Trực thăng Kaman Seasprite của Hải quân Hoa Kỳ đang hạ cánh trên tàu chiến
Máy bay trực thăng hay máy bay lên thẳng là một loại phương tiện bay có động cơ, hoạt động bay bằng cánh quạt, có thể cất cánh, hạ cánh thẳng đứng, có thể bay đứng trong không khí và thậm chí bay lùi. Trực thăng có rất nhiều công năng cả trong đời sống thường nhật, trong kinh tế quốc dân và trong quân sự.
Nếu so sánh với máy bay phản lực thì máy bay trực thăng có cấu trúc, cấu trúc phức tạp hơn rất nhiều, khó điều khiển và tinh chỉnh, hiệu suất khí động học thấp, tốn nhiều nguyên vật liệu, vận tốc và tầm bay xa kém hơn rất nhiều. Nhưng bù lại những điểm yếu kém đó, năng lực cơ động linh động, năng lực cất cánh – hạ cánh thẳng đứng không cần trường bay và tính năng bay đứng của nó làm cho loại máy bay này là không hề thay thế sửa chữa được. Thực tế là máy bay trực thăng hoàn toàn có thể đến bất kể nơi nào chỉ cần bãi đáp có kích cỡ lớn gấp rưỡi đường kính cánh quạt là nó đều hoàn toàn có thể hạ cánh và cất cánh được .Vì những đặc tính kỹ thuật đặc biệt quan trọng mà những máy bay cánh cố định và thắt chặt không hề có được như vậy, máy bay trực thăng ngày càng tăng trưởng, song hành cùng những loại máy bay cánh cố định và thắt chặt thường thì và có ứng dụng ngày càng phong phú : trong nghành giao thông vận tải vận tải đường bộ nó cùng với những loại máy bay có cánh cố định và thắt chặt lập thành ngành Hàng không gia dụng, trực thăng có vai trò rất lớn trong vận tải đường bộ hàng không đường ngắn, trong những điều kiện kèm theo không có đường băng, trường bay và để chở những loại sản phẩm & hàng hóa cồng kềnh, siêu trường, siêu trọng vượt quá size khoang hàng bằng cách treo dưới thân. Trong đời sống thường nhật, trực thăng được sử dụng như máy bay cứu thương, cứu nạn, công an, trấn áp giao thông vận tải, bảo mật an ninh, thể thao, báo chí truyền thông và rất nhiều những ứng dụng khác. Đặc biệt trong quân sự chiến lược nó là một thành phần rất quan trọng của lực lượng không quân và quân đội nói chung : vừa là loại máy bay vận tải đường bộ thuận tiện vừa là loại máy bay chiến đấu rất hiệu suất cao, nhất là trong những trách nhiệm đổ xô đường không, tiến công cơ động, thọc sâu và yểm trợ, tiến công mặt đất .
Về mặt phân loại, máy bay trực thăng là khí cụ bay nặng hơn không khí, bay được nhờ lực nâng khí động học (lực nâng Zhukovsky) được tạo bởi cánh quạt nâng nằm ngang. Cũng như đối với máy bay thông thường, lực nâng khí động học được tạo thành khi có chuyển động tương đối của cánh nâng đối với không khí, nhưng khác với máy bay thông thường là cánh nâng gắn cố định với thân máy bay, trực thăng có cánh nâng là loại cánh quạt quay ngang (thường có từ 2 đến 6 cánh quay trong mặt phẳng nằm ngang, cánh quạt này còn gọi là cánh quạt nâng). Với đặc điểm của cánh nâng như vậy, khi cánh quạt nâng quay vẫn bảo đảm được sự chuyển động tương đối của không khí đối với cánh nâng và tạo lực nâng khí động học trong khi bản thân máy bay không cần chuyển động. Vì vậy máy bay trực thăng có thể bay đứng treo một chỗ và thậm chí bay lùi.
