– Chính xác và hiểm họa ở độ cao 10km

Dung sai: 0,000 000 000 001

Chuyện đó hệt như một mối tình sét đánh vậy: [Frank] Whittle có trong tay mọi lá bài chiến thắng: óc tưởng tượng, năng lực, lòng nhiệt tình, ý chí kiên định, thái độ tôn trọng khoa học và kinh nghiệm thực tiễn – tất cả nhằm phục vụ một ý tưởng đơn giản đến sững sờ: 2.000 mã lực với một bộ phận chuyển động duy nhất.

– Lancelot Law Whyte, “Whittle và cuộc phiêu lưu phản lực,” Tạp chí Harper (01/1954)

Đối với những thiết bị có cơ chế hoạt động ổn định và êm máy như xe ba bánh, máy khâu, đồng hồ đeo tay, hay máy bơm nước, sự hoàn hảo về cơ khí đương nhiên là một điều tốt – còn sự an toàn của người dùng có lẽ không hẳn là điều tối quan trọng. Tuy nhiên, đối với xe thể thao công suất cao, thang máy hay phòng phẫu thuật sử dụng robot, sự chính xác là điều bắt buộc mang tính sống còn: sự cố kỹ thuật ở vận tốc 200 km/giờ hoặc ở tầng 60 của một tòa nhà chọc trời hay trong một cuộc phẫu thuật tim do sự thiếu chính xác gây ra có thể còn đáng sợ và chết chóc hơn nhiều.

Hơn nữa, nếu rơi vào trường hợp di chuyển với vận tốc lớn và ở trên độ cao đáng kể, khi khách hàng bất ngờ bị lơ lửng giữa không trung cách mặt đất nhiều cây số, trong một môi trường hoàn toàn không dành cho sự sống con người, sự chính xác của chiếc máy bay đang chở họ phải hoàn hảo. Bất kỳ sai lệch nào dù nhỏ nhất cũng có thể đem lại những hậu quả tồi tệ – như chuyện xảy ra vào lúc 10 giờ hơn tại Singapore, một sáng thứ Năm đầy nắng, ngày 4 tháng 11 năm 2010.

Chuyến bay Qantas Flight 32, trên chiếc A380, một máy bay phản lực hai tầng “siêu cơ” mà Airbus mới sản xuất được hai năm, là máy bay thương mại lớn nhất thế giới lúc bấy giờ, vừa cất cánh bắt đầu một hành trình kéo dài bảy tiếng đồng hồ tới Sydney. Trên chuyến bay có 440 hành khách, 24 thành viên phi hành đoàn, và một tổ bay đông đảo hơn thường lệ: cơ trưởng, cơ phó, cơ phó thứ hai, cơ trưởng giám sát (có nhiệm vụ giám sát phi hành đoàn) và cơ trưởng giám sát cấp cao (có nhiệm vụ giám sát cơ trưởng giám sát). Năm người này đã có tổng cộng 72.000 giờ bay, một bề dày kinh nghiệm hóa ra vô cùng cần thiết vào sáng hôm đó.

Máy bay cất cánh lúc 9 giờ 58 phút tại một đường băng ở hướng Tây Nam của Sân bay Changi, đường bay 20C. Hệ thống càng máy bay nhanh chóng được thu lại, bốn động cơ Rolls-Royce Trent 900-series được đặt chế độ Nâng, và toàn bộ 511 tấn máy bay, hàng hóa, hành khách bắt đầu được nâng lên không trung. Trong thoáng chốc, máy bay đã rời không phận Singapore và đi vào Indonesia. Khi máy bay đang lao giữa bầu trời quang đãng ở độ cao 2,5 km bên trên những cánh rừng ngập mặn và làng chài nhỏ của Đảo Batam thì, trong sự hoảng hốt của tất cả mọi người trên chuyến bay, hai tiếng bùm rất to nổ ra liên tiếp.

Cơ trưởng ngay lập tức tắt chế độ lái tự động, lệnh cho máy bay ngừng nâng và giữ ổn định ở độ cao 2.100 mét, duy trì hướng Nam. Các màn hình buồng lái thoạt đầu thông báo một sự cố: quá nhiệt ở một tua-bin trong động cơ số hai, ở cánh trái, động cơ gần với thân máy bay. Nhưng vài giây sau, các phi công phải đối mặt với tình huống hàng loạt đèn và chuông báo động, các hệ thống trên máy bay đồng loạt trục trặc, ở động cơ số hai, tua-bin quá nhiệt đang cháy rừng rực.

Cơ trưởng truyền qua radio tin nhắn “pan-pan” (tín hiệu báo động vấn đề nghiêm trọng nhưng chưa phải mức khẩn cấp cao nhất) tới kiểm soát không lưu Singapore. Sau đó, ông quyết định đưa máy bay quay về Singapore, lái máy bay vòng vòng để chờ hạ cánh xuống đường băng, tranh thủ nửa tiếng bay ổn định để tìm hiểu chuyện gì đã thực sự xảy ra ở động cơ và làm thế nào để xử lý loạt vấn đề phát sinh. Trong khi đó, nhiên liệu phun ra từ phía sau động cơ và cánh máy bay bị thủng lỗ chỗ do bị bắn phá bởi tàn tích của một cú nổ bí ẩn. Các báo cáo từ dưới mặt đất cho biết các mảnh vỡ động cơ máy bay đã được tìm thấy ở các ngôi làng trên Đảo Batam, tất cả rõ ràng đều thuộc về chiếc máy bay bị hư hại.

Có câu “Cất cánh là tuỳ chọn, nhưng hạ cánh là bắt buộc”. Phi hành đoàn mất gần một giờ để xử lý vô số vấn đề nảy sinh trên máy bay và để xác định phương án hạ cánh khi một loạt bộ phận thiết yếu của máy bay bị trục trặc. Ví dụ, hệ thống phanh dường như chỉ hoạt động được một phần, cánh tà lưng bên trái không thể mở lên, hệ thống thổi ngược ở động cơ gặp sự cố đã hỏng hoàn toàn, và hệ thống càng máy bay không thể hạ xuống để tiếp đất. Do đó, chiếc máy bay buộc phải hạ cánh trong thời gian ngắn, mang theo 90 tấn nhiên liệu và một hệ thống phanh hư tổn nghiêm trọng, có khả năng nó sẽ không dừng lại sau khi đã chạy hết đường băng dài gần 5 km. Sân bay được yêu cầu phải huy động gấp đội xe cấp cứu và chờ đợi chiếc máy bay khổng lồ trở về.

Cuối cùng, chiếc máy bay cũng đã dừng lại được – cơ trưởng đạp gần lút cần phanh – khi chỉ còn lại hơn 120 m đường băng. Nhưng động cơ số một ở phía ngoài cánh trái vẫn không dừng lại. Động cơ số hai đã hư hại nghiêm trọng và không thể chạy nữa; các cáp điều khiển và mạch điện bị đứt và lộ ra ngoài, bởi một vật bí ẩn nào đó va vào cánh máy bay, thế nhưng động cơ số một vẫn tiếp tục quay.

Ngoài ra, nhiên liệu vẫn phun ra như suối từ các khe nứt trên bồn nhiên liệu gần động cơ số hai, và đáng lo nhất là hệ thống phanh ở mạn trái máy bay đang nóng đỏ vì quá nhiệt trong quá trình hạ cánh khẩn, với nhiệt độ lên tới gần 1.000 độ C theo thông báo trên màn hình buồng lái.

Một chi tiết hãi hùng khác: lốp máy bay bị thủng và rách toạc, và máy bay trượt trên đường băng hàng trăm mét trên lõi kim loại của bánh xe. Nếu chỉ một làn hơi xăng rò bị động cơ phản lực số một thổi tới các phanh và bánh xe đang nóng tóe lửa, nhiên liệu sẽ bắt cháy, và một vụ nổ kinh hoàng là không thể tránh khỏi: Những người có mặt chưa kịp thở phào vì hạ cánh an toàn đã phải đối mặt với cảnh tượng chiếc máy bay bất động bị ngọn lửa thiêu rụi. Đó là một tình cảnh hỗn loạn và khủng khiếp trên mặt đất – còn tệ hơn rất nhiều so với trên không trung trước đó.

Lính cứu hỏa Singapore phải mất ba giờ mới hãm được động cơ đang chạy bằng cách xối thẳng hàng chục ngàn lít nước vào nó. Động cơ máy bay vốn được chế tạo để chống chịu mưa bão, nên việc nó chỉ đầu hàng một cơn mưa bão nhân tạo dữ dội là minh chứng cho chất lượng của động cơ Rolls-Royce Trent. Ngay sau khi động cơ ngưng và phanh được làm nguội nhờ hàng tấn bọt và bột khô chữa cháy, hành khách, sau hai tiếng kẹt cứng trong bẫy lửa, được đưa ra ngoài, lật đật leo xuống những nấc thang nối vào các cửa mạn phải máy bay mà bình thường không dùng tới. 440 hành khách đều hoảng hốt nhưng không ai bị thương.

Cuối cùng, phi hành đoàn cũng hiểu được chuyện gì đã xảy ra. Trước mắt họ là cảnh tượng thảm khốc mà ngay cả những thành viên dày dạn kinh nghiệm nhất cũng hiếm khi được chứng kiến. Một phần ba đuôi nắp đậy động cơ số hai đã bị xé toạc và thổi bay, vỏ tua-bin động cơ bị lột ra, động cơ có hai lỗ thủng lớn do nổ trong. Khắp nơi là bồ hóng, dầu, dây rợ cháy đen, đường ống vỡ, và mảnh vụn cánh quạt rô-tơ.

Một đĩa rô-tơ nặng làm bằng kim loại đã văng ra ngoài; một nửa của nó bị xé vụn và những mảnh vụn sau đó được tìm thấy ở các ngôi làng trên Đảo Batam, va đập vào các tòa nhà nhưng rất may là không trúng ai.

Những gì vừa xảy ra là cơn ác mộng của mọi nhà sản xuất động cơ phản lực trên thế giới. Động cơ Rolls-Royce Trent 900 – cụ thể là phiên bản 972–84, với lực đẩy lên đến 30 tấn và ngốn của Qantas Airways 13 triệu đô-la – đã gặp phải một hiện tượng gọi là sự cố rô-tơ động cơ vỡ vỏ khi đang bay. Đây là một trường hợp đặc biệt hiếm gặp, nhưng nếu xảy ra thì cực kỳ nguy hiểm, khi các cấu phần kim loại nóng đỏ từ động cơ vỡ ra, thay vì ở lại bên trong vỏ kim loại của động cơ, chúng cắt qua vỏ và thoát ra ngoài, trở thành các mảnh đạn bắn phá cánh và thân máy bay.

Các bó dây cáp điện, bồn nhiên liệu, ống dẫn nhiên liệu và dầu, hệ thống thủy lực, hệ thống cơ, khoang điều áp chứa hành khách bên trong – tất cả đều có nguy cơ bị bắn phá và hư hại bởi các mảnh kim loại bay với tốc độ cao. Trong trường hợp của Qantas Flight 32, máy bay đã hứng chịu một trận mưa đạn. May sao, nhờ nỗ lực của một tổ lái giỏi (và đông đảo hơn thường lệ), hư hại và rủi ro đã được kiểm soát thành công.

