Ngành hàng không - vũ trụ và cách mạng công nghiệp 4.0 (Aerospace and The 4-th Industrial Revolution)

Thứ hai - 26/11/2018 23:47
Với các sản phẩm chính: máy bay, tên lửa, vệ tinh, các thiết bị quan sát, thiết bị công nghệ viễn thám…ngành hàng không - vũ trụ là một ngành trong những ngành chủ yếu có nhu cầu lớn và đang ứng dụng ngày càng rộng rãi công nghệ 4.0 (CN 4.0). Báo cáo phân tích nhu cầu và hiện trạng ứng dụng CN 4.0 trong cả vòng đời của sản phẩm hàng không – vũ trụ, có minh hoạ bằng một vài ứng dụng cụ thể nổi bật của CN 4.0 trong ngành hàng không - vũ trụ đồng thời nêu vai trò quan trọng của cơ học kỹ thuật trong công nghệ 4.0.
Ngành hàng không - vũ trụ và cách mạng công nghiệp 4.0 (Aerospace and The 4-th Industrial Revolution)

1. Mở đầu

Như đã biết, cách mạng công nghiệp 4.0 (CMCN 4.0) đặc trưng bằng việc ứng dụng rộng rãi  robot thông minh, trí tuệ nhân tạo (AI), dữ liệu lớn (Big Data), Internet kết nối vạn vật (IoT),  xe tự lái v.v…CMCN 4.0 đang làm thay đổi căn bản tất cả các lĩnh vực của đời sống xã hội [1, 2] trong đó có ngành hàng không - vũ trụ (aerospace). Các sản phẩm chính của ngành hàng không - vũ trụ là máy bay có người lái và không người lái, tên lửa các loại, vệ tinh quan sát trái đất, vệ tinh viễn thông, các thiết bị viễn thám v.v… Rõ ràng là ngành hàng không – vũ trụ đóng một vai trò rất quan trọng trong sự nghiệp phát triển kinh tế - xã hội và an ninh - quốc phòng và cũng là ngành công nghệ mũi nhọn của các nước tiên tiến, vì vậy không thể đứng ngoài CMCN 4.0, hơn nữa nó có nhu cầu rất lớn trong viêc ứng dụng công nghệ 4.0 (CN 4.0), đồng thời là thành tố quan trọng của các hệ thống CN 4.0. Dưới đây phân tích nhu cầu và hiện trạng ứng dụng CN 4.0 trong nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, sửa chữa, vận hành và ứng dụng các sản phẩm hàng không - vũ trụ .

Theo một số tác giả CN 4.0 bao gồm cả công nghệ thực tế ảo, công nghệ nano, công nghệ sinh học và máy tính lượng tử. Tuy nhiên trong khuôn khổ bài báo này không đề cập đến các công nghệ này.

2. Nội dung

Xu hướng toàn cầu hoá ngày càng sâu rộng kéo theo nhu cầu vận chuyển hàng không tăng vọt.  Năm 2017 đã có hơn 4 tỷ lượt khách đi máy bay, tăng hơn 7% . Tổ chức hàng không  quốc tế (ICAO) dự báo chắc chắn rằng trong vòng 15 năm nữa số lượng khách sẽ tăng gấp đôi [10], đương nhiên kéo theo số lượng máy bay chở khách cũng tăng khoảng gấp đôi.

Tình hình thế giới diễn biến phức tạp đòi hỏi các nước phải phát triển mạnh các phương tiện tấn công và phòng thủ đường không: các lực lượng không quân, tên lửa các loại, máy bay UAV, …

Các phương tiện bay trong vũ trụ như các loại vệ tinh viễn thám, viễn thông, tàu vũ trụ, … cũng đang phát triển mạnh mẽ. Hiện nay trên quỹ đạo quanh Trái Đất có đến hàng nghìn vệ tinh đang bay. Theo số liệu của [5] năm 2017 có 1459 vệ tinh đang hoạt động trên quỹ đạo, so với con số 1381 của năm 2015.