Nguyên lý hoạt động giải trí
[
sửa
|
sửa mã nguồn
]
Lực nâng khí động học
[
sửa
|
sửa mã nguồn
]
Mô hình lực nâng khí động học bằng tiếng Anh: Thrust: lực đẩy (tạo bởi động cơ); Drag: lực cản của không khí; Weight: trọng lực; Lift: lực nâng khí động học Zhukovski, Bernoulli
trực thăng cũng như máy bay thắng được trọng lực và bay lên được là nhờ lực nâng khí động học hay còn gọi là lực nâng Zhukovski. Đó là kết quả của sự chênh lệch áp suất không khí tại mặt trên và mặt dưới của vật thể (cánh nâng) khi dòng khí chuyển động tương đối chảy bao bọc qua vật thể. Để có lực nâng khí động học thì thiết diện vật thể (cánh nâng) phải không đối xứng qua trục chính và đường biên của mặt trên phải lớn hơn của mặt dưới, những vật thể có hình dạng thiết diện như vậy được gọi là có hình dạng cánh khí động học. Khi không khí chảy bao quanh hình cánh khí động sẽ có lực nâng khí động học và đồng thời xuất hiện lực cản. Hình khí động học nào cho hiệu ứng lực nâng càng cao mà lực cản càng ít thì được coi là có hiệu suất khí động học càng tốt.
Khi không khí chảy qua hình khí động là cánh nâng, tại mặt dưới sẽ có áp suất cao hơn so với mặt trên và hệ quả là sẽ xuất hiện một lực tác động từ dưới lên vuông góc với cánh. Lực nâng đó có độ lớn bằng tổng diện tích các cánh nhân với chênh lệch áp suất hai mặt. Độ chênh lệch áp suất phụ thuộc vào hình dạng thiết diện cánh tức là phụ thuộc vào hiệu suất khí động học của cánh, góc tấn (tiếng Anh: angle of attack) – góc chảy của không khí tương đối với vật khí động, và vận tốc dòng chảy (đồng nghĩa với vận tốc quay của cánh quạt nâng). Như vậy khi cánh quạt nâng đạt đến vận tốc quay nào đó thì chênh lệch áp suất (đồng nghĩa với lực nâng) sẽ đủ để thắng trọng lực và trực thăng có thể bay lên được.
Cánh nâng của máy bay trực thăng là một hoặc vài bộ cánh quạt quay ngang (cánh quạt nâng): khi cánh quạt nâng quay nó tạo sự chuyển động tương đối của cánh nâng và không khí và tạo lực nâng. Như vậy đối với máy bay có cánh cố định thì chuyển động tương đối của cánh nâng đối với không khí là chuyển động của chính máy bay, nên lực nâng chỉ có khi máy bay có đủ vận tốc, mất vận tốc sẽ mất lực nâng (thất tốc) nên máy bay cánh cố định không thể bay đứng một chỗ. Trực thăng cũng theo nguyên tắc lực nâng khí động học nhưng các cánh nâng là cánh quạt ngang quay xung quanh trục nên vẫn đảm bảo chuyển động tương đối với không khí và có lực nâng khi trực thăng vẫn đứng yên, nên trực thăng có thể bay đứng một chỗ thậm chí bay lùi.
Chính vì sự khác nhau khi tạo lực nâng như vậy dẫn đến sự khác nhau về sử dụng hiệu suất của trực thăng và máy bay cánh cố định và thắt chặt : Đối với trực thăng gần như hàng loạt hiệu suất động cơ máy bay là để tạo lực nâng chỉ một phần rất nhỏ để tạo lực đẩy ngang. Trong khi đó hầu hết hiệu suất của máy bay cánh cố định và thắt chặt là để tạo lực đẩy ngang chỉ có một phần nhỏ để tạo lực nâng một cách gián tiếp. Chính vì thế nếu có cùng hiệu suất máy thì máy bay trực thăng chở được nặng hơn nhiều máy bay có cánh cố định và thắt chặt, nhưng tốc độ thì kém xa. Đây là điểm khác nhau rất lớn của hai loại máy bay này về góc nhìn hiệu suất và tính năng .