Động cơ số hai hiệu Rolls-Royce Trent, được chụp sau khi chuyến bay Qantas Flight 32 hạ cánh an toàn xuống Singapore, bị phá hủy hoàn toàn bởi “sự cố rô-tơ vỡ vỏ” xảy ra bên trong động cơ khi máy bay đang ở độ cao gần 2km trên bầu trời Indonesia (bản quyền hình ảnh thuộc Cục An toàn Giao thông Australia)

Nhưng chính xác thì chuyện gì đã xảy ra trong động cơ dẫn đến thảm họa hụt này? Để tìm hiểu cặn kẽ, và để thăm dò bên trong cấu tạo rối rắm đến ác mộng của một động cơ phản lực hiện đại, chúng ta cần tìm tới lịch sử – quay trở về quá khứ chưa xa, khi hàng không vẫn là một thú vui của những tay chơi nghiệp dư, chứ không phải lãnh địa của riêng các hãng hàng không thương mại với những buồng lái số hóa đến chân răng.

Người phát minh ra động cơ phản lực là Frank Whittle, con trai cả của một công nhân nhà máy bông Lancashire mà sau đó chuyển sang làm thợ hàn. Một vài người khác cũng chế tạo động cơ phản lực, dù với kiểu động cơ phổ biến nhất ngày nay – kiểu động cơ đốt trong dùng không khí, sử dụng trong đa số máy bay phản lực hiện đại, chứ không phải kiểu động cơ phản lực tên lửa không dùng không khí – ngoài Frank Whittle chỉ có hai người được coi là nhà phát minh. Đầu tiên là Maxime Guillaume của Pháp, được chính phủ Pháp cấp bằng sáng chế số 534.801 cho động cơ tua-bin phản lực dành cho máy bay vào tháng 4 năm 1922. Thứ hai là Hans von Ohain, ở thành phố Dessau của Saxony, đưa ra một thiết kế dành cho “động cơ không cần cánh quạt” mà ông cho là hoàn toàn khả thi năm 1933, sau đó biến thiết kế của mình thành sản phẩm thực tế.

Frank Whittle nảy ra ý tưởng về động cơ phản lực khi còn là một học viên phi công. Bằng sáng chế của ông không được gia hạn vì ông không có tiền đóng lệ phí. Máy bay phản lực không cánh quạt đầu tiên của ông cất cánh vào tháng 5 năm 1941 (bản quyền hình ảnh thuộc Đại học Cambridge)

Nhưng cả sáng chế của người Pháp và nguyên mẫu của người Đức đều không trở nên phổ biến. Việc sản xuất một động cơ có khả năng hoạt động trong môi trường đặc biệt khắc nghiệt, chống chịu nhiệt độ cao ở tất cả các bộ phận, vượt quá năng lực kỹ thuật của châu Âu. Ngoài ra, cũng phải nói thêm rằng các phòng thí nghiệm của Mỹ vì lý do nào đó hoàn toàn không nhận thức được tiềm năng của động cơ tua-bin trong ngành hàng không và nước Mỹ hầu như không có nghiên cứu nào về chủ đề này cho đến tận những năm 1940.

Chỉ có Frank Whittle là tiếp tục theo đuổi ý tưởng này. Ông chỉ trích nặng nề bản chất lỗi thời của động cơ pít-tông chạy bằng cánh quạt, một chỉ trích vẫn còn vang dội đến ngày nay khiến ông bị đuổi việc. “Động cơ tịnh tiến đã hết tiềm năng,” ông tuyên bố. “Chúng có hàng trăm bộ phận di chuyển lên xuống và chúng ta không thể tăng công suất cho chúng mà không làm chúng trở nên quá phức tạp[∗]. Động cơ tương lai phải sản sinh ra 2.000 mã lực chỉ với một bộ phận di chuyển duy nhất: một tua-bin quay và máy nén.”

Các động cơ phản lực hiện đại có thể tạo ra hơn 100.000 mã lực – nhưng về cơ bản, chúng chỉ có một bộ phận chuyển động duy nhất: một trục chính, một rô-tơ dùng để quay và truyền động quay cho hàng loạt các chi tiết kim loại chính xác khác. Động cơ phản lực tuy vô cùng phức tạp nhưng lại đi ra từ một thiết kế tương đối đơn giản. Để đảm bảo vận hành hiệu quả, chúng được sản xuất từ những vật liệu quý hiếm, cấu thành từ các bộ phận chất lượng cao, ăn khớp nhau, và tuân theo những dung sai cực kỳ nghiêm ngặt. Frank Whittle đã dành mười năm để vượt qua những thách thức trên, kể từ thời điểm ông nảy ra ý tưởng vĩ đại của mình vào mùa hè năm 1928. Trong thời gian đó, ông gặp phải vô số chướng ngại và rào cản, nhưng không bao giờ bỏ cuộc.

Frank Whittle, cao 1,5 m, diện mạo có phần giống Charles Chaplin, là người ngăn nắp, kỹ tính, tràn trề năng lượng. Thời trẻ, ông là một phi công trình diễn và tay lái mô tô liều lĩnh, nỗi phiền toái cho các thầy huấn luyện, và là một tài năng toán học hiếm có. Ý tưởng về động cơ phản lực của ông bắt nguồn từ những tháng cuối cùng trong chương trình đào tạo sĩ quan không quân ở Cranwell, học viện Không quân Hoàng gia ở miền trung nước Anh. Thời đó, mỗi học viên phải viết một luận văn khoa học ngắn về chủ đề tự chọn, và luận văn của Whittle đã trở thành huyền thoại của ngành hàng không: với sự ngạo mạn của tuổi trẻ, ông đặt tên cho luận văn là “Tương lai phát triển của thiết kế máy bay”.

Khi ông tốt nghiệp Cranwell, máy bay dùng động cơ mới có tuổi đời khoảng một phần tư thế kỷ. Máy bay sử dụng trong chương trình đào tạo của các học viên như Whittle chủ yếu là các máy bay hai tầng cánh – với khung gỗ, không hề được tối ưu khí động, không có các cải tiến như hệ thống hạ cánh co rút được và ca-bin điều áp, bay ở tầm thấp, dò dẫm trên bầu trời với vận tốc hiếm khi vượt quá 320km/giờ. Các máy bay chiến đấu của Không quân Hoàng gia, có thể coi là tân tiến hàng đầu, có tốc độ trung bình khiêm tốn 240km/giờ và bay ở độ cao vài ngàn mét so với mực nước biển.

Khoa học viễn tưởng rất được hâm mộ vào thời đó, và với một độc giả như Whittle, người đã ngấu nghiến tất cả các tác phẩm của H. G. Wells, Jules Verne và Hugo Gernsback mà ông tìm được, những cảnh kỳ diệu trong sách (bay tốc độ cao, vận tải hàng loạt, bay lên tầng bình lưu, lên mặt trăng, lên vũ trụ!) không chỉ là viễn cảnh, mà còn là những viễn cảnh khả thi. Whittle tin tất cả những gì các tác giả khoa học viễn tưởng viết đều có thể thực hiện được, nhưng không phải – ông quả quyết – bằng động cơ pít-tông tịnh tiến đương thời. Cần có một kiểu động cơ mới và ưu việt hơn. Ông mô tả ý tưởng của mình trong luận văn tại Cranwell như sau:

Tôi đi đến kết luận tổng quát rằng nếu muốn có đồng thời vận tốc cao và quãng đường di chuyển lớn, thì máy bay phải bay ở độ cao lớn, do mật độ không khí thấp sẽ giúp giảm lực cản tương đối so với vận tốc. Tôi đang nghĩ tới vận tốc 500 dặm/giờ trên tầng bình lưu, nơi mật độ không khí chưa tới một phần tư giá trị ở mực nước biển.

Tôi thấy tổ hợp động cơ pit-tông và cánh quạt thông thường khó có khả năng đáp ứng được nhu cầu về sức mạnh động cơ của một loại máy bay vận tốc lớn/độ cao lớn mà tôi đang hình dung, do đó khi thảo luận về động cơ máy bay, tôi đã mở rộng đáng kể phạm vi tìm kiếm, bàn về các khả năng của động cơ đẩy tên lửa và tua-bin khí điều khiển cánh quạt, nhưng lại chưa nghĩ đến việc sử dụng tua-bin khí cho động cơ phản lực.

15 tháng sau, vào tháng 10 năm 1929, bức tranh mới trở nên hoàn chỉnh. Whittle khi này đã là một phi công đầy đủ chứng chỉ, đóng ở Cambridgeshire. Trong quá trình giảng dạy và huấn luyện bay, ông không ngừng suy ngẫm, tính toán và mường tượng về một loại động cơ có thể khiến máy bay di chuyển nhanh như chớp. Mọi thiết kế của ông đều liên quan tới một số loại động cơ pít-tông siêu nạp. Đồng thời, ông nhận ra dù chỉ tăng công suất máy một chút để giúp tăng vận tốc máy bay, ông cần một động cơ lớn hơn và nặng hơn nhiều – có lẽ là quá lớn và quá nặng cho một chiếc máy bay. Ông chuẩn bị bỏ cuộc thì đột nhiên, vào một ngày tháng 10, một ý nghĩ lóe lên trong đầu ông: tại sao không sử dụng tua-bin khí làm động cơ, tại sao không thay thế cánh quạt ở đầu động cơ bằng một tua-bin có khả năng đẩy một luồng khí mạnh ra từ phía sau động cơ? Một ý tưởng làm thay đổi cả thế giới theo cách không thể tin nổi đã đến với Frank Whittle khi ông chỉ mới 22 tuổi.

Những kiến thức còn lưu lại từ trường lớp cũng như kỹ năng toán học sau này đã giúp ông nhận ra thứ động cơ phản lực mà ông đang nghĩ đến sẽ là bằng chứng sống cho Định luật về Chuyển động Thứ Ba của Issac Newton, được đưa ra vào năm 1686. Newton (tình cờ cũng là một người Cambridge) viết “với mỗi lực tác động lên một vật thể, sẽ có một phản lực ngược chiều có cùng độ lớn.” Theo định luật này, một luồng khí mạnh phóng ra từ phía sau động cơ máy bay sẽ đẩy máy bay về phía trước bằng một lực tương tự, và tạo ra, ít nhất về lý thuyết, một tốc độ nằm ngoài tưởng tượng.

Hơn nữa, một tua-bin khí, về lý thuyết, có thể cho công suất lớn hơn nhiều một động cơ pít-tông, vì một lý do rất đơn giản. Thành phần tối quan trọng ở mọi động cơ đốt là không khí – không khí được hút vào động cơ, trộn với nhiên liệu, sau đó cháy hoặc nổ, biến nhiệt năng thành động năng và làm di chuyển các bộ phận chuyển động của động cơ. Nhưng lượng không khí hút vào một động cơ pit-tông bị giới hạn bởi kích thước xi lanh và các yếu tố khác. Đối với tua-bin khí thì giới hạn này không tồn tại. Một quạt lớn ở miệng động cơ có thể hút được một lượng không khí vượt xa sức chứa của động cơ pít-tông – trung bình gấp khoảng 70 lần đối với các động cơ phản lực thời Whittle. 70 lần lượng khí không có nghĩa là 70 lần công suất – điều này còn phụ thuộc các yếu tố khác – nhưng 20 lần công suất là một con số hợp lý và khả dĩ chấp nhận.