Sự phát triển mạnh mẽ của ngành hàng không - vũ trụ đòi hỏi: tăng năng suất và hiệu quả hoạt động ở tất cả các giai đoạn của vòng đời sản phẩm hàng không - vũ trụ: từ nghiên cứu phát triển, sản xuất, thử nghiệm, vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa. Đồng thời các CN 4.0 tạo ra khả năng đáp ứng ngày càng đầy đủ các nhu cầu này. Một khía cạnh nữa đòi hỏi CN 4.0 là do các sản phẩm hàng không- vũ trụ rất đắt tiền và nhất là máy bay dân dụng liên quan nhiều đến an toàn tính mạng hàng trăm người nên đòi hỏi độ tin cậy rất cao (gần như không cho phép sai sót trong cả vòng đời) trong khi độ phức tạp của sản phẩm ngày càng tăng, vì vậy việc ứng dụng robot thông minh có trí tuệ nhân tạo, có kết nối IoT với rất nhiều cảm biến tiến tới các nhà máy và dịch vụ tự động hoá rất cao trở nên một nhu cầu bức thiết. Các robot này không bị mỏi mệt, không bị phân tán tư tưởng, không đòi tăng lương, có khả năng truy cập thông minh vào kho dữ liệu khổng lồ trên mạng, giao tiếp với nhau và giao tiếp với người, tự hoàn thiện (thông qua machine learning) sẽ hứa hẹn tạo ra đột phá về năng suất, chất lượng và hiệu quả không chỉ trong các nhà máy sản xuất mà còn ở rất nhiều giai đoạn khác: thử nghiệm, bảo dưỡng, sửa chữa, quản lý bay, quản lý kho tàng, chuỗi cung ứng vật tư, thậm chí thay thế dần cả tổ bay. Trong tương lai gần sẽ có các robot không những đủ thông minh để xử lý các tình huống thông thường mà cả các tình huống có trục trặc kỹ thuật, tất nhiên trong một số trường hợp quan trọng, nó chỉ đưa ra các khuyến nghị để con người quyết định [3, 4]. Các UAV cũng là một loại robot trên không sẽ ngày càng thông minh, hiện nay đã tự động cất hạ cánh, tự động lập đường bay tối ưu theo các chỉ tiêu nào đó và tự bay theo đường bay đã lập, tự động vận chuyển bưu phẩm, tự động tránh vật cản, tự động tìm mục tiêu và giao tiếp với nhau, phối hợp “bầy đàn” để thực hiện nhiệm vụ nào đấy.

Dưới đây ta sẽ xem xét 4 ứng dụng CN 4.0 khá điển hình hiện đã và đang thực hiện trong ngành hàng không – vũ trụ: ứng dụng IoT, ứng dụng Big Data và AI của Airbus là Skywise, ứng dụng UAV “bầy đàn” và ứng dụng in 3D để chế tạo các chi tiết hàng không.

Cần nhấn mạnh là việc ứng dụng các công nghệ 4.0 đều dựa trên nền tảng số hoá, nhưng một số người đánh đồng việc số hoá với CMCN 4.0 là chưa chính xác vì đó là đặc trưng của CMCN 3.0.             

2.1. Ứng dụng IoT

Như đã biết, một hệ thống IoT thường bao gồm các cảm biến đã số hoá, các phương tiện kết nối không dây và một khối thu nhận và phân tích dữ liệu. Các cảm biến thường là hệ thống vi cơ điện tử (MEMS), các phương tiện kết nối không dây có thể là RFID (một vài mét), Wi-Fi (vài chục mét), liên lạc qua mạng di động (vài trăm đến hàng nghìn km), liên lạc vệ tinh (vài nghìn đến hàng vạn km). Tất cả các kết nối trên được đưa vào mạng internet và có thể tận dụng bộ nhớ khổng lồ của “đám mây” (cloud). Cốt lõi của nó là phần mềm xử lý dữ liệu lớn và trí tuệ nhân tạo (Big Data và AI). Cần nhấn mạnh là các phần cứng nói trên, nhất là MEMS, RFID,Wi Fi có kích thược rất nhỏ (một vài cm), nhẹ (không quá vài chục g), giá rẻ (không quá vài trăm USD) và tiêu thụ rất ít năng lượng (không quá vài W), độ tin cậy rất cao, đồng thời với băng thông không ngừng mở rộng (3G, 4G, 5G), do đó đã tạo ra khả năng ứng dụng rộng rãi trên các sản phẩm hàng không - vũ trụ và các hệ thống liên quan từ cấp độ từng máy bay trong nghiên cứu phát triển, sản xuất, thử nghiệm, vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa đến quản lý cả đội máy bay, điều hành không lưu, chuỗi cung ứng vật tư và quản lý cả hãng hàng không [11,12,13,14]. Ước tính thị trường ứng dụng IoT vào ngành hàng không - vũ trụ và quốc phòng năm 2016 là khoảng 20 tỷ USD, năm 2023 sẽ đạt con số khổng lồ là hơn 40 tỷ USD .