Nguyên lý tinh chỉnh và điều khiển bay và tính không thay đổi
[
sửa
|
sửa mã nguồn
]
Điều khiển bay của máy bay trực thăng là rất phức tạp, phức tạp hơn nhiều so với máy bay cánh cố định và thắt chặt. Tất cả những loại máy bay trực thăng đều có nguyên tắc tinh chỉnh và điều khiển chung như sau :
- Để thay đổi lực nâng của toàn bộ đĩa cánh quạt nâng nói chung thì thông qua hai cách hoặc đồng thời thay đổi góc tấn chung của tất cả các cánh (góc tấn của lá cánh quạt còn gọi là bước lá cánh quạt) của đĩa cánh quạt và điều này làm thay đổi lực nâng mà không cần tăng giảm số vòng quay của cánh quạt. Cách thứ hai là giữ nguyên góc tấn chung của đĩa cánh quạt nâng nhưng thay đổi công suất động cơ làm thay đổi vận tốc vòng quay và sẽ làm thay đổi lực nâng. Thường thì để tăng giảm lực nâng phi công phải thành thục điều khiển thông qua cả hai cách thức này. Để thay đổi góc tấn đồng đều chung cho mọi cánh, người ta điều khiển bằng cần điều khiển gọi chung theo thuật ngữ tiếng Anh là cần collective (tên đầy đủ là collective pitch control lever nghĩa là điều khiển chung cho tất cả các cánh hay điều khiển tập trung bước lá). Bộ phận điều khiển để thay đổi vận tốc vòng quay cánh quạt nâng theo thuật ngữ tiếng Anh gọi là cần throttle hay cần điều khiển “tay ga”.
- Để tạo độ nghiêng ngang (nghiêng sang trái, sang phải) cơ cấu điều khiển biến bước sẽ làm thay đổi góc tấn của mỗi cánh (tiếng Anh: blade) theo chu kỳ một vòng quay sao cho góc tấn của mỗi cánh thay đổi tuỳ theo vị trí quay của cánh và gây ra lực nâng cực đại (hay cực tiểu) khi cánh đạt vị trí cực trái (hay cực phải) của máy bay. Điều này sẽ làm lực nâng khí động học sẽ khác nhau tại hai bên trái và phải của trực thăng và sẽ tạo mô men làm thân máy bay nghiêng sang phải, trái tương ứng. Bộ phận điều khiển thay đổi góc tấn của cánh theo chu kỳ quay được gọi theo thuật ngữ tiếng Anh là cần điều khiển cyclic từ này có nghĩa là theo chu kỳ.
- Để tạo độ nghiêng dọc (mũi máy bay hướng lên trên hoặc chúc xuống dưới) cũng thực hiện tương tự bằng cơ cấu biến bước như trên nhưng góc tấn thay đổi theo chu kỳ sao cho lực nâng tối đa (hay tối thiểu) khi ở phía trước mũi máy bay hay ở phía sau đuôi máy bay sự chênh lệch lực nâng trên đĩa cánh quạt nâng tại phần mũi và đuôi sẽ làm máy bay chúi đầu xuống hoặc ngóc đầu lên tương ứng. Cần điều khiển cũng vẫn là cần “cyclic” cần này có các vị trí trước – sau – phải – trái. Khi đưa cần sang trái máy bay nghiêng trái và bay ngang sang trái; đưa cần sang phải máy bay nghiêng phải và bay ngang sang phải; đưa cần lên trước thì trực thăng chúc mũi xuống và bay tiến; đưa cần “cyclic” về phía sau thì trực thăng ngóc mũi lên và bay lùi; Để cần cyclic dựng đứng thì máy bay bay treo đứng nguyên tại chỗ. Cần “cyclic” còn vô số các vị trí trung gian khác cho phép đĩa cánh quạt đồng thời nghiêng theo hai chiều không gian phải – trái và trước – sau và sẽ thực hiện các chuyển động tương ứng. Đây chính là cần điều khiển chính quyết định độ nghiêng của mặt phẳng cánh quạt theo các chiều khác nhau và quyết định chuyển động bay của trực thăng. Phi công không bao giờ được rời tay khỏi cần “cyclic” này.
