Sự khác biệt cốt lõi giữa dòng máy bay thân hẹp MS-21 của Nga và hai gã khổng lồ hàng không Boeing 787 hay Airbus A350 nằm ở công nghệ chế tạo cánh vật liệu composite carbon – hay còn gọi là "cánh đen". Cuộc đối đầu giữa phương pháp truyền nhựa chân không và công nghệ thiêu kết trong lò hấp áp suất đang mở ra những góc nhìn công nghệ cho ngành chế tạo máy bay thương mại.
Hai triết lý chế tạo vật liệu
Trong chế tạo hàng không hiện đại, vật liệu composite siêu nhẹ và siêu bền đã trở thành tiêu chuẩn bắt buộc cho các dòng máy bay thế hệ mới. Tuy nhiên, cách thức chuyển đổi các sợi carbon tổng hợp thành những mảng cánh chịu lực khổng lồ lại phân hóa thành hai trường phái kỹ thuật hoàn toàn riêng biệt.
Với dòng máy bay MS-21 do Tập đoàn Hàng không Hợp nhất Nga chế tạo, các kỹ sư tại nhà máy AeroComposite (Ulyanovsk) lựa chọn công nghệ truyền nhựa chân không không qua lò hấp. Quy trình này bắt đầu bằng việc xếp các lớp sợi carbon khô để tạo hình khung chi tiết.
Sau đó, toàn bộ cấu trúc được bọc kín trong túi chân không, hút sạch không khí và bơm nhựa tổng hợp dạng lỏng để thẩm thấu đều vào từng thớ sợi trước khi đưa vào lò nướng nhiệt thông thường để đóng rắn.
Ảnh: Pervy Tekhnichesky
Mặt khác, Boeing 787 Dreamliner và Airbus A350 lại trung thành với phương pháp truyền thống nhưng cực kỳ chính xác: xếp lớp tự động vật liệu ngấm sẵn nhựa kết hợp gia nhiệt trong lò hấp áp suất cao. Các màng sợi carbon đã được nhà sản xuất tẩm sẵn nhựa liên kết từ trước sẽ được máy tự động xếp theo đúng góc độ thiết kế, sau đó đưa vào một bình áp suất khổng lồ để ép chặt và đóng rắn ở nhiệt độ và áp suất cực lớn.
Bài toán chi phí sản xuất và khả năng tích hợp cấu trúc lớn
Một trong những ưu thế lớn nhất của phương pháp truyền nhựa chân không trên MS-21 là yếu tố chi phí đầu tư ban đầu. Việc loại bỏ hoàn toàn lò hấp áp suất khổng lồ vốn là thiết bị cơ khí đắt đỏ, tiêu tốn nhiều năng lượng và chiếm diện tích nhà xưởng lớn, giúp giảm đáng kể chi phí hạ tầng sản xuất.
Bên cạnh đó, vật liệu sợi carbon khô và nhựa lỏng nguyên liệu có giá thành mềm hơn so với các cuộn màng prepreg chế tạo sẵn. Mặc dù một phần số tiền tiết kiệm được phải bù đắp vào việc chế tạo các bộ khuôn mẫu có độ chính xác cực cao phục vụ quy trình hút chân không, giải pháp của Nga vẫn nắm giữ lợi thế nhất định về mặt kinh tế thiết bị.
Xét về kích thước chi tiết, công nghệ truyền chân không giúp các nhà thiết kế không bị giới hạn bởi thể tích khoang chứa của lò hấp. Điều này tạo điều kiện cho AeroComposite đúc liền khối các tấm vỏ cánh và cấu trúc hộp cánh kích thước lớn cho MS-21. Việc tích hợp nhiều chi tiết nhỏ thành một mảng cấu trúc nguyên khối giúp loại bỏ hàng nghìn đinh rút, mối nối cơ khí, từ đó cắt giảm trọng lượng và công đoạn lắp ráp thủ công.