Không ngạc nhiên khi các nhà nghiên cứu lịch sử công nghệ coi khoảnh khắc này là một bước đột phá, một khoảnh khắc ơ-rê-ka thực sự, một khoảnh khắc thay đổi tất cả. Và kể từ ngày mùa thu ấy, Frank Whittle đã dồn toàn bộ tâm trí vào việc tạo ra một tua-bin khí cho máy bay. Ông đã mất mười năm để xử lý những vấn đề kỹ thuật và thủ tục tưởng như bất tận, nhưng cuối cùng động cơ đầu tiên cũng được bắt cháy, và chính chiến tranh đã tạo ra những điều kiện quan trọng để thành tựu này ra đời.

Thoạt đầu không mấy người quan tâm: dù Whittle đã xoay sở đăng ký (và được cấp vào năm 1981) một bằng sáng chế cho “Các cải tiến liên quan tới sức đẩy của máy bay và các phương tiện khác,” và dù các đồng nghiệp của ông ở căn cứ không quân đã truyền tin ông đang nắm trong tay một phát minh đột phá, ông liên tục gặp các rào cản. Bộ Không quân đặc biệt tỏ ra thờ ơ, và ba hãng sản xuất động cơ máy bay lớn nhất của Anh đều khước từ. Năm 1985, khi phải gia hạn bằng sáng chế, ông không có đủ tiền để trả mức phí 5 bảng – Bộ Không quân khẳng định chắc nịch rằng họ sẽ không lấy ngân sách nhà nước để trả chi phí này. Whittle khi ấy đã tính đến chuyện bỏ cuộc và đã có kế hoạch phát triển một thiết bị khác, không dành cho hàng không mà dành cho đường bộ. Ông để bằng sáng chế hết hạn – dù sao, ông chán nản nghĩ, nó cũng chẳng còn giá trị gì. Thế nhưng, khi bằng sáng chế hết hạn và ý tưởng không còn thuộc sở hữu độc quyền của ông, cả thế giới có thể sử dụng nó và điều này dẫn đến những thay đổi lớn.

Vì năm 1985, trong bối cảnh một nước Đức đang nhanh chóng quân sự hóa; Hans von Ohain và Công ty Heinkel bắt đầu có hứng thú với các động cơ phản lực; và Herbert Wagner, người phụ trách sườn máy bay ở nhà máy Junkers, quan tâm tới động cơ đẩy bằng tua-bin; các điều kiện chín muồi để phát triển động cơ tua-bin phản lực đã hội tụ. Không rõ sự quan tâm của Hans von Ohain và Herbet Wagner có đến từ việc hết hạn bằng sáng chế của Whittle không, nhưng thực tế là đến giữa thập niên 1980, chính phủ Đức đã bắt đầu sản xuất động cơ phản lực cho máy bay. Cùng lúc ấy, nước Anh, nơi cha đẻ của phát minh đang sống cùng gia đình chỉ cách thủ đô chưa đến 80 km, hơn nữa lại làm việc trong quân đội, không được cấp tiền bạc hay hỗ trợ gì cho ý tưởng của mình, vẫn cứ hững hờ.

Tất cả mọi thứ sẽ thay đổi khi dự án nhận được tài trợ và Whittle có thể bắt tay vào việc biến thiết kế của mình thành nguyên mẫu và kiểm tra xem ý tưởng có cất cánh được theo đúng nghĩa đen không. Người đặt cược vào Whittle là một hãng đầu tư mạo hiểm tên là O. T. Falk and Partners, vào năm 1985. “Máy bay tầng bình lưu?” một đối tác cao cấp của hãng, Lancelot Law Whyte, đã ghi chú như vậy vào ngày 11 tháng 9 năm đó, và nói ông đã “có cảm tình từ cái nhìn đầu tiên” với người sĩ quan trẻ. Tuy ghi chú của ông có dấu chấm hỏi ở cuối, ông sau đó kể với vợ rằng cảm giác của ông khi gặp Whittle (lúc này đang học tiến sĩ ở Cambridge trong thời gian nghỉ phép ở Không lực Hoàng gia) giống như “một người sùng đạo thời xưa gặp một vị thánh.” Những tưởng một câu chuyện có khởi đầu như vậy sẽ kết thúc trong nước mắt. Nhưng không, nó kết thúc trong thắng lợi, với vị thánh mang đến phép màu như mong đợi. Lancelot Law Whyte hóa ra là một người có tầm nhìn lớn và không đáng bị lãng quên. Ông từng là một nhà vật lý học, và hoàn toàn không phải loại chủ nhà băng tàn nhẫn; một người yêu ý tưởng của Whittle không vì lợi nhuận mà vì vẻ đẹp của nó, vì “trong mọi đột phá, sự phức tạp truyền thống đều được thay thế bằng một sự tinh giản mới mẻ. Đây là một đột phá đích thực trong thế giới khắc nghiệt của công nghệ.”

Hãng đã đề xuất ứng trước 3.000 bảng và thành lập một công ty cho Whittle với tên gọi dự định là Power Jets Limited. Các thành viên của công ty mới hầu như không có kinh nghiệm gì về hàng không – một trong các cổ đông lớn nhất đến từ lĩnh vực sản xuất máy bán thuốc lá – nhưng Frank Whittle được bổ nhiệm làm kỹ sư trưởng và là nhân viên duy nhất của công ty. Bộ Không quân (hiện quản lý Whittle vì lúc này ông vẫn là sĩ quan không quân) chấp thuận miễn cho ông các nhiệm vụ quân sự trong một thời hạn nhất định, tuy vẫn nhắc nhở rằng công việc của ông ở Power Jets chỉ là công việc phụ, và ông chỉ được đầu tư tối đa sáu giờ mỗi tuần cho dự án của mình.

Tuy sự hậu thuẫn của Bộ Không quân không thể coi là nhiệt tình nhưng mang tính chính thức[∗], và nó tạo điều kiện cho Whyte tiến hành các bước tiếp theo, ông lập tức ký hợp đồng với nhà sản xuất tua-bin British Thomson-Houston (BTH)[∗] để chế tạo động cơ theo chỉ định kỹ thuật mà Whittle đưa ra. Động cơ này cần một tua-bin quay với tốc độ 17-750 vòng/phút, truyền động cho máy nén và tạo ra 500 mã lực, đảm bảo luồng khí ra có đủ lực để đẩy một máy bay thư tín nhỏ. Động cơ được đặt tên là WU, viết tắt của “Whittle Unit”. Whittle dự tính nó sẽ cho phép máy bay chuyển vài tấn bưu phẩm qua Đại Tây Dương trong thời gian sáu tiếng đồng hồ không dừng nghỉ.

Sau 80 năm nhìn lại, chúng ta khó có thể mường tượng hết tính cách mạng trong ý tưởng của Whittle. Động cơ tua-bin phản lực không phải là phát minh ra đời ngẫu nhiên. Nó đem lại phương thức di chuyển hoàn toàn mới, ra đời sau quá trình tính toán, dự trù, xem xét hết sức kỹ lưỡng. Sự ra đời của nó đánh dấu bước nhảy vọt của công nghệ chính xác từ mặt đất lên không trung. Đó một thiết bị tuyệt diệu, và tuy có ý kiến cho rằng nhân loại đã dùng động cơ phản lực để tàn phá hành tinh, bản thân cỗ động cơ vẫn là tạo vật duyên dáng và toàn vẹn hàng đầu của thời hiện đại.

Nguyên tắc hoạt động cơ bản của động cơ tua-bin đã được làm rõ trước đó, và tua-bin vốn dĩ được sản xuất không chỉ ở các hãng của Anh như British Thomson-Houston mà còn ở nhiều nước khác. Tua-bin khí đã hiện diện trong tàu thủy, nhà máy phát điện, nhà máy công nghiệp. Sự đơn giản trong nguyên tắc hoạt động của nó là thứ khiến tua-bin trở nên đặc biệt hấp dẫn đối với các ngành công nghiệp. Không khí được hút qua một cửa hút ở mặt trước động cơ và ngay lập tức được nén lại, tăng nhiệt độ, trộn với nhiên liệu và cho bắt cháy.

Đó là một hỗn hợp khí nén rất chặt, ở nhiệt độ rất cao, sẽ “nổ” có kiểm soát, từ đó làm quay cánh quạt tua-bin. Sau đó, tua-bin thực hiện hai chức năng. Thứ nhất, nó sử dụng một phần nhỏ công sinh ra để chạy khối nén khí, chính là bộ phận hút và nén không khí mô tả ở trên. Thứ hai, phần lớn công còn lại sẽ được sử dụng để thực hiện chức năng chính của động cơ, chẳng hạn để quay chân vịt tàu thủy, máy phát điện, bánh xe của đầu máy xe lửa, hoặc để truyền động cho hàng ngàn máy móc trong một nhà máy. Nói cách khác, hóa năng trong hỗn hợp không khí và nhiên liệu chuyển thành cơ năng, là thứ cần có để chạy tàu thủy và máy móc nhà máy. Nếu cơ năng được cấp cho máy phát điện thì năng lượng lại chuyển dạng lần thứ hai từ cơ năng thành điện năng.

Frank Whittle chỉ quan tâm tới việc chuyển hóa năng thành cơ năng. Điện nằm ngoài mối quan tâm của ông. Nhưng ông muốn cơ năng làm được nhiều hơn việc truyền động cho trục quay. Ông muốn nó tạo ra một luồng khí phản lực mạnh mẽ – và hơn nữa, muốn động cơ phải có khối lượng đủ nhẹ để có thể bay trên không trung, hiệu suất đủ cao để đem lại hiệu quả kinh tế. Để thỏa mãn các điều kiện đó, các cấu phần của động cơ phải được chế tạo cực kỳ tỉ mỉ, tuân theo những tiêu chuẩn đặc biệt nghiêm ngặt, và có khả năng vận hành trong những môi trường khắc nghiệt nhất. Đây là mục tiêu Power Jets và BTH đặt ra, bắt đầu từ năm 1936. Đó là một thử thách kỹ thuật khổng lồ, và cùng lúc đó mối đe dọa từ Hitler bắt đầu hiện rõ.

Nhiệt có lẽ là vấn đề nan giải nhất. Buồng đốt của động cơ tạo ra nhiệt độ cao hơn nhiệt độ trong các lò nung và nồi hơi thời ấy. Ổ bi là một vấn đề khác tiếp theo – chưa ai phát minh ra được một ổ bi có thể hoạt động trong nhiệt độ và áp suất ở mức dự tính trong tâm của động cơ phản lực. BTH tiến hành một loạt thí nghiệm – thí nghiệm đốt ở các nhiệt độ khác nhau, kiểm tra điểm tới hạn của ổ bi, tạo ra các cột khí xả thải cuồn cuộn và các vũng nhiên liệu đầy nguy hiểm, và thật nhiều, thật nhiều các cú nổ – nhưng không ai nắm rõ chuyện gì đang xảy ra vì tất cả được coi là thông tin tối mật.

Đợt chạy thử nghiệm động cơ hoàn chỉnh đầu tiên suýt nữa là một thảm họa. Đợt thử nghiệm diễn ra vào tháng 4 năm 1987, tại một nhà máy nằm ngoài thị trấn Rugby miền trung nước Anh, một nơi được trang bị kỹ lưỡng phòng sự cố vì một mảnh tua-bin bắn ra từ động cơ có thể gây chết người. Trong một sự cố xảy ra vài tuần trước, một tua-bin thông thường đã phát nổ và hàng loạt mảnh kim loại nóng đỏ văng xa đến 3,2 km, khiến một số người gần đó tử vong. Thế nên, lần này động cơ thử nghiệm được đặt trên một xe tải (phải tháo bánh vì chỉ riêng mô-tơ khởi động của nó đã nặng đến hai tấn) và được che chắn bởi ba vách sắt dày vài phân, ống xả phản lực được ròng qua một cửa sổ và điều khiển mô-tơ khởi động đặt cách đó vài mét. Whittle ra hiệu lệnh bằng tay cho những kẻ quả cảm hoặc khờ dại nhận nhiệm vụ vận hành động cơ.