Theo tạp chí Aviation Week, khối dữ liệu khổng lồ trong thời gian gần thực riêng trong ngành hàng không – vũ trụ thu thập sắp vượt  cả khối lượng thông tin trên mạng internet toàn cầu. Đương nhiên là cần nhận biết và xử lý khối dữ liệu đó bằng công nghệ Big Data và AI. Chỉ riêng tác động trong việc khắc phục sự cố kỹ thuật cũng sẽ có bước nhảy vọt giúp giảm thiểu thời gian hoãn chuyến bay (delay), một vấn nạn thường xuyên không chỉ của các hãng hàng không Việt Nam mà của cả các nước tiên tiến trên thế giới. Ta thử hình dung một máy bay đang bay có một thiết bị nào đó trục trặc, lập tức cả đội chuyên gia ở mặt đất được kích hoạt, các thiết bị, phụ tùng thay thế được chở đến tận nơi và ngay sau khi hạ cánh tất cả đã sẵn sàng. Việc điều tra tai nạn cũng sẽ nhanh chóng và khách quan hơn nhiều thay vì chỉ trông cậy vào việc phân tích dữ liệu của hộp đen mà nhiều khi không tìm thấy cả hộp đen.

Tuy nhiên việc ứng dụng IoT vào hàng không – vũ trụ cũng gặp nhiều thách thức không nhỏ, trước hết là sẽ phải thay thế rất nhiều hệ thống hiện có đã lạc hậu, nhất là về kiến trúc hệ thống, ngoài ra vấn đề an toàn thông tin và bảo mật thông tin cũng là trở ngại lớn cho các nhà đầu tư. Mặc dù vậy IoT vẫn thâm nhập mạnh mẽ vào ngành hàng không-vũ trụ.

Dưới đây để minh hoạ ta sẽ điểm qua 3 hệ thống hàng không -vũ trụ điển hình đã ứng dung IoT.

2.1.1. Máy bay chiến đấu tàng hình F-35

Hình 1. Máy bay chiến đấu F-35 và ý tưởng kết nối IoT.

Đây là một hệ thống IoT số một đối với mọi ngành kỹ thuật. Tư tưởng thiết kế cơ bản của F-35 là KẾT NỐI, kết nối thông tin các máy bay với nhau, kết nối giữa máy bay với thông tin tình huống toàn diện từ mặt đất, kết nối với các tàu chiến, với các vệ tinh… Trên tinh thần đó sức mạnh của một máy bay đơn lẻ sẽ đươc tăng lên gấp bội, khác với quan điểm của Nga tập trung vào tăng sức mạnh và khả năng cơ động của từng máy bay đơn lẻ. Đương nhiên cả khối lượng thông tin khổng lồ đó được xử lý bằng công nghệ Big Data và AI và chỉ hiển thị lên màn hình tình huống những thông tin cần thiết  cho phi công. Ngoài ra hệ thống IoT trên F-35 cũng hỗ trợ mạnh mẽ cho việc sửa chữa, bảo dưỡng để duy trì tỷ lệ sẵn sàng chiến đấu cao.

