trọng cao, tốc độ quay cao và hoạt động đáng tin cậy trong suốt thời gian sử dụng lâu dài trong môi trường nóng và khắc nghiệt. Hơn nữa, các kỹ sư phải tính toán không gian mà ổ trục chiếm dụng khi xác định kiến ​​trúc của thiết kế động cơ mới.

Trong khi đó, với mỗi thiết kế mới, vòng bi lại chịu tải trọng cao hơn khi các nhà thiết kế tìm cách khai thác hiệu quả năng lượng hơn từ không gian sẵn có. Sự phát triển đó đang đưa các thiết kế và vật liệu vòng bi hiện có tiến gần đến giới hạn vật lý của chúng.

Một dự án gần đây với sự tham gia của chuyên gia SKF đã dẫn đến sự phát triển của một vật liệu mới có thể mở ra bước đột phá về hiệu suất cho vòng bi động cơ trong tương lai. Dự án ARCTIC (Công nghệ Vòng bi Tiên tiến để Tăng Năng lực) được tài trợ bởi Clean Sky 2 Joint Undertaking, trong khuôn khổ chương trình nghiên cứu và đổi mới Horizon 2020 của Liên minh Châu Âu, với Rolls-Royce là nhà tài trợ chính của dự án.

“Các ổ trục hiệu suất cao nhất dành cho động cơ hàng không hiện nay sử dụng thiết kế lai”, Alexandre Mondelin, kỹ sư phát triển sản phẩm của SKF, cho biết. “Chúng có các con lăn gốm và vòng thép.” Ông giải thích rằng trong những thiết kế như vậy, giới hạn hiệu suất của ổ trục được xác định bởi khả năng của vòng thép chịu được ứng suất tiếp xúc cao từ các viên bi gốm cứng hơn.

Mục tiêu của các dự án ARCTIC là tạo ra một hợp kim thép mới kết hợp với các con lăn gốm có khả năng chịu được ứng suất tiếp xúc cao hơn 15% và tốc độ quay cao hơn 25% so với thép ổ trục hàng không vũ trụ thông thường. Việc phát triển một vật liệu như vậy từ một tấm thép sạch là một công việc vô cùng khó khăn. Các loại thép được sử dụng trong ổ trục động cơ ngày nay được phát triển vào nửa sau thế kỷ 20. “Việc phát triển một loại thép mới chỉ nhắm đến một ứng dụng duy nhất cũng cực kỳ bất thường”, Jean-Baptiste Coudert, kỹ sư phát triển công nghệ của SKF, cho biết.

Hợp kim mới

Để phát triển loại thép mới, một nhóm tại Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Công nghệ SKF ở Hà Lan đã vận dụng hàng thập kỷ kinh nghiệm chuyên môn về khoa học vật liệu và sử dụng phần mềm mô phỏng vật liệu Thermo-Calc độc quyền của công ty để thử nghiệm hàng chục công thức nguyên mẫu. Trong quá trình này, họ cũng phải thiết kế một chu trình xử lý nhiệt mới và đảm bảo cả quá trình sản xuất vật liệu và xử lý nhiệt đều có thể được hoàn thành một cách hiệu quả về mặt chi phí ở quy mô công nghiệp. Sau đó, Yves Maheo và nhóm của ông tại Valence cần thiết kế và chế tạo một giàn thử nghiệm công suất cao, tốc độ cao mới cho ổ trục trục chính kích thước đầy đủ được sản xuất bằng loại thép mới.

Hợp kim cuối cùng, được cấp bằng sáng chế, có tên gọi ARCTIC15, đã đạt được tất cả các mục tiêu của dự án. Việc tăng 15% khả năng chịu tải nghe có vẻ khiêm tốn, nhưng nó sẽ mang lại sự gia tăng đáng kể về hiệu suất động cơ. Vòng bi lai được chế tạo bằng thép mới có thể chịu tải trọng lớn hơn 50% so với thiết kế thông thường. Điều này cho phép động cơ sử dụng vòng bi nhỏ hơn và đường kính trục chính nhỏ hơn.

Việc áp dụng công nghệ này trên thiết kế hiện tại đã giảm tổn thất công suất tới 25%, cho phép giảm kích thước hệ thống bôi trơn và làm mát, đồng thời giảm trọng lượng trực tiếp. Việc tối ưu hóa thiết kế hơn nữa có thể tăng mật độ công suất, mở đường cho việc cải thiện hiệu suất nhiên liệu và giảm 25 đến 30% lượng khí thải carbon dioxide và nitơ oxit (mục tiêu khách hàng).

Trong các thử nghiệm, ARCTIC15 đã chứng minh được một loạt lợi ích bổ sung. Nó bền hơn thép thông thường, đặc biệt là trong điều kiện bôi trơn kém hoặc thiếu dầu. Ngoài ra, ổ trục gốm lai ARCTIC15 tạo ra ít rung động hơn ổ trục truyền thống, giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy tổng thể của động cơ.

SKF hiện đang hợp tác với Rolls-Royce để công nghiệp hóa hoàn toàn giải pháp này, sau đó là thử nghiệm ổ trục hybrid ARCTIC15 trên nguyên mẫu động cơ UltraFan® H2 của nhà sản xuất động cơ này, thiết kế động cơ phản lực cánh quạt có hộp số thế hệ tiếp theo dành cho máy bay chở khách dân dụng.

Số lượng hành khách đi máy bay đang tăng lên