- Để tạo lực đẩy ngang cho máy bay bay ngang, mặt phẳng của đĩa cánh quạt nâng phải nghiêng đi một góc so với mặt phẳng ngang, lực nâng Zhukovsky vuông góc với mặt phẳng cánh quạt nâng sẽ bị phân tích lực thành 2 thành phần vector lực một thành phần theo chiều thẳng đứng để cân bằng trọng lực, thành phần khác theo phương nằm ngang để tạo lực đẩy ngang để máy bay chuyển động ngang. Việc này được thực hiện thông qua việc làm cho đĩa cánh quạt nâng nghiêng sang trái – phải (tạo lực đẩy sang trái – phải) hoặc nghiêng về đằng trước – sau (tạo lực đẩy tiến hoặc lùi). Cơ cấu điều khiển nghiêng theo hai chiều này chính là cần “cyclic”.
- Theo định lý thứ ba của Newton, khi cánh quạt chính của trực thăng xoay theo một chiều thì sẻ có lực phản hồi làm thân trực thăng xoay theo chiều ngược lại. Để trực thăng giữ hướng, một cánh quạt nhỏ hơn ở phần đuôi kết nối với động cơ sẽ tạo lực đẩy theo chiều ngang để cân bằng tác động xoay vòng này. Để đổi hướng (quay đầu sang phải, trái) phi công dùng chân nhấn pê đan chống xoay (anti-torque) khi nhấn lên pê đan này máy bay sẽ thay đổi lực đẩy nơi cánh quạt đuôi, thực hiện động tác đổi hướng theo ý muốn.
Như vậy để điều khiển và tinh chỉnh trực thăng phi công phải phối hợp 4 cơ cấu tổ chức tinh chỉnh và điều khiển sau :
- Cơ cấu “collective”: (thay đổi góc tấn của toàn bộ các cánh của đĩa cánh quạt không theo chu kỳ quay) cần này làm thay đổi lực nâng chung của đĩa cánh quạt nâng, dùng để cất cánh, hạ cánh và tăng giảm độ cao
- Cơ cấu “cyclic”: thay đổi góc tấn của từng cánh theo chu kỳ tuỳ thuộc vào vị trí của cánh so với máy bay, cần này làm thay đổ độ nghiêng của mặt phẳng cánh quạt nâng so với mặt phẳng ngang theo hai chiều phải – trái và trước – sau dùng để chuyển động ngang phải – trái, tiến – lùi
- Tay ga (“throttle”): thay đổi vận tốc quay cánh quạt dùng để hạ cánh, cất cánh, thay đổi độ cao và vận tốc chuyển động
- Bàn đạp chống xoay (“anti-torque”): để làm máy bay đổi hướng quay đầu sang phải, trái.