2.1.2. Động cơ máy bay Pratt&Whitney (Canađa)

Động cơ này vừa được trưng bày tại triển lãm hàng không Paris, là động cơ tuabin phản lực 2 luồng (GTF) (Hình 2) lắp trên máy bay của hãng Bombadier – Canađa có hệ thống 5.000 (năm nghìn) cảm biến, mỗi giây tạo ra khối dũ liệu 10GB. Một máy bay với 2 động cơ, bay trung bình 12 h sẽ tạo ra 844 TB (844000 GB, mỗi USB bình thường chứa 8GB thì cần hơn 100.000 USB để chứa thông tin!). Để so sánh, 2014 trên cả mạng xã hội Facebook với hàng tỷ người dùng cũng mới tạo ra lượng thông tin 600 TB trong một ngày, trong khi có đến 7000 động cơ này thì sẽ tạo ra một lượng thông tin khổng lồ.

Jet Engine

Hình 2. Động cơ tuabin phản lực Pratt-Whitney.

Hãng động cơ Pratt & Whitney coi IoT là cách để mở rộng kinh doanh dịch vụ và cung cấp dịch vụ bảo dưỡng dự phòng (predictive maintenance), đây là hướng chủ đạo mới của công ty. Đương nhiên để xử lý khối lượng thông tin khổng lồ trong thời gian gần thực thì cần có công nghệ Big Data và AI.   

2.1.3. Cảng hàng không quốc tế Dubai (UAE)

Hình 3. Cảng hàng không Dubai.

Hai ví dụ trên có thể không đem lại lợi ích trực tiếp cho các bạn, tuy nhiên cảng hàng không Dubai (Hình 3) thì có thể đem lại cảm giác dễ chịu hơn nhiều, khi gần như tất cả được kết nối, tạo ra hướng dẫn trong thời gian thực cho từng hành khách trên điện thoại thông minh, đồng thời hành khách có thể thường xuyên theo dõi hành lý của mình. Cảng hàng không này một ngày có tới 200.000 lượt khách đến và đi. IoT ở cảng hàng không đặc biệt có ý nghĩa khi có những trục trặc xảy ra, ví dụ chuyến bay bị lui lại do thời tiết. Đôi khi hành khách chỉ ngồi đợi, nhưng hàng trăm người và phương tiện  trên sân bay đồng thời phải thay đổi kế hoạch kịp thời, phối hợp nhịp nhàng nhờ có IoT. Ông giám đốc cảng hàng không Dubai đặt mục tiêu giảm đến mức tối thiểu thời gian máy bay phải chờ ở sân bay, phấn đấu nhanh như ở trạm pit-stop trên trường đua ô tô công thức 1.

2.2. Nền tảng SkyWise của hãng Airbus

Những ứng dụng nói trên đòi hỏi phải can thiệp khá sâu vào các thiết bị hiện có, nhất là ví dụ về F-35 hoặc động cơ Pratt&Witney. Dưới đây nêu một ví dụ về việc thu thập và xử lý dữ liệu của các máy bay hiện có của hãng Airbus SkyWise [6, 7, 8, 15, 16, 17].

. Mới gần đây tập đoàn FPT của Việt Nam đã ký kết hợp tác với Airbus để lập ra SkyWise bằng công nghệ Big Data và AI (Hình 4).

Hình 4. Tập đoàn FPT và Airbus hợp tác phát triển SkyWise – nền tảng số để ứng dụng CN 4.0 trong hàng không.

Hình 5. SkyWise sẽ giải phóng tiềm năng của từng máy bay.

Hình 6. Các dòng dữ liệu của từng máy bay (chưa kết nối).

Hình 7. Các dòng dữ liệu của từng máy bay (sẽ kết nối).

Hình 5,6,7 mô tả ý tưởng cơ bản của SkyWise. Các dữ liệu thu thập được của từng máy bay (hàng nghìn máy bay) sẽ được kết nối lại, sẽ dùng công nghệ Big Data và AI để phân tích và cảnh báo cho các cơ quan quản lý của từng hãng hàng không. Hệ thống SkyWise sẽ hỗ trợ để ra các quyết định kịp thời, nâng cao hiệu quả sử dụng máy bay và an toàn bay.

2.3. UAV “bầy đàn”

Một ứng dụng đặc biệt của CN 4.0 trong hàng không là UAV bay “bầy đàn” [18].