Báo cáo của Whittle không giống với kiểu báo cáo súc tích và khách quan thường thấy ở một phi công lái thử giàu kinh nghiệm:

Tôi bật bơm nhiên liệu. Sau đó, một trong các nhân viên thử nghiệm kích hoạt khớp nối khởi động (được thiết kế để tắt ngay khi rô-tơ chính của động cơ chạy vượt mô-tơ khởi động) và tôi ra hiệu lệnh cho người trực ở bảng điều khiển khởi động.

Mô-tơ khởi động bắt đầu quay. Khi tốc độ đạt khoảng 1.000 vòng/phút, tôi mở van điều khiển để nhiên liệu đi vào bộ đốt mồi trong buồng đốt, và quay nhanh tay cầm của ma-nhê-tô để bắt cháy hỗn hợp sương nhiên liệu phun ra từ bộ đốt mồi này. Một người khác, quan sát buồng đốt qua một cửa sổ thạch anh, ra hiệu “ổn” cho tôi, chỉ lửa mồi đã bắt cháy.

Tôi ra hiệu tăng tốc độ quay của mô-tơ khởi động, và khi tốc kế vòng chỉ 2.000 vòng/phút, tôi mở van điều khiển nhiên liệu chính.

Trong một đến hai giây, động cơ tăng tốc chậm rãi, sau đó, phát ra một tiếng hú như tiếng còi báo động máy bay địch, tốc độ bắt đầu tăng nhanh chóng, và trên vỏ buồng đốt bắt đầu xuất hiện các khoảng nóng đỏ. Động cơ rõ ràng đã mất kiểm soát. Tất cả nhân sự BTH, nhận ra điều này, lao vào nhà máy từ nhiều hướng. Một số người trú ẩn sau các vỏ xả động cơ hơi nước gần đó – một loại phương tiện che chắn hữu ích.

Tôi lập tức vặn đóng van điều khiển nhưng không hiệu quả và tốc độ tiếp tục tăng, nhưng may sao vận tốc dừng tăng khi đạt 8.000 vòng/phút, sau đó giảm dần. Không cần nói cũng biết chuyện này làm thần kinh của tôi tổn hao đáng kể. Tôi hiếm khi sợ hãi như thế.

Sự cố tái diễn vào ngày hôm sau, các luồng lửa phụt ra từ ống xả phản lực và hơi rò từ các khớp nối tiếp xúc với kim loại nóng đỏ trong buồng đốt và bắt cháy. Lửa nhảy múa trong không trung và nhân viên của BTH biến mất “còn nhanh hơn cả hôm trước”.

Nhưng, như Whittle nói, sau khi bình tâm lại nhờ vài ly vang đỏ ở một khách sạn địa phương, các sự cố này không khó lý giải và ông tin vấn đề sẽ được giải quyết. Nhưng ông đã quá lạc quan, và sau hết cuộc thử nghiệm thất bại này đến cuộc thử nghiệm thất bại khác suốt mùa hè năm 1937, ông đi đến kết luận động cơ phải được thiết kế lại từ đầy. Nhưng tiền đã cạn. Bản thân Whittle gần như hoảng loạn và cả dự án sắp sửa phải đóng lại. Ngoài ra, việc thử nghiệm đã trở nên quá nguy hiểm, đến độ BTH yêu cầu các thử nghiệm sau đó phải diễn ra ở một nơi cách nhà máy của họ hơn chục cây số, tại một xưởng đúc bỏ hoang gần thị trấn Lutterworth.

Và đó chính là thời điểm tình thế xoay chuyển. Bộ Không quân đã quyết định đầu tư vào dự án một khoản khiêm tốn, chủ yếu nhờ lời ca tụng của Henry Tizard về tài năng của Whittle và danh tiếng của Tizard đủ lớn để tới tai những quan chức cao cấp nhất của chính phủ. BTH cũng góp vốn và một đợt thử nghiệm mới cho động cơ tái thiết kế được bắt đầu vào tháng 4 năm 1938. Cuộc thử nghiệm đầu tiên kết thúc khi một chiếc giẻ lau bị hút vào động cơ qua quạt nén. Vào tháng 5, động cơ đạt tốc độ 13.000 vòng/phút, tuy nhiên nó bị dừng đột ngột vì chín cánh quạt tua-bin bị vỡ, long khỏi vòng đệm, bắn xuyên qua động cơ. Lại mất thêm bốn tháng để chế tạo lại động cơ và lần này các kỹ sư trang bị cho động cơ mười buồng đốt thay vì một buồng. Các buồng đốt bao quanh rô-tơ như các gối cách nhiệt và tạo cho động cơ một vẻ ngoài cân xứng và kỳ vĩ, và trớ trêu thay, có nét tương đồng với các động cơ pít-tông hướng tâm mà nó tìm cách thay thế.

Cuối cùng thì động cơ ở phiên bản này đã vận hành như thiết kế. Ngày 30 tháng 6 năm 1939, chưa đến mười tuần trước khi Thế chiến thứ II nổ ra, một quan chức Bộ Không quân tới Lutterworth để kiểm tra động cơ, chứng kiến nó chạy trong 28 phút ở vận tốc ổn định 16.000 vòng/phút, và ra một quyết định hệ trọng. Thiết kế của Whittle sẽ được dùng cho một máy bay thực; và không lâu sau, Công ty Máy bay Gloster[∗] được đặt sản xuất một máy bay thử nghiệm chạy bằng động cơ mới. Động cơ được đặt tên W1X còn máy bay được đặt tên Gloster E28/39.

Giám đốc kỹ thuật của Gloster, một kỹ sư hay ngậm tẩu, diện mạo nghiêm nghị, tên là George Garter, nhận trách nhiệm thiết kế máy bay mới. Do Bộ Không quân muốn có một máy bay thử nghiệm kiêm một máy bay chiến đấu, nó sẽ phải được trang bị bốn súng và phải mang được đạn dược. Nhưng Carter tranh luận máy bay thử nghiệm phải nhỏ và nhẹ, chỉ nặng trên một tấn, và cuối cùng đã thuyết phục được chính phủ không trang bị vũ khí cho hai nguyên mẫu đầu tiên. Quá trình sản xuất bắt đầu từ năm 1940, lúc này thế chiến đã vào giai đoạn nóng bỏng và Luftwaffe (Không quân Đức) đang dội bom xuống các thành phố của Anh. Gloster, với một nhà máy quá dễ phát hiện và một sân bay ngay gần trụ sở, quyết định chuyển địa điểm dự án tối mật này tới một phòng trưng bày ô tô bỏ hoang, tên là Recent Garage, gần thành phố Cheltenham. Một sĩ quan cảnh sát vũ trang đứng gác bên ngoài và bên trong là một đội thợ làm việc để hoàn thiện cỗ máy. Người Đức không bao giờ phát hiện được địa điểm này.

Trong khi chiếc máy bay phản lực đầu tiên của Anh còn đang được thai nghén thì máy bay động cơ tua-bin phản lực đầu tiên của Đức đã được đem ra thử nghiệm vào ngày 27 tháng 8 năm 1939, một tuần trước khi chiến tranh nổ ra. Đó là chiếc Heinkel He 178 với động cơ được chế tạo dựa trên thiết kế của Hans von Ohain từ năm 1933, như đề cập ở trên. Tuy nhiên, Chính phủ Đức không mấy ấn tượng với chiếc máy bay này, chê nó chậm chạp và chỉ có thể giao tranh trong vài phút. Berlin cuối cùng cũng ngả theo ý kiến động cơ phản lực quá hao nhiên liệu (một lời khuyên dành cho Hitler từ nhà thiết kế máy bay vĩ đại người Đức Willy Messerschmitt). Và thế là dự án Heinkel, do tư nhân đầu tư và phát triển, tuy có thể coi là máy bay phản lực đầu tiên, vĩnh viễn thất bại.

Ở Anh, bức màn được vén lên vào đầu mùa xuân năm 1941, hé lộ một chiếc máy bay nhỏ nhắn, nhẵn bóng, tròn trịa tựa một máy bay đồ chơi, trên mũi là một lỗ hút gió đường kính 0,3 m – và không thấy cánh quạt nào hết! – cùng một ống phản lực ở đuôi, hai cánh, buồng lái cửa trượt, và hầu như không có gì khác. Bộ càng hạ cánh thấp và có thể thu lại được – máy bay không cần có khoảng cách lớn so với đường băng vì không có cánh quạt nào để va chạm vào mặt đường. Tóm lại, chiếc Gloster E28/39 – đơn hàng chính phủ số 28; năm sản xuất 1939 – là hiện thân của sự đơn giản, cả trong diện mạo, thiết kế và chi phí.

Máy bay được hoàn thiện trước động cơ vài tháng, khi ấy động cơ của Whittle vẫn còn vô số vấn đề đòi hỏi tinh chỉnh. Có lúc, toàn bộ động cơ được lắp vào cụm đuôi một máy bay ném bom Wellington cỡ lớn (tháp pháo được thay thế bằng đường ống dẫn khí) để kiểm tra khả năng vận hành ở độ cao lớn. Động cơ hoạt động tốt. Sau đó, nó được tháo khỏi máy bay ném bom và chở bằng xe tải tới một sân bay thử nghiệm của Gloster gần làng Cotswold, Brockworth, ngày nay nổi tiếng với cuộc thi đuổi phô mai tổ chức mỗi mùa hè, trong đó những người dân địa phương say xỉn cố đuổi theo một chiếc bánh phô mai khổng lồ lăn dọc sườn đồi. Ở đó, động cơ cuối cùng cũng được lắp vào máy bay của George Carter: đặt sau lưng phi công, ngăn cách bởi một bồn nhiên liệu.

Không như phô mai, chiếc máy bay chỉ được di chuyển trên mặt đất trong những lần thử nghiệm đầu tiên, chủ yếu để kiểm tra khả năng chạy trên đường băng khi cất và hạ cánh. Nhưng phi công lái thử nghiệm, Gerry Sayer, vì phấn khích với van tiết lưu quá mượt mà của máy bay và gia tốc cực lớn mà không bị rung của động cơ, đã cho máy bay nhảy cóc cả trăm mét trên đường băng. Ai nấy đều sửng sốt và một kỹ sư người Mỹ đứng trên cánh của máy bay ném bom Stirling suýt nữa đã ngã xuống đất vì ngạc nhiên khi thấy một máy bay không cánh quạt bay lên, dù chỉ trong vài giây. Người này tự nhủ mình đã nhìn nhầm. Gián điệp Đức có thể ở bất cứ nơi đâu.

Cuối cùng, chiếc máy bay (với cái tên bán chính thức là Pioneer, một cái tên tuy nghe trọng đại nhưng cuối cùng lại không được nhớ tới) được đưa đến sân bay ở Cranwell, nơi đào tạo cũ của Whittle. Nơi này bằng phẳng hơn (ít đồi để lăn phô-mai hơn), vắng người hơn, và do đó dễ giữ bí mật hơn.