Tuy nhiên, Boeing và Airbus cũng đạt được mức độ tích hợp cấu trúc tương tự nhờ hệ thống rải băng sợi tự động hiện đại. Các mảng vỏ cánh composite lớn của Boeing 787 hay Airbus A350 vẫn được sản xuất thành công với số lượng mối nối tối thiểu, giúp cả hai phương pháp hòa nhau ở tiêu chí tích hợp quy mô lớn.
Trọng lượng, độ bền và thách thức kiểm soát chất lượng
Ảnh: Aviation International News
Cả hai công nghệ đều hướng tới mục tiêu chung: tạo ra cấu trúc chất lượng cao, giúp tàu bay tiết kiệm nhiên liệu và gia tăng tuổi thọ vận hành. Mặc dù vậy, mỗi phương pháp lại đối mặt với những thách thức kỹ thuật rất riêng trong kiểm soát chất lượng nội tại của vật liệu.
Đối với quy trình truyền nhựa chân không trên MS-21, thách thức lớn nhất nằm ở tính đồng đều của dòng nhựa chảy. Nếu tốc độ hoặc áp suất dòng nhựa lỏng phân bố không đều trong túi chân không, bên trong chi tiết có thể xuất hiện các bọt khí nhỏ hoặc vùng sợi "khô" chưa thấm đủ nhựa. Những khuyết tật này sẽ làm giảm đáng kể khả năng chịu lực của cánh. Do đó, quy trình này đòi hỏi hệ thống cảm biến kiểm soát nhiệt độ và dòng chảy hết sức khắt khe.
Trong khi đó, công nghệ lò hấp áp suất của Boeing và Airbus lại mang đến sự ổn định tuyệt đối về độ nén. Áp suất cao kết hợp nhiệt độ chuẩn xác trong lò hấp giúp loại bỏ triệt để bọt khí và ép chặt các lớp prepreg, tạo ra kết cấu composite có mật độ vô cùng đồng nhất và khả năng chịu tải đã được chứng minh qua hàng chục triệu giờ bay.
Độ "chín" công nghệ và bài toán sản xuất hàng loạt
Xét về độ trưởng thành công nghệ trong quy mô công nghiệp, phương pháp đóng rắn bằng lò hấp của Boeing và Airbus hoàn toàn áp đảo. Chuỗi cung ứng toàn cầu dành cho vật liệu prepreg, máy rải sợi tự động và lò hấp khổng lồ đã hoàn thiện qua nhiều thập kỷ. Phương pháp này đảm bảo tính ổn định cao khi sản xuất hàng loạt với sản lượng hàng trăm chiếc mỗi năm.
Dẫu vậy, quy trình prepreg cũng có điểm yếu về khâu hậu cần: vật liệu prepreg chưa đóng rắn bắt buộc phải được vận chuyển và bảo quản liên tục trong các kho lạnh chuyên dụng ở nhiệt độ âm để tránh nhựa bị hỏng sớm.
Ảnh: UAC
Ngược lại, công nghệ truyền nhựa chân không cho cấu trúc chịu lực chính của máy bay thương mại như cánh MS-21 là bước đi táo bạo và hiếm hoi trong ngành hàng không dân dụng thế giới.
Việc đưa thành công công nghệ này từ phòng thí nghiệm vào dây chuyền sản xuất thương mại thực tế là một bước tiến kỹ thuật ấn tượng của ngành chế tạo máy bay Nga. Dẫu vậy, để đạt được tốc độ xuất xưởng cao và độ ổn định chuỗi cung ứng như hai đối thủ phương Tây, công nghệ này vẫn cần thêm thời gian thử thách qua quá trình vận hành thực tế.
Cuộc so kè giữa công nghệ "cánh đen" của MS-21 và các dòng máy bay Boeing 787 hay Airbus A350 không có bên thắng cuộc tuyệt đối, bởi mỗi giải pháp đều mang những ưu và nhược điểm riêng biệt. Sự song hành của hai triết lý chế tạo này không chỉ thúc đẩy sự cạnh tranh kỹ thuật giữa các tập đoàn hàng không lớn mà còn mở ra những bước tiến mới cho vật liệu composite trong tương lai.