Tối hôm 1-5 vừa rồi, tại thành phố Tây An (Trung Quốc) công ty Ehang Egret (Trung Quốc) đã có một màn trình diễn máy bay không người lái (UAV, drone) rất đặc biệt: Một “đàn” UAV gồm 1374 chiếc đã bay xếp hình và “nhảy múa” trên bầu trời đêm (Hình 8, 9).

Mặc dù có người điều khiển từ xa, nhưng để phối hợp bay “bầy đàn” cùng một lúc 1374 chiếc  chắc chắn phải có kết nối, trao đổi và xử lý dữ liệu trong thời gian thực, có nghĩa là phải ứng dụng công nghệ 4.0.Ta có thể hình dung nếu ứng dụng “bầy đàn” hàng trăm UAV để tấn công mục tiêu thì sẽ khó ngăn chặn thế nào.

Hình 8. Các UAV trước lúc cất cánh.

Hình 9. 1374 UAV bay xếp hình trên bầu trời Tây An(Trung Quốc).

2.4. Ứng dụng in 3D

Một công nghệ rất nhiều triển vọng nữa cũng đang được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong ngành hàng - không vũ trụ là công nghệ in 3D [19, 20, 21, 22]. Nó rất phù hợp cho ngành hàng không - vũ trụ vì cho phép tạo ra những kết cấu nhẹ, giảm chi phí chế tạo, dễ dàng thay đổi cho phù hợp với từng nhu cầu khác nhau (chỉ cần thay đổi mô hình 3D trên máy tính). Cơ quan hàng không Mỹ FAA đã cho phép sử dụng các chi tiết in 3D trên máy bay từ 3/2015, hãng Boeing đã cấp cho khách hàng hơn 20.000 chi tiết in 3D. Hình 10 là vài ví dụ UAV sử dụng hầu hết các bộ phận in 3D.

 

Hình 10. Một vài ví dụ UAV sử dụng hầu hết các chi tiết in 3D.

Trên hình 11 là UAV của hãng Stratasys (Mỹ) dùng động cơ tuabin phản lực, tốc độ tối đa 240 kmh, sử dụng 80 % chi tiết in 3D.  

3d printing aeronautics

Hình 11. UAV của hãng Stratasys sử dụng đến 80% chi tiết in 3D.

Đặc biệt, từ năm 2014, tập đoàn BAE Systems (Anh) đã ứng dụng công nghệ in 3D trên máy bay chiến đấu Tornado GR4. Năm 2016 BAE Systems đã có 2.500 bộ phận chế tạo bằng in 3D và tăng 20% hàng năm.

Trong những năm gần đây ở Việt Nam cũng đã ứng dụng công nghệ in 3D, thậm chí đã sản xuất cả máy in 3D. Trên hình 12 là máy in 3D do Việt Nam sản xuất.

Hình 12. Máy in 3D CGEN V2  (Việt Nam).

2.5. Vai trò của cơ học kỹ thuật trong việc ứng dụng CN 4.0 vào ngành hàng không-vũ trụ

Qua các ví dụ trên ta thấy rõ CN 4.0 trong hàng không - vũ trụ nói riêng và trong các ngành kỹ thuật khác nói chung đều cần có hiểu biết sâu sắc về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của từng bộ phận và của cả sản phẩm (máy bay, động cơ, tên lửa, vệ tinh …) mới có thể thiết kế, viết thuật toán và phần mềm cho AI phân tích từng tình huống và đưa ra các giải pháp hoặc khuyến nghị để xử lý hoặc dự báo trạng thái kỹ thuật v.v…Đối với ngành hàng không - vũ trụ trong CMCN 4.0, rõ ràng để làm các việc trên không thể thiếu các kiến thức cơ học kỹ thuật cụ thể như: khí động học phương tiện bay, động lực học bay, nguyên lý động cơ tuabin phản lực, cấu tạo và độ bền phương tiện bay, cơ học vật liệu hàng không v.v…Mặc dù các kiến thức này không thể thiếu nhưng đồng thời cần nhiều kiến thức mới về cảm biến MEMS, về IoT, Big Data, AI, in 3D v.v… thì mới áp dụng được các CN 4.0 vào hàng không - vũ trụ.