Máy bay có cánh cố định và thắt chặt khi bay bản thân nó đã là một hệ cân đối bền, bất kể một lực hay tác nhân nào cũng đều sẽ làm phát sinh ra những lực hoặc mô men khác để đưa máy bay về vị trí cân đối mới. Bản chất bay của trực thăng thì ngược lại nó là một hệ cân bằng không bền trong quy trình bay luôn phát sinh ra những lực và mô men làm máy bay mất cân đối và phi công phải luôn can thiệp. Sự phức tạp của tinh chỉnh và điều khiển bay trực thăng hoàn toàn có thể thấy được qua một số ít ví dụ sau :
- Khi máy bay bay thẳng về phía trước cánh quạt ở một bên (ví dụ bên phải) là tiến theo chiều chuyển động của máy bay, còn bên kia (trái) ngược chiều chuyển động của máy bay. Do đó vận tốc tương đối của cánh đối với không khí ở bên phải lớn hơn bên trái điều này dẫn đến lực nâng bên phải máy bay lớn hơn bên trái làm máy bay luôn có xu hướng nghiêng về bên trái nơi có lực nâng thấp và làm máy bay bay chệch hướng, chệch quỹ đạo, bay ngang…Do đó phi công thực tế luôn phải dùng tay giữ cần “cyclic” hơi nghiêng sang phải để cân bằng sự chênh lệch lực nâng này (vận tốc máy bay càng lớn thì sự chênh lệch này cũng càng lớn).
- Cũng khi bay bằng nếu vận tốc máy bay cao phía cánh quạt tiến theo chiều máy bay (ví dụ phía phải) có thể có tốc độ tương đối vượt tốc độ âm thanh điều này gây ra bức tường âm thanh, nặng thì gây cộng hưởng, gãy cánh quạt, nhẹ thì làm tụt hiệu suất nâng làm mất lực nâng. Ngược lại bên trái có thể có vận tốc tương đối quá thấp và cộng với góc tấn lớn (do hiệu chỉnh cyclic) có thể làm mất lực nâng ở phia trái làm phía này quay ở chế độ không tải.
- Khi xuất hiện ngoại lực hoặc khi phi công điều khiển làm một động tác gì đó thì nhiều khi máy bay mất chế độ cân bằng: phi công đã thôi tác động điều khiển nhưng trực thăng tiếp tục thực hiện chuyển động cũ. Do đó để chấm dứt phi công phải có hành động ngược lại và lại phải tác động ngược lại của ngược lại… làm cho phi công luôn phải điều khiển cân bằng như đang đứng thăng bằng trên quả bóng.
- Cánh quạt tạo dòng khí xoáy xuống bên dưới khi máy bay hạ thấp độ cao (ví dụ hạ cánh) có thể rơi vào chính vòng xoáy của mình tạo ra và mất điều khiển, có thể rơi.
- Cánh quạt luôn hoạt động trong điều kiện tải trọng biến thiên theo chu kỳ quay nhanh (từ phải sang trái, từ trước xuống sau) rất dễ gây cộng hưởng làm mất điều khiển hoặc xảy ra tai nạn.
- Tất cả các hoạt động điều khiển thay đổi góc tấn toàn bộ (collective pitch), góc tấn theo chu kỳ (cyclic pitch), tay ga (throtle), pê đan chống xoay (antitorque pedals) đều ảnh hưởng lẫn nhau. Thí dụ khi cất cánh, phải tăng góc tấn toàn bộ để tăng lực nâng. Nếu có gió hay lên thẳng không cân bằng thì phải dùng góc tấn theo chu kỳ, ảnh hưởng lực nâng, sức cản của cánh quạt và độ xoay của thân trực thăng, và tay ga. Điều này làm cho phi công phải phải luôn điều chỉnh cần cyclic, tay ga và bàn đạp chống xoay không ngừng.
Do đó tinh chỉnh và điều khiển máy bay trực thăng là rất phức tạp và căng thẳng mệt mỏi khi ảnh hưởng tác động lên một cơ cấu tổ chức điều khiển và tinh chỉnh sẽ làm biến hóa những yếu tố cân đối khác làm phi công phải luôn giữ cân bằng không bền như đứng cân đối ” làm xiếc ” trên quả bóng. Phi công luôn phải giữ cần ” cyclic ” là cần tinh chỉnh và điều khiển chính do đó ghế phi công thường sắp xếp bên phải và bên tay phải ( tay thuận ) của phi công chỉ có cần cyclic, phi công phải luôn giữ nó bằng tay phải. Cần tinh chỉnh và điều khiển đổi khác góc tấn hàng loạt ở bên tay trái, vận động và di chuyển lên xuống tựa như như thắng tay trong xe hơi, với tay ga vặn như mô tô. Chân phi công dẫm lên pê đan chống xoay. Khi làm một động tác nào đó thì phải đồng thời phải kiểm soát và điều chỉnh hết những cơ cấu tổ chức điều khiển và tinh chỉnh khác như đã nói ở trên .