Vì đây là nước Anh nên đương nhiên chướng ngại tiếp theo là thời tiết. Ngày được chọn, 15 tháng 5 năm 1941, là một ngày lạnh lẽo và âm u. Whittle rời đó để tới nhà máy lắp ráp động cơ, vì ông phải tập trung vào thế hệ động cơ thứ hai mà Không quân đã chọn để đưa vào các chiến cơ mới với cái tên tương lai là Gloster Meteor. Nhưng ông vẫn để ý thời tiết và khi bầu trời lộ ra những khoảnh xanh ngắt, ông biết buổi tối trời sẽ quang mây. ông lao về Cranwell như một cơn gió.

Ông đến vừa kịp lúc. Đúng như ông đoán, Gerry Sayer đã đưa máy bay lên đường băng dài phía đông-tây. Whittle, thở dốc, cùng các cộng sự ở Power Jets đi xe tới trung điểm đường băng, quan sát Sayer điều hướng chiếc máy bay nhỏ nhắn theo chiều những cơn gió lạnh buốt thổi về phía Tây.

Chuẩn bị cho tốc độ cao, Sayer đóng nắp buồng lái, điều chỉnh cho mũi hơi hướng xuống và thu cánh tà. Sau đó, anh đạp phanh và bắt đầu tăng tốc động cơ. Khi động cơ đã chạy ro ro, anh nhả pê-đan. Máy bay phóng về phía trước và bắt đầu tăng tốc về hướng mặt trời lặn. Lúc này là 7 giờ 40 phút tối. Trời bắt đầu chập choạng. Whittle quan sát, nắm chặt tay vì bồn chồn.

Sau khoảng gần 500 m tăng tốc đều, động cơ rền vang và lửa phụt ra từ ống phản lực sau, Sayer nhả cần. Chiếc máy bay, với đôi cánh hoạt động hệt như trong sách giáo khoa và động cơ liên tục sản ra 500 mã lực không chút nao núng, nhẹ nhõm cất cánh bay lên bầu trời buổi tối. Trong vài giây, chiếc Pioneer đã ở độ cao hơn 300m, và những người quan sát dưới mặt đất có thể nhìn thấy Sayer dùng bộ tích thủy lực để thu càng. Đột nhiên, chiếc máy bay, giờ đang tạo ra một vệt khói đen mờ, trông như một viên đạn bắn qua những làn mây.

Whittle và cộng sự chỉ còn nghe thấy tiếng gầm động cơ – một động cơ phản lực đầu tiên bay trên bầu trời nước Anh và cũng là động cơ đầu tiên được sự bảo trợ chính thức của chính phủ một quốc gia, một tổ hợp cơ khí chính xác gồm máy nén, tua-bin, hỗn hợp xăng và Định luật thứ ba của Newton. Những phút tiếp theo, những âm sắc và âm lượng của chiếc máy bay cho thấy Gerry Sayer đang rất thích thú với cỗ máy của mình, đang hoàn thành xuất sắc nhiệm vụ của một phi công lái thử nghiệm theo trường phái cũ, và đồng thời chính thức khởi động Thời đại Phản lực.

Sau khoảng 15 phút, Whittle và cộng sự nghe thấy âm thanh to dần từ hướng Đông, rồi họ thấy chiếc máy bay, lấp lánh trong nắng cuối chiều, chuẩn bị hạ cánh. Họ thấy nó hạ càng, hạ cánh tà và tấm điều chỉnh, giảm tốc, vào góc hạ cánh, và rồi chỉ cách mặt đường ướt nước không quá 3 m, di chuyển từ tốn đến mức như đang lơ lửng trên mặt đất. Lúc này, Sayer hạ công suất động cơ và chiếc máy bay bước vào những giây cuối cùng của chuyến bay thử nghiệm đầu tiên, nhẹ nhàng đáp xuống đường kẻ giữa, càng bánh xe nảy lên khi tiếp đất. Máy bay di chuyển tới chiếc ô tô đang chờ và dừng lại, tắt ga và chìm vào im lặng. Không có một âm thanh nào ngoại trừ tiếng ồn radio từ tháp điều khiển, tiếng lách tách của kim loại nguội đi trên thân máy bay – đó là một đêm lạnh lẽo và các bộ phận của động cơ vẫn còn rất nóng – và tiếng cỏ sân bay rì rào trong gió, cuối cùng là tiếng bước chân vội vã.

Họ lao tới chiếc máy bay. Frank Whittle, người mà 13 năm trước đã nảy ra ý tưởng về một kiểu động cơ mới và đã chiến đấu không ngừng để biến nó thành hiện thực, và George Carter, người đã thiết kế chiếc máy bay tí hon để mang cỗ động cơ ấy lên bầu trời cũng như vào sử sách, chạy băng qua đường băng, về phía Gerry Sayer và bắt tay anh để chúc mừng cũng như để bày tỏ sự nhẹ nhõm. Đó là mùa xuân năm 1941. Một kỷ nguyên mới đã mở ra.

Thế nhưng, không có đoàn làm phim nào của Bộ Thông tin đến quay lại, không có phóng viên nào viết bài, không ai từ BBC, không nhiếp ảnh gia trừ một thợ ảnh nghiệp dư với những tấm hình nhòe trong đó Whittle, cười tươi rói, với tay quay vành buồng lái, chúc mừng và cảm ơn viên phi công.

PHẢI ĐẾN KHI MỪNG NĂM MỚI 1944, tròn hai năm tám tháng sau đó, công chúng Anh mới được biết đến phát minh này, mới nhận thức được rằng một thời đại mới đã bắt đầu. “Máy bay đẩy phản lực,” tờ Times giật tít trên trang 4. “Phát minh thành công của người Anh”: “Sau nhiều năm thử nghiệm, nước Anh nay đã có một máy bay chiến đấu sử dụng một phương thức chuyển động mang tính cách mạng, sự hoàn thiện của động cơ này là một trong những bước nhảy vọt vĩ đại nhất trong lịch sử ngành hàng không. Hệ thống mới, gọi là đẩy phản lực, không cần đến động cơ truyền thống và cũng như cánh quạt.”

Tên của Frank Whittle được nêu ở đoạn thứ tư, cùng với thông tin chính phủ Mỹ đã biết đến thành công này chỉ vài tuần sau khi cuộc thử nghiệm kết thúc, vào tháng 7 năm 1941. Vậy mà công chúng Anh, người tài trợ cho dự án, mãi mới được biết. Người Mỹ cũng được nghe tin về cỗ động cơ cùng ngày với người Anh; ngày 6 tháng 1 năm 1944.

Frank Whittle, thoạt đầu nhận nhiều khen thưởng – Vua George VI ban cho ông tước hiệu hiệp sĩ – và thậm chí có phần được tôn sùng, lại không có quãng đời hạnh phúc sau chiến tranh mà ông đáng được hưởng. Power Jets bị công hữu hóa, kỹ sư trưởng của nó bị cho về hưu sớm. Ông dành phần đời còn lại để ngao du, giảng dạy, viết lách, và đặc biệt tự hào vì được bầu làm Thành viên Hiệp hội Hoàng gia. Ông giành được nhiều giải thưởng, giải lớn nhất có giá trị nửa triệu đô-la, và hào phóng chia nửa giải thưởng với Hans von Ohain, nhà phát minh người Đức với chiếc máy bay động cơ Heinkel – chiếc máy bay đầu tiên bay bằng động cơ phản lực. Whittle cổ vũ cho việc xây dựng một máy bay chở khách siêu thanh, và đã quấy rầy các quan chức từ rất lâu trước khi chiếc Concorde là ý tưởng trên bảng vẽ. Nhưng không ai lắng nghe và đến năm 1976, hôn nhân tan vỡ, ông quyết định di cư sang Mỹ, sống những năm cuối đời ở ngoại ô Washington, DC.

Thi thoảng ông cũng quay lại quê nhà. Ông về Anh để nhận Huân chương Vinh công từ Nữ hoàng Elizabeth năm 1986; để dự lễ kỷ niệm 50 năm của công ty cũ mà ông sáng lập năm 1987; và với con trai Ian Whittle làm phi công, ông tới London, sau đó bay chuyến bay thẳng Cathay Pacific 747 đến HongKong.

Một chi tiết nhỏ khiến chuyến bay này trở nên đáng nhớ. Khi ấy, Kai Tak là sân bay thương mại duy nhất ở HongKong, vẫn còn là thuộc địa của Anh và phần lớn các chuyến bay đến phải thay đổi khẩn cấp hướng bay vào phút cuối để được hạ cánh an toàn. Máy bay của Whittle nhận lệnh đi vào không phận HongKong từ hướng tây và, trong lúc giảm độ cao nhanh chóng, hướng thẳng về một bảng ca-rô trắng đỏ khổng lồ sơn trên vách đá ở một sườn núi. Khi máy bay chỉ còn cách đó chưa đầy 2 km, không đến 20 giây trước khi va vào vách núi, viên phi công phải quành gấp một góc 37,5 độ về bên phải, một thao tác nếu thực hiện thành công sẽ cho phép máy bay đi vào đường băng số 013 của Kai Tak.

Những người không được cảnh báo trước sẽ không khỏi hoảng hốt – và Frank Whittle, người đang yên vị sau con trai trong buồng lái và chuẩn bị hạ cánh như thường lệ, cũng cảm thấy bồn chồn khi máy bay dường như không thể tránh khỏi va chạm. Nhưng thao tác này vốn luôn được thực hiện hoàn hảo bởi các phi công có kinh nghiệm với sân bay kỳ lạ này (bao gồm con trai Whittle), và vài giây sau, máy bay hạ cánh chính xác như kế hoạch.

CHIẾC MÁY BAY hôm đó được trang bị bốn động cơ phản lực Rolls-Royce[∗], tất cả đều vận hành hoàn hảo để có thể thực hiện màn thao tác đầy kịch tính trên. Cũng chính một động cơ phản lực Rolls-Royce, nhưng là một phiên bản mạnh mẽ hơn nhiều, được chế tạo cho những máy bay lớn hơn nhiều, là nguyên nhân gây ra tai nạn trên bầu trời Indonesia gần một phần tư thế kỷ sau đó. Giám định chính thức, công bố tại Australia ba năm sau vụ tai nạn, làm rõ phần nào những thách thức kỹ thuật gai góc trong việc sản xuất một động cơ phản lực công suất cao, vận hành tốt.

Động cơ phản lực hiện đại, nếu soi xét kỹ, là một hệ thống vô cùng phức tạp, nhưng nếu nhìn từ bên ngoài, ta dễ tưởng nó là một thứ đơn giản, với nắp ngoài trơn láng; với các cánh quạt mượt mà và âm thanh trầm vang ngay cả khi hoạt động ở công suất tối đa. Nhưng nếu tháo vỏ ra, chúng ta sẽ thấy bên trong nó là một mê hồn trận những cánh quạt rô-tơ, đường, đĩa, ống và cảm biến, cùng một búi dây nhợ, rối rắm đến mức khó có thể tưởng tượng chúng có thể hoạt động hài hòa mà không va chạm hay cắt đứt các bộ phận khác bên cạnh trong không gian chật hẹp ấy. Thế nhưng động cơ vẫn hoạt động, mọi bộ phận của nó vẫn thực hiện đúng chức năng như thiết kế, trong những môi trường khắc nghiệt nhất. Và không ở đâu khắc nghiệt bằng môi trường cao áp trong tua-bin, bộ phận lớn nhất, trơn láng nhất và trong mắt người không chuyên có vẻ “hiền lành” nhất, vì họ không thấy cấu phần nào trong đó chuyển động (ví dụ như cánh quạt) hay phát ra tiếng ồn (ví dụ như khí thải phụt ra).