 

3. Kết luận

Cách mạng công nghiệp 4.0 đang làm thay đổi căn bản tất cả các lĩnh vực của kinh tế - xã hội trong đó có ngành hàng không - vũ trụ (aerospace). Ngành hàng không – vũ trụ đóng một vai trò rất quan trọng trong sự nghiệp phát triển kinh tế - xã hội và an ninh - quốc phòng và cũng là ngành công nghệ mũi nhọn của các nước tiên tiến, vì vậy không thể đứng ngoài cuộc cách mạng này, hơn nữa nó có nhu cầu rất lớn trong viêc ứng dụng công nghệ 4.0. Báo cáo phân tích nhu cầu và một số ví dụ để minh hoạ ứng dụng công nghệ 4.0 trong nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, sửa chữa, vận hành các sản phẩm hàng không - vũ trụ. Mặt khác ta cũng thấy rõ vai trò quan trọng của cơ học kỹ thuật trong công nghệ 4.0. Việt Nam ta cũng đã bắt đầu tham gia vào cách mạng công nghiệp 4.0. Hy vọng báo cáo này sẽ là một “chất xúc tác” trong việc thúc đẩy các nhà khoa học và công nghệ Việt Nam tiến vào cách mạng công nghiệp 4.0.
 

Nguyễn Đức Cương(1),* và Hoàng Anh Tú(2)

1 Hội Hàng không - Vũ trụ Việt Nam

2 Học viện Phòng không - Không quân

*Email: cuongnd45@gmail.com


Tài liệu tham khảo

[1] Fourth Industrial Revolution, Klaus Schwab, World Economic Forum, Geneva, 2016

https://korrespondent.net/business/web/3802445-promyshlennaia-revoluitsyia-40-na-porohe-novoi-epokhy

[2] https://substance.etsmtl.ca/en/aerospace-4-0-fourth-industrial-revolution-applied-aerospace

[3] https://scitech.aiaa.org/Aerospace-Should-Lead-Fourth-Industrial-Revolution/

[4] https://scitech.aiaa.org/Human-Machine-Teaming-Transforming-Aerospace/

[5] https://www.sia.org/annual-state-of-the-satellite-industry-reports/2017-sia-state-of-satellite-industry-report/

[6] https://www.fpt-software.com/fpt-to-provide-airbus-with-big-data-and-ai-on-digital-aviation-platform/

[7]https://career.fpt-software.com/vi/blog/2018/01/19/fpt-software-va-airbus-hop-tac-phat-trien-cong-nghe-trong-linh-vuc-hang-khong/

[8] https://www.youtube.com/watch?v=SL5GxNaUO2U

[9] https://betsol.com/2016/07/the-top-3-iot-devices-in-aviation-right-now/

[10] https://www.icao.int/Newsroom/Pages/Continued-passenger-traffic-growth-and-robust-air-cargo-demand-in-2017.aspx

[11] https://www.alliedmarketresearch.com/press-release/internet-of-things-in-aerospace-and-defense-market.html

[12] https://www.technology.org/2017/11/09/aerospace-and-defense-iot-to-reach-40950-million-by-2023/

[13] https://www.digitalistmag.com/iot/2017/12/20/iot-enhances-aerospace-predictive-maintenance-05620651

[14]   https://www.alliedmarketresearch.com/internet-of-things-in-aerospace-and-defense-market

[15] https://www.airbus.com/newsroom/press-releases/en/2017/06/airbus-launches-new-open-aviation-data-platform--skywise--to-sup.html#media-list-image-image-all_ml_0-1

[16] https://www.fpt-software.com/fpt-to-provide-airbus-with-big-data-and-ai-on-digital-aviation-platform/

[17] https://www.airbus.com/aircraft/support-services/skywise.html

[18] http://www.ehang.com/news/365.html

[19] https://3dprinting.com/aviation/

[20] https://all3dp.com/3d-print-drone-parts/

[21]https://diydrones.com/profiles/blogs/procyon-800e-powertrain-and-control-systems-revealed

[22] https://c-gen.vn/may-in/may-in-3d.aspx

Nguồn tin: VASA

 Từ khóa: vasa

Tổng số điểm của bài viết là: 0 trong 0 đánh giá

Click để đánh giá bài viết

  Ý kiến bạn đọc