Cách Boeing kiểm tra độ bền của máy bay

Thử nghiệm độ mỏi là một trong những bước quan trọng nhất để đảm bảo máy bay phản lực có thể chịu khai thác khắc nghiệt suốt tuổi thọ.

Để kiểm tra, khung máy bay được gắn lên bộ giàn đồ sộ mô phỏng chuyển động của hàng nghìn chuyến bay, để phương tiện chịu tác động từ quá trình cất, hạ cánh và nhiễu động, qua đó xem xét kết cấu cũ đi và phản ứng thế nào theo thời gian. Những bộ truyền động thủy lực nâng cánh máy bay lên cao, máy nén mô phỏng chu kỳ áp suất cabin và cảm biến ghi lại vết nứt nhỏ nhất trước khi mắt người có thể phát hiện.

Thử nghiệm độ mỏi giúp kỹ sư xác định liệu một bộ phận có thể tồn tại qua hàng chục năm chịu áp lực trong thực tế hay không. Bằng cách lặp đi lặp lại chu kỳ áp lực mô phỏng cất, hạ cánh và nhiễu động, họ quan sát kim loại, composite và vật liệu khác mất dần độ cứng, hình thành vết nứt nhỏ hoặc gãy vỡ như thế nào. Dữ liệu thu được không chỉ giúp xác định điểm yếu mà cả tinh chỉnh thiết kế, dự đoán thời gian bảo dưỡng và đảm bảo cấu trúc máy bay đáp ứng tiêu chuẩn an toàn nghiêm ngặt.

Vào thập niên 1950, 707 trở thành máy bay phản lực chở khách đầu tiên của Boeing có thân máy bay điều áp hoàn toàn. Để chứng minh độ an toàn bay, Boeing đã xây dựng giàn thử nghiệm điều áp kiểu lều bán nguyệt bằng tấm cong lớn. Những tấm này được cắt và đục lỗ để tìm hiểu cách vết nứt lan rộng dưới áp lực. Các tinh chỉnh ở độ dày lớp vỏ, dải chống rách và thanh chống trượt giúp tạo ra kết cấu máy bay nhẹ hơn mà vẫn chịu được hư hại nặng.

Sau này, thử nghiệm độ mỏi với toàn bộ thân máy bay hé lộ hiện tượng hư hại đa điểm (MSD), những vết nứt li ti hình thành quanh đinh tán và mối ghép có thể nối liền với nhau. Boeing xử lý bằng cách cải tiến thiết kế qua các chương trình 707, 727, 747, 757 và 767. Khi mẫu 787 Dreamliner ra đời vào những năm 2000, giàn thử nghiệm độ mỏi của Boeing tiên tiến đến mức có thể mô phỏng tới ba vòng đời bay.

Quy định của Cục quản lý Hàng không Liên bang Mỹ (FAA) yêu cầu nhà sản xuất chứng minh máy bay có thể hoạt động trong suốt vòng đời dự kiến mà không hỏng hóc, do đó Boeing phải tiến hành thử nghiệm độ mỏi quy mô lớn trên khung máy bay chuyên dụng. Phòng thí nghiệm hệ thống của Boeing có thể mô phỏng 45 năm bay chỉ trong 5 tuần, cho phép kỹ sư "lão hóa ảo" máy bay để dự đoán cách phần mềm, hệ thống nhiên liệu và điều khiển phản ứng sau hàng thập kỷ mài mòn trong nhiều điều kiện thời tiết khác nhau. Đồng thời, các mô hình máy bay thu nhỏ được gắn cảm biến và hoạt động trong đường hầm gió để thu thập dữ liệu khí động học trước khi chế tạo bộ cánh kích thước thật.

Trong thử nghiệm độ mỏi, khung máy bay được vít chặt vào giàn thép khổng lồ chứa piston thủy lực đẩy để kéo, đẩy, vặn cánh, thân và đuôi. Ví dụ, công ty đã tiến hành một trong những cuộc thử nghiệm khắc nghiệt nhất trên máy bay thương mại thử nghiệm với mẫu 787 từ năm 2010 đến năm 2015. Gắn trên giàn thử nghiệm nặng hơn 544.000 kg, phần cánh, thân và đuôi của nguyên mẫu 787 bị kéo giật, xoắn vặn và đè nén hàng nghìn lần bởi kích thủy lực nhằm mô phỏng 165.000 chuyến bay, gấp khoảng 3,75 lần tuổi thọ dự kiến của phương tiện. Mỗi giây, cảm biến ghi lại hàng nghìn điểm dữ liệu khi kỹ sư quan sát các vết nứt, bong tróc và dấu hiệu mỏi kết cấu.

Đối với các nhà sản xuất máy bay như Boeing, kết quả thử nghiệm ảnh hưởng trực tiếp đến việc lựa chọn vật liệu, lập kế hoạch kiểm tra dài hạn và xác định tuổi thọ trung bình của máy bay chở khách, qua đó dự đoán và phòng ngừa nguy cơ giúp máy bay hoạt động an toàn và lâu dài hơn.

Từ lần thử nghiệm đầu tiên của nguyên mẫu Boeing 707 năm 1955 đến những máy bay chở khách ngày nay, thử nghiệm độ mỏi kết cấu đã đạt bước tiến xa. Thay vì phản ứng sau khi vết nứt xuất hiện, các kỹ sư giờ đây có thể dự đoán trước thông qua phân tích dữ liệu và vật liệu thông minh.

An Khang (Theo Jalopik)