Một động cơ phản lực hiện đại có hàng loạt cánh quạt kích cỡ khác nhau, xoay theo nhiều hướng, thực hiện hàng loạt chức năng để đưa chiếc máy bay nặng hàng trăm tấn lên bầu trời. Nhưng các cánh quạt của tua-bin áp suất cao mới thực sự là kỳ quan của công nghệ – bởi chúng không những quay với tốc độ đáng kinh ngạc, và nếu quay ở tốc độ cao nhất, mỗi cánh sẽ sản sinh ra công suất ngang tầm công suất của một chiếc xe đua Công thức Một, mà còn phải hoạt động trong một luồng khí có nhiệt độ cao hơn nhiều so với nhiệt độ nóng chảy của chính kim loại làm nên chúng. Vậy thì vì đâu mà các cánh quạt không nóng chảy? Vì đâu chúng không long ra và phá hủy động cơ, giết chết hành khách? Thật kỳ lạ: một thứ làm bằng kim loại cứng thông thường có thể tiếp tục hoạt động ở nhiệt độ mà đáng lẽ theo các quy luật vật lý cơ bản thì đã phải bị tan chảy và biến thành chất lỏng rồi. Đây chính là bài toán then chốt trong hoạt động của một động cơ phản lực hiện đại.

Bài toán được giải quyết về cơ bản như sau: các cánh quạt có thể được làm mát nếu được bổ sung một công đoạn gia công cơ khí đặc biệt chính xác, cho phép chúng duy trì chức năng nhiều giờ khi máy bay đang ở trên bầu trời và động cơ hoạt động hết công suất. Công đoạn này bao gồm việc khoan hàng trăm lỗ tí hon ở mỗi cánh và tạo bên trong mỗi cánh một mạng lưới hàng trăm đường hầm tản nhiệt tí hon, với kích cỡ và dung sai mà một vài năm trước đó còn nằm ngoài sức tưởng tượng.

Cánh quạt của tua-bin

Năm cánh quạt tua-bin áp suất cao nối với nhau trong một động cơ phản lực, được làm từ hợp kim titan đơn tinh thể, với các lỗ tí hon cho phép lưu thông không khí làm mát, ngăn chúng bị nung chảy trong điều kiện nhiệt độ chết chóc (bản quyền hình ảnh thuộc Michael Patzold/ Creative Commons BY-SA-3.0 de)

Cú hích cho toàn bộ công đoạn ở trên dĩ nhiên đến từ thương mại – dù các nhà sản xuất động cơ phản lực làm việc bí mật cho “phe hắc ám”, cung cấp công nghệ cho máy bay ném bom, máy bay chiến đấu tàng hình và những thứ tương tự, cũng có những đóng góp nhất định – nhưng họ không thể tiết lộ. Các cánh quạt tua-bin bắt đầu được cải tiến hiệu suất từ thập niên 1950, ngay sau khi các máy bay động cơ pít-tông bắt đầu biến mất khỏi bầu trời và ngay sau khi động cơ phản lực, vốn được chế tạo cho mục đích quân sự, bắt đầu được tái thiết kế phục vụ hiệu quả kinh tế khi sử dụng để vận chuyển hành khách và hàng hóa đường dài ở vận tốc lớn. Các máy bay như Viscount, Comet, Tupolev Tu–104, Convair 880, Caravelle, Douglas DC–8, và từ năm 1958, chiếc máy bay thân hẹp phản lực nổi tiếng nhất, Boeing 707, bắt đầu tràn ngập bầu trời. Động cơ trang bị cho chúng (De Havilland Ghost; JT3C và JT3D của Pratt and Whitney; Avon, Spey và Conway của Rolls-Royce; và 200 chiếc Tupolev Tu–104s của Liên Xô, động cơ Mikulin AM-3 ít được biết tới) là những cỗ máy tân tiến nhất thời đó đạt đến đỉnh cao của nghệ thuật chính xác.

So với các tiêu chuẩn ngày nay thì chúng còn tương đối sơ khởi, ồn ào, hao phí nhiên liệu, công suất thấp và hiệu suất kém. Nhưng mọi thứ lại một lần nữa thay đổi vào thập niên 1970, khi ngày càng nhiều máy bay phải bay với vận tốc lớn hơn trên quãng đường dài hơn. Các máy bay phản lực thân rộng, ra đời để phục vụ số lượng hành khách ngày càng lớn và để đảm bảo những đòi hỏi ngày càng cao về hiệu quả kinh tế, cần một lực đẩy đủ lớn. Và để tạo ra lực đẩy đó với tiếng ồn hạn chế và hiệu suất sử dụng nhiên liệu cao, thỏa mãn các yêu cầu bảo vệ môi trường nảy sinh từ nửa cuối thế kỷ XX, động cơ phản lực phải đặc biệt lớn và mạnh mẽ. Chúng phải nén khí vào (với lưu lượng lên đến một tấn mỗi giây) tới một áp suất cao ngoài sức tưởng tượng, và buồng đốt của chúng là một lò bát quái tra tấn tất cả các phần tử của tất các cấu phần kim loại hoạt động bên trong.

Đây là thời điểm Nhóm Nghiên cứu Làm mát Cánh quạt của Rolls-Royce, được thành lập đầu những năm 1970, đi vào câu chuyện. Sứ mệnh của nhóm rất đơn giản: tìm cách ngăn các cánh quạt tua-bin áp suất cao bị nung chảy, cho phép động cơ phản lực sản ra công suất đủ lớn. Bởi nguyên tắc hoạt động của tua-bin rất đơn giản: động cơ càng nóng thì áp suất càng lớn và tốc độ phản lực càng cao. Nói cách khác, càng nóng thì càng nhanh.

Đồng thời, nhiệt độ càng cao thì thử thách đối với cánh quạt tua-bin càng lớn. Dễ tưởng nhiệm vụ chính của cánh quạt tua-bin là chạy khối nén khí nhưng không phải. Đó chỉ là nhiệm vụ thứ cấp. Nhiệm vụ trên hết là phải sống sót.

Nhưng với động cơ của Whittle, với các động cơ phản lực quân sự sản xuất ngay sau khi phát minh của ông đạt được thành công (cũng như với các động cơ phản lực tua-bin sử dụng cho mục đích dân sự như Vickers Viscount và các động cơ phản lực thuần túy trong chiếc Comet, máy bay phản lực dân sự đầu tiên trên thế giới), sự sống còn của cánh quạt tua-bin không phải là vấn đề chủ chốt.

Tất nhiên, cánh quạt tua-bin vẫn là những bộ phận thiết yếu. Trong những nguyên mẫu đầu tiên của động cơ Whittle, cánh quạt tua-bin được làm bằng thép và có nhiều hạn chế, do độ liền khối kết cấu của thép bị mất đi ở nhiệt độ khoảng 500 độ C. Nhưng không lâu sau, nhiều hợp kim ưu việt hơn đã được chế tạo và giúp giải quyết phần lớn vấn đề gặp phải trong các cánh quạt tua-bin đời đầu. Hình dạng của chúng được thiết kế để chống chịu và lấy năng lượng từ các luồng khí xoáy dữ dội. Chúng được gắn cố định vào đĩa để có thể xoay hàng trăm vòng mỗi phút mà không long ra. Hình dạng cho phép chúng truyền dẫn năng lượng từ các phản ứng hóa học giữa không khí nén và nhiên liệu (xăng trong các thí nghiệm đầu tiên của Whittle, sau đó là kerosene) với hiệu suất đáng kinh ngạc. Tuy nhiên, không có rủi ro các cánh quạt bị nung chảy. Lý do là chúng được làm từ một hợp kim kền-crôm gọi là Nimonic và hợp kim này nóng chảy ở 1.400 độ C, trong khi nhiệt độ trong động cơ chỉ ở mức 1.000 độ C. Nói cách khác, có một biên an toàn lớn giữa nhiệt độ của khí cháy và nhiệt độ nóng chảy của cánh quạt. Tuy nhiên tình hình thay đổi vào những năm 1960–1970: biên an toàn này thu hẹp dần và biến mất.

Lý do là giờ đây hỗn hợp khí ở các động cơ mới phải được làm nóng tới nhiệt độ khoảng 1.600 độ C, và khi đó không có hợp kim nào được sử dụng có nhiệt độ nóng chảy cao hơn 1.455 độ C cả. Ngay cả ở các nhiệt độ thấp hơn mức này, cánh quạt vẫn có xu hướng bị mềm ra, giãn nở và biến dạng. Trong thực tế, nhiệt độ môi trường hoạt động trên 1.3000 độ C đã được các nhà nghiên cứu đánh giá là quá mạo hiểm – trừ khi ai đó tìm ra cách làm mát cánh quạt.

“Ai đó” chính là một nhóm khoảng 12 kỹ sư Rolls-Royce. Họ phát hiện ra rằng, nếu được gia công cực kỳ chính xác và được sự trợ giúp từ các máy tính đặc biệt mạnh mẽ, họ có thể tạo ra một màng không khí cực mỏng bao bọc các cánh quạt và bảo vệ chúng khỏi nhiệt độ ác mộng bên ngoài. Màng không khí này không được dày quá 1 mm nhưng phải duy trì ổn định bất chấp chuyển động của cánh quạt.

Nhưng làm thế nào để tạo ra màng khí mát này bên trong một động cơ phản lực? Đáp án hóa ra nằm ngay trước mắt. Sau nhiều tìm tòi và thử nghiệm, họ kết luận có thể lấy trực tiếp không khí mát từ lượng không khí khổng lồ bị cánh quạt động cơ hút. Phần lớn lượng khí này không được sử dụng trong động cơ (bởi các lý do nằm ngoài phạm vi của chương này), nhưng một thể tích đáng kể được cho qua một hệ thống phức tạp như mê cung, bao gồm các cánh quạt tĩnh hoặc quay, nằm ở phía trước và sau của động cơ phản lực, với khả năng nén khí lên đến 50 lần. Một tấn khí hút vào mỗi giây, ở điều kiện bình thường sẽ choán đầy một sân quần vợt, bị nén lại trong một thể tích tương đương với một va li cỡ lớn. Sau quá trình nén, khối khí trở nên đặc biệt đậm đặc, nóng bỏng và sẵn sàng cho các công đoạn đầy kịch tính tiếp theo.

Hầu hết khí nén sẽ được đưa thẳng vào buồng đốt, trộn với kerosene, cho bắt cháy bằng một loạt tia lửa điện, và nổ thẳng vào các cánh quạt tua-bin. Các cánh quạt này (hơn 90 cánh trong động cơ phản lực hiện đại, gắn vào vành ngoài của một đĩa quay tốc độ cao) là trạm trung chuyển đầu tiên trước khi khối khí xả (sau nổ) di chuyển qua các bộ phận còn lại của tua-bin, gia nhập cùng phần khí không được sử dụng trong tua-bin, và phụt ra từ đuôi của động cơ, tạo phản lực đẩy máy bay về trước.

“Hầu hết” là từ khóa ở đây. Các kỹ sư Rolls-Royce nhận thấy lượng khí mát này có thể được tách ra trước khi đi vào buồng đốt, đưa vào các ống trong đĩa gắn cánh quạt, từ đó thổi qua một mạng lưới đường hầm được cắt ở trong lòng cánh quạt. Bằng cách đó, cánh quạt tua-bin được bơm đầy khí mát – mát tương đối; vì không khí khi bị nén sẽ tăng nhiệt độ lên khoảng 650 độ C, nhưng nhiệt độ này vẫn thấp hơn nhiệt độ khí xả từ buồng đốt khoảng 1.000 độ. Hàng chục lỗ siêu vi được khoan chính xác trên bề mặt cánh quạt theo chỉ dẫn của máy tính, thông xuống các đường hầm chứa đầy khí bên trong, cho phép không khí mát thoát ra ngoài bề mặt của cánh quạt.

Nếu tính toán chính xác – và đây là khi sức mạnh của máy tính, bắt đầu xuất hiện từ cuối thập niên 1960, được tận dụng triệt để – nếu loạt lỗ tí hon này được khoan chính xác trên cạnh dẫn, trên thân, và trên cạnh thoát của cánh quạt, thì chúng ta sẽ có một màng khí mỏng tang nhưng tương đối ổn định, bao phủ cánh quạt như một lớp vỏ cách nhiệt. Đây chính là thứ cho phép cánh quạt đương đầu với luồng khí nóng bỏng liên tục ập tới từ những cú nổ trong buồng đốt[∗].

Một người nếu được chiêm ngưỡng một cánh quạt tua-bin động cơ phản lực Rolls-Royce và quá trình sản xuất nó, sẽ không khỏi cảm thấy đây là một tạo tác kỹ thuật thi vị nhất, thăng hoa nhất, tương tự như những chiếc xe hơi Rolls-Royce đời đầu – chiếc Silver Ghost của 80 năm trước và những động cơ máy bay hàng đầu của thời hiện đại có nhiều phẩm chất chung. Mỗi cánh quạt hợp kim kền Rolls-Royce (nặng chưa tới nửa ký, gần như rỗng ruột nhưng hết sức cứng cáp, vừa vặn trong lòng bàn tay và cũng tình cờ đang được sản xuất thủ công) được đúc trong một nhà máy tối mật gần Rotherham, miền bắc nước Anh. Bí mật kinh doanh nhạy cảm nhất, ngoài cấu tạo phức tạp của hàng trăm lỗ khoan trên cánh quạt, chính là vật liệu tạo ra nó: một hợp kim kền cấu tạo từ một tinh thể duy nhất, do đó có khả năng chịu lực đặc biệt tốt – một đặc tính tối quan trọng vì trong khi quay, các cánh quạt chịu lực ly tâm tương đương trọng lượng của một xe buýt hai tầng ở London, tầm 18 tấn.

Một điều kỳ khôi là một cánh quạt như thế đòi hỏi những kỹ thuật chính xác nhất và những máy tính mạnh mẽ nhất nhưng đồng thời quá trình sản xuất nó cũng sử dụng các phương thức cổ xưa nhất: đúc sáp chảy. Phương pháp này đã được sử dụng ở Hy Lạp Cổ đại, nơi sự chính xác là một khái niệm xa lạ[∗]. Trong trường hợp này, phương pháp đúc sáp chảy được dùng để tạo ra các đường hầm làm mát trong lòng cánh quạt và cũng như ở thời cổ đại, sáp được nung chảy và đổ đi ngay trước khi hợp kim nóng chảy được đổ vào khuôn sứ và tạo ra mạng lưới đường hầm chằng chịt để làm mát cánh quạt.

Cấu trúc đơn tinh thể của cánh quạt được tạo ra ở thời điểm này trong quá trình sản xuất kéo dài và phức tạp, là bí mật được bảo vệ nghiêm ngặt nhất công ty. Về cơ bản, kim loại nấu chảy (hợp kim của kền, nhôm, crôm, tantali, titan và năm nguyên tố đất hiếm khác mà Rolls-Royce từ chối tiết lộ) được đổ vào khuôn, ở đáy khuôn có một đường ống nhỏ, xoắn ba lần, na ná đuôi của Empress of Blandings, cô heo nái yêu quý của Lord Emsworth trong các câu chuyện của P.G. Wodehouse. Cái “đuôi heo” này được gắn với một đĩa làm mát bằng nước, và toàn bộ tổ hợp này, sau khi được đổ đầy kim loại lỏng, sẽ từ từ được đưa ra khỏi lò nung và cho phép kim loại đông đặc từ từ.

Quá trình đông đặc bắt đầu ở phần chóp của đuôi heo, nhưng vì đường ống xoắn nên chỉ có tinh thể hình thành nhanh nhất và có cấu trúc lập phương tâm diện trong phân bố phân tử, mới có thể đi qua (bởi các lý do phức tạp mà chỉ những người quen thuộc với những bí ẩn của ngành luyện kim mới hiểu). Và như có phép màu, toàn bộ cánh quạt hình thành từ một tinh thể duy nhất phát triển từ chóp đuôi heo, với các phân tử phân bố tuyệt đối đều đặn. Và cấu tạo đơn tinh thể khiến khả năng chịu lực của nó tăng lên đáng kể, một điều cần thiết để nó có thể đương đầu với các lực ly tâm khổng lồ trong cả vòng đời của mình.

Sau khi cánh quạt đơn tinh thể thành hình, công việc còn lại chỉ là rửa trôi các chất tồn dư và sử dụng kỹ thuật gia công tia lửa điện để khoan hàng trăm lỗ nhỏ thông xuống các đường hầm làm mát. Gia công tia lửa điện, thường gọi tắt là EDM (Electrical discharge machining) sử dụng một dây cắt và một tia lửa điện tí hon, dưới sự chỉ dẫn bởi máy tính và sự giám sát của con người qua kính hiển vi. Quá trình này không tạo ra tiếng động, và về bản chất là một quá trình nung chảy chứ không phải khoan.

Đến điểm này, câu chuyện có một diễn biến mới, một diễn biến quan trọng nhưng thường xuyên bị quên lãng.

Việc chế tạo cánh quạt tua-bin áp suất cao đòi hỏi hàng loạt nhân công, cả nam giới và nữ giới, với nhiều năm kinh nghiệm, đôi tay đặc biệt khéo léo, cũng như khả năng tập trung cao độ. Những người này đã mất nhiều năm để học cách sử dụng thành thạo máy khoan lỗ tản nhiệt, một thiết bị phức tạp và đặc thù – và động cơ càng tân tiến thì cánh quạt càng cần nhiều lỗ tản nhiệt: động cơ Trent XWB có 600 lỗ một cánh với cấu tạo hình học phức tạp để đảm bảo nó vẫn cứng, rắn và có khả năng làm mát tối đa.

Một động cơ phản lực Rolls-Royce Trent hiện đại, máy bay hai tầng thân rộng superjumbo Airbus A380 sử dụng bốn động cơ như vậy. Tuy cấu tạo vô cùng phức tạp, động cơ phản lực hiện đại chỉ có duy nhất một bộ phận chuyển động, một rô-tơ kéo dài từ đầu đến cuối động cơ, từ quạt đến ống xả

Nhưng tính mạng của hành khách và phi hành đoàn phụ thuộc vào việc động cơ không tự hủy trong chuyến bay. Sự hiếm hoi của các tai nạn hàng không do động cơ gây ra phần lớn đến từ chất lượng của những cánh quạt được chế tạo bởi bàn tay con người. Với vai trò vô cùng quan trọng của các cánh quạt, chúng ta cần lưu ý sự toàn vẹn của chúng phụ thuộc chủ yếu vào kết cấu hình học của các lỗ tản nhiệt và các lỗ này được nhân công lành nghề đo đạc, tính toán và kiểm tra. Mọi sai sót trong quá trình sản xuất đều không được phép xảy ra vì một sự cố nhỏ của động cơ phản lực cũng có thể dẫn đến tai họa lớn.

Chính điều này, rằng tính mạng con người phụ thuộc vào sự hoàn hảo của cánh quạt, đã đưa ngành công nghiệp động cơ máy bay tới một bước ngoặt – nằm ngoài sự hình dung của những bộ óc tiên phong trong công nghệ chính xác như John Wilkinson, Joseph Bramah, Henry Maudslay, Joseph Whitworth và cả Henry Royce. Công nghệ chính xác, ít nhất ở lĩnh vực hiện bàn, đã đạt một trình độ mà bàn tay con người không thể đáp ứng.

Trước thời điểm này, hoạt động sản xuất – dù là xi lanh, khóa, súng, hay ô tô; dù là khoan, cán, mài, hay giũa; dù là điều khiển máy tiện, vặn đinh vít, đo độ tròn và độ phẳng – luôn có sự tham gia của con người. Nhưng giờ đây, bắt đầu từ ngành động cơ máy bay, sau đó là nhiều ngành khác, khi dung sai thu hẹp và các tiêu chuẩn được nâng cao đến mức những bàn tay thành thạo nhất, khéo léo nhất cũng không thể với tới, là lúc tự động hóa thay thế con người. Nhà máy Đúc Cánh quạt Tiên tiến có thể thực hiện mọi công đoạn (từ bơm sáp đến làm nguội hợp kim đến khoan lỗ) mà không cần quá năm nhân công tay nghề cao. Nó có thể cho ra hàng trăm ngàn cánh quạt một năm mà không tạo ra khiếm khuyết nào.

Trong quá khứ, hệ quả nghiêm trọng nhất của công nghệ chính xác là hàng loạt công nhân bị mất việc và cảm thấy phẫn nộ. Ngày nay, mối lo lớn hơn là chính trong các ngành công nghiệp có tác động lớn tới tính mạng con người, sự giám sát của con người ngày càng trở nên hiếm hoi.

“Nhân lực của chúng tôi về kỹ năng thì phải nói là tuyệt vời,” một quản lý sản xuất ở một nhà máy mới thành lập cho biết, “nhưng họ vẫn là con người, và không có con người nào có thể giữ nguyên chất lượng công việc từ đầu ca tới cuối ca.” Công nghệ chính xác, đặc biệt trong ngành này, dường như đã đạt một điểm tới hạn: sự hiện diện của con người từ một yếu tố cần thiết đã trở thành một chướng ngại – như tai nạn của máy bay Qantas Airways cho thấy.

NGAY SAU KHI TAI NẠN XẢY RA, Qantas đã cho ngưng hoạt động toàn bộ sáu chiếc Airbus A380 trong phi đội của mình, và dọa kiện Rolls-Royce vì các tổn thất thương mại mà tai nạn gây ra. Tuy nhiên, việc điều tra tai nạn máy bay không có chỗ cho sự phẫn nộ, và Cục An toàn Giao thông của chính phủ Australia là cơ quan chỉ đạo cuộc điều tra làm rõ trách nhiệm các bên. Báo cáo chính thức, công bố gần ba năm sau tai nạn, vào tháng 6 năm 2013, trở thành một bản cáo trạng đanh thép đối với một ngành công nghiệp đã coi nhẹ yêu cầu chính xác tuyệt đối ở mọi bộ phận, mọi công đoạn sản xuất của một động cơ phản lực hiện đại.

Trong trường hợp của Qantas, số mệnh của máy bay và toàn bộ con người trên đó, cũng như uy tín của hãng hàng không và hãng sản xuất động cơ, bị đe dọa bởi một đường ống kim loại tí hon, dài không quá 5 cm và có đường kính không quá 0,75 cm. Ai đó ở một nhà máy miền trung nước Anh đã khoan một lỗ tí hon vào đường ống tí hon này, nhưng mũi khoan không hoàn toàn chính xác.

Biểu đồ ống dẫn dầu gặp sự cố của chuyến bay Qantas 32

Sự cố ống dẫn dầu là do hiện tượng phá hủy độ mỏi kim loại gây ra. Nguyên nhân là công tác gia công thiếu chính xác khiến độ dày của đường ống không đồng đều. Các rạn nứt bắt đầu xuất hiện trên bề mặt kim loại khi máy bay cất cánh ở Los Angeles và trở nên trầm trọng hơn sau khi máy bay cất cánh ở London. Một phút sau khi cất cánh ở Singapore, đường ống bị vỡ và dầu nóng tràn vào rô-tơ đang quay nhanh (bản quyền hình ảnh thuộc Cục An toàn Giao thông Úc)

Tên gọi của bộ phận hiện bàn là ống dẫn dầu mặt bích, và tuy động cơ có vô số ống thép chạy bên trong, đường ống này, một ống nối ở cuối một đường ống dài hơn và hẹp hơn, được đặt trong một buồng khí nhiệt độ cao giữa hai đĩa tua-bin cao áp và trung áp. Chức năng của nó là dẫn dầu tới ổ bi trên rô-tơ gắn các đĩa trên. Một màng lọc được gắn vào bên trong ống và mặt bích của ống phải được khoét để lắp vừa vành kim loại của màng lọc.

Đường ống và các chi tiết lắp ráp xung quanh nó được sản xuất tại một nhà máy Rolls-Royce, Hucknall Casings and Structures, vào mùa xuân năm 2009. Thông thường, việc gia công ống để lắp màng lọc theo tiêu chuẩn định sẵn không phải là một việc khó khăn. Nhưng riêng với bộ phận phức tạp đặc thù này, toàn bộ mặt bích ngăn cách vùng áp suất cao và áp suất trung gian của động cơ lại được hoàn thành trước và chỉ sau khi đường ống được lắp vào, việc khoan lòng mới được thực hiện. Phương án này hóa ra rất khó thực hiện vì tầm nhìn của người kỹ sư vào đường ống bị chắn bởi các chi tiết và mối hàn khác.

Các kỹ sư đã cố gắng hết sức nhưng cuối cùng vẫn có một đường ống bị gia công sai lệch và nó được dùng cho tua-bin của động cơ cánh trái của Qantas A380. Mũi khoan không được căn chính xác, kết quả là một phần của đường ống mỏng hơn phần còn lại 0,5mm.

Giả thuyết được đưa ra là trong quá trình sản xuất, tổ hợp mặt bích vì lý do nào đó đã dịch chuyển một cự ly cực nhỏ trong khi khoan, khiến mũi khoan di chuyển vào gần một thành ống và khiến thành ống ở đó mỏng dưới mức an toàn. Nguy hiểm hơn nữa là phòng kiểm soát chất lượng ở Hucknall Casings, với các máy móc điều khiển bằng máy tính có chức năng kiểm tra sự tuân thủ các cấu phần chủ chốt của máy bay, đã không phát hiện ra khiếm khuyết này. Đáng lẽ các dấu hiệu cảnh báo phải được phát hiện và chi tiết khiếm khuyết phải được loại bỏ – một cánh quạt tua-bin áp suất cao, được coi là bộ phận chủ chốt của động cơ, sẽ bị loại bỏ và phá hủy nếu có một khiếm khuyết nhỏ hơn khiếm khuyết của đường ống.

Nhưng vì những lý do thuộc về thứ được gọi một cách trừu tượng là “văn hóa” của nhà máy, một phần trong hệ thống sản xuất khổng lồ của Rolls-Royce, đường ống lỗi vượt qua mọi khâu kiểm tra. Một cấu phần khiếm khuyết đã đi qua chuỗi cung ứng, đi vào một động cơ, chờ ngày hỏng hóc và hủy hoại toàn bộ động cơ. Thay vì bị đánh trượt trong quá trình kiểm tra, nó bị đánh trượt trong thực tế.

Hiện tượng xảy ra được gọi là mỏi kim loại. Máy bay đã trải qua 8.500 giờ trên không trung, thực hiện 1.800 chu trình cất và hạ cánh. Cất và hạ cánh đặc biệt gây căng thẳng cho các bộ phận cơ khí của máy bay: càng hạ cánh, cánh tà, phanh, và các cấu phần bên trong động cơ. Mỗi khi máy bay cất cánh hoặc hạ cánh theo độ dốc lớn, căng thẳng tạo ra ở những bộ phận trên thậm chí còn lớn hơn căng thẳng tạo ra từ nhiệt độ và áp suất bên trong động cơ.

Theo suy đoán, khiếm khuyết trong thành ống mỏng dẫn đến rạn mỏi. Theo các nhà phân tích, vết rạn xuất hiện khi máy bay cất cánh hai ngày trước đó từ một đường băng ngắn ở Los Angeles. Vết rạn kéo dài và lan rộng hơn khi máy bay hạ cánh ở London; lớn hơn nữa khi nó cất cánh tới Singapore từ Sân bay Heathrow rồi hạ cánh ở Sân bay Changi, vài giờ trước khi khởi hành tới Sydney.

90 giây sau khi cất cánh, khi máy bay lao lên trên và động cơ chạy ở 86% công suất tối đa, sản ra lực đẩy khoảng 30 tấn, vết rạn mở ra hoàn toàn và đường ống bị đứt gẫy. Một luồng dầu nóng phun vào khoảng không giữa tua-bin cao áp và trung áp, nơi có nhiệt độ khoảng 400 độ C. Dầu tự bắt cháy ở nhiệt độ 286 độ C. Do đó, luồng hơi dầu trở thành một luồng lửa bắn phá đĩa tua-bin.

Sau vài giây bị nung nóng, chiếc đĩa giãn nở, biến dạng, lung lay và nứt vỡ. Các mảnh vụn của nó văng ra ở tốc độ hàng trăm cây số một giờ, xuyên qua vỏ động cơ, xuyên thủng hai chỗ trên cánh trái của máy bay và một chỗ ở vỏ dưới của thân máy bay. Lửa bùng lên trong cánh trái nhưng may là không lan rộng; hư hại ở các thiết bị thủy lực và thiết bị điện gây ra bởi các mảnh vụn dẫn đến hàng loạt sự cố hệ thống. Cuối cùng, chiếc máy bay cũng hạ cánh an toàn, chủ yếu nhờ nỗ lực của phi hành đoàn – báo cáo chính phủ Úc nêu.

Báo cáo cũng đề cập đến các thất bại của Rolls-Royce: thất bại trong việc gia công chính xác bộ phận của động cơ, trong việc lưu trữ đầy đủ thông tin, trong hoạt động kiểm soát chất lượng, và trong việc loại trừ các chi tiết sai lệch và cho phép chúng đi vào thành phẩm với hậu quả tai hại. Qantas không phải là trường hợp duy nhất: hoạt động điều tra tiến hành khẩn cấp sau tai nạn sớm phát hiện hàng chục đường ống dẫn dầu khác từ Hucknall với độ dày thành không đồng đều ở mức 0,5 mm đang được sử dụng. Vậy là ít nhất 40 động cơ trong các máy bay của Singapore Airlines, Lufthansa và 5 chiếc A380 còn lại của Qantas, đều phải được thu hồi và sửa chữa.

Một sai lầm đắt giá của Rolls-Royce: ngoài các xử lý nội bộ, thay đổi nhân sự, cải tổ quy trình, chi phí sửa chữa lớn và cơn ác mộng trong quan hệ công chúng, hãng còn phải bồi thường cho Qantas 80 triệu đô-la. Báo cáo tài chính của Rolls-Royce trong năm sau vụ tai nạn cho thấy công ty bị âm lợi nhuận 70 triệu đô-la. Rolls-Royce quả quyết những lỗi lầm như vậy sẽ không lặp lại và tất cả các biện pháp phòng ngừa đã được thực hiện ở Hucknall cũng như các nhà máy khác.

ẨN TRONG BÁO CÁO của chính phủ Australia là một đoạn liên quan trực tiếp tới thách thức mà sự phát triển của công nghệ chính xác đang đặt ra. Cũng như các đoạn khác trong 284 trang báo cáo, đoạn này sử dụng nhiều thuật ngữ chuyên ngành khó hiểu. Song thông điệp chung vẫn rất rõ ràng:

Các tổ chức hàng không vũ trụ lớn là các hệ thống công nghệ-xã hội phức tạp, được cấu thành từ những nhân sự có tổ chức, sản xuất ra các tạo vật mang tính kỹ thuật cao cho các hệ thống phức tạp, chẳng hạn như máy bay hiện đại. Do bản chất vốn có của các hệ thống công nghệ-xã hội phức tạp này, xu hướng tự nhiên của chúng là thoái hóa nếu không được giám sát liên tục. Sự thoái hóa tự nhiên có thể xảy ra do áp lực từ các lực lượng kinh tế toàn cầu, hoặc từ yêu cầu tăng trưởng quy mô, lợi nhuận, thị phần...

“Các tạo tác mang tính kỹ thuật cao cho các hệ thống phức tạp” là cách gọi rối rắm của cơ quan nhà nước để chỉ máy móc siêu chính xác, ví dụ như động cơ phản lực Trent 900-series. Có lẽ tai nạn này cho thấy một số máy móc nhất định của thời hiện đại đòi hỏi một mức độ chính xác và phức tạp mà bàn tay con người không thể đảm bảo. Nếu vậy, một câu hỏi được đặt ra: phải chăng chúng ta đã tiệm cận giới hạn trên của khả năng kiểm soát các tạo tác chính xác mà chúng ta nghĩ mình phải có?

Hoặc có lẽ bản thân công nghệ chính xác đang tiệm cận giới hạn của nó, khi các kích thước không còn tạo ra hay đo lường được nữa – không phải vì năng lực con người hạn chế mà vì ở quy mô càng hiển vi, thuộc tính của vật chất càng trở nên nhập nhằng. Nhà vật lý lý thuyết người Đức Werner Heisenberg, người có đóng góp lớn vào sự ra đời của cơ học lượng tử những năm 1920, đã có những khám phá và tính toán chứng thực điều này: ở cấp độ nhỏ nhất của các hạt, ở dung sai nhỏ nhất, những quy tắc đo đạc chính xác thông thường đã mất đi hiệu lực; ở cấp độ gần và hạ nguyên tử, thể rắn chỉ còn là một ảo ảnh, vật chất chẳng qua là một chùm sóng hoặc hạt không thể đo lường chính xác và cũng chỉ được hiểu một cách mơ hồ bởi những bộ óc vĩ đại nhất[∗].

Hoạt động sản xuất động cơ phản lực, ngay cả ở những chi tiết vi tế nhất, còn xa mới chạm tới quy mô nguyên tử và còn xa mới đến gần các giới hạn làm bối rối các nhà khoa học lượng tử. Nhưng chúng ta cũng bắt đầu nhận ra các giới hạn của chính mình và có lẽ cũng là các giới hạn của công cuộc truy tìm sự hoàn hảo. Một “chân trời sự kiện” có lẽ đang tiến vào tầm mắt của chúng ta và trường hợp của ngành sản xuất động cơ phản lực, một ngành đòi hỏi mức độ chính xác cực kỳ thách thức, chính là tấm biển cảnh báo rằng có lẽ câu chuyện đang dần đi vào hồi kết.

Điềm báo hồi kết có lẽ là đáng tin – đối với việc chế tạo máy móc thiết bị sử dụng trên bình diện đời sống hằng ngày. Nhưng nếu đi xa hơn nữa, nếu chúng ta đi vào những thế giới khác, có lẽ năng lực của con người còn tiếp tục được mở rộng và giới hạn về chính xác còn tiếp tục bị đẩy lùi.

Ở ngoài không gian chẳng hạn.