Sơ đồ nguyên tắc
[
sửa
|
sửa mã nguồn
]
Khi đĩa cánh quạt nâng quay, theo định luật bảo toàn mô men động lượng thân máy bay cũng sẽ phải quay quanh trục cánh quạt theo chiều ngược lại với tốc độ quay nhờ vào vào tỷ suất mô men quán tính của rotor ( cánh quạt và phần quay ) và stator ( thân máy bay và những phần còn lại ), để chống lại hiện tượng kỳ lạ tự quay này người ta thực thi theo nhiều giải pháp khác nhau trải qua những sơ đồ nguyên tắc khác nhau. Ngoài ra những sơ đồ này cũng cho thấy những giải pháp tinh chỉnh và điều khiển máy bay ở những góc nhìn khác .
Máy bay Sikorsky S-92 Mỹ là loại máy bay điển hình theo sơ đồ cơ bản
Sơ đồ cơ bản
[
sửa
|
sửa mã nguồn
]
Đây là sơ đồ “một cánh quạt nâng, một cánh quạt đuôi”: Khi cánh quạt nâng quay, thân máy bay cũng sẽ phải quay quanh trục cánh quạt theo chiều ngược lại, để chống lại hiện tượng tự quay này máy bay trực thăng có thêm một cánh quạt đuôi theo chiều thẳng đứng, thổi gió theo chiều ngang. Lực đẩy của cách quạt đuôi tạo nên mô men lực đuôi có tay đòn dài bằng khoảng cách từ trục cánh quạt đuôi đến trục cánh quạt nâng sẽ cân bằng và triệt tiêu sự quay của thân máy bay giữ hướng cố định cho máy bay. Ngoài ra cánh quạt đuôi này còn có tác dụng để lái đổi hướng bay cho trực thăng: khi phi công đạp bàn đạp “chống xoay” (“anti-torque”) cánh quạt đuôi sẽ thay đổi lực đẩy gió ngang làm thay đổi mô men đuôi. Đây là sơ đồ được gọi là sơ đồ Sikorsky theo tên của nhà tiên phong trong lĩnh vực trực thăng nhà sáng lập hãng trực thăng Sikorsky aircraft corporation nổi tiếng ngày nay.
Sơ đồ cơ bản này có ưu điểm rất lớn là rất đơn thuần về kỹ thuật, độ không thay đổi cao, độ an toàn và đáng tin cậy của những cơ cấu tổ chức máy tốt. Chính vì những ưu điểm này nên 95 % số trực thăng trên quốc tế là theo sơ đồ này. Mặt khác nó cũng có 1 số ít điểm yếu kém : vì chỉ có một cánh quạt nâng chịu hàng loạt trọng tải máy bay và lực đẩy ngang nên đường kính cánh quạt và tốc độ quay phải lớn, dễ dẫn đến những hiện tượng kỳ lạ cộng hưởng rung lắc gây gãy cánh quạt và hiệu suất cánh quạt không thật cao vì phần đầu mút cánh quạt ở một phía hoàn toàn có thể phải hoạt động giải trí trong điều kiện kèm theo tốc độ siêu thanh. Và hiệu suất để hoạt động giải trí cánh quạt đuôi chiếm khoảng chừng 20 % – 30 % hiệu suất động cơ máy bay là hiệu suất phí phạm không giúp gì cho việc nâng máy bay và hoạt động thẳng. Loại sơ đồ này rất ngại gió mạnh thổi ngang thân ( làm vô hiệu cánh quạt đuôi ) do đó kén điều kiện kèm theo thời tiết. Và vì phải có đuôi làm tay đòn cho mô men cánh quạt đuôi nên độ dài máy bay bị lê dài không có lợi cho đặc tính size. Tuy nhiên có nhiều điểm yếu kém lớn .
Máy bay trực thăng MD-902 của Mc Donnell Douglas không có cánh quạt đuôi có thể thấy ống phụt khí ở cuối đuôi
Sơ đồ chỉ một cánh quạt nâng
[
sửa
|
sửa mã nguồn
]
Sơ đồ này còn gọi là sơ đồ NOTAR viết tắt từ tiếng Anh NO TAil Rotor nghĩa là “trực thăng không cánh quạt đuôi” nó giống sơ đồ cơ bản chỉ có điều nó không có cánh quạt đuôi để tạo mô men đuôi mà dựa vào hiệu ứng Coandă theo tên của nhà tiên phong hàng không Henri Coandă người România: khi dòng khí phụt ra, nó có xu hướng bám dính vào thành vật thể cứng và tạo lực và mô men chống lại mô men quay thân máy bay. Loại máy bay không cánh quạt đuôi này có hệ thống dẫn và bơm khí chạy ra đuôi và được phụt ra theo van phun tiết lưu. Khi phi công ấn pê đan chống xoay “anti-torque” sẽ điều khiển van phun tiết lưu tăng giảm dòng khí phụt ra làm tăng giảm mô men chống quay và sẽ hiệu chỉnh hướng bay (sự quay đầu) của máy bay. Hiện nay sơ đồ này còn đang rất mới, chỉ có hãng McDonnell Douglas áp dụng và gọi là trực thăng MD vì vậy sơ đồ này cũng gọi là “sơ đồ trực thăng MD” chưa có các số liệu để đánh giá tính ưu việt và nhược điểm của sơ đồ này.
Sơ đồ hai cánh quạt nâng đồng trục
[
sửa
|
sửa mã nguồn
]
Ka-52, trực thăng hai cánh quạt nâng đồng trục của Không quân Nga.
Sơ đồ “hai cánh quạt nâng đồng trục” còn gọi là sơ đồ Kamov theo tên của tổ hợp thiết kế – chế tạo Kamov của Liên Xô và Nga chuyên chế tạo trực thăng loại này và ngày nay cũng chỉ có hãng này làm máy bay trực thăng theo sơ đồ này, đây là “đặc sản” trực thăng Kamov của Liên Xô (tuy không phải do Liên Xô phát minh ra). Đặc điểm của sơ đồ này là không có cánh quạt đuôi mà có 2 bộ cánh quạt nâng đồng trục quay ngược chiều nhau để triệt tiêu mô men quay thân máy bay. Khi máy bay muốn quay đầu để rẽ hướng phi công ấn pê đan “anti-torque” sẽ tạo ra chênh lệch vận tốc quay của hai tầng cánh quạt đồng trục và máy bay sẽ quay thân tương ứng theo chiều cánh quạt quay chậm hơn.
Loại máy bay này có nhiều ưu điểm lớn : vì có 2 cánh quạt nâng nên đường kính, tốc độ quay của cánh quạt không cần lớn lắm được cho phép cánh quạt hoạt động giải trí trong khoảng chừng hiệu suất cao nhất, và độ bảo đảm an toàn chống cộng hưởng, chống rung giật cánh quạt tốt, không mất phần hiệu suất hoang phí như loại Sikorsky. Đặc biệt tính cơ động của nó là tuyệt vời và hoàn hảo nhất, tốt nhất trong những giải pháp trực thăng : nó hoàn toàn có thể trong một khoảnh khắc bất thần vận động và di chuyển theo nhiều hướng phải – trái, tiến – lùi và lên – xuống một cách rất linh động ( Loại Kamov Ka-50 của Nga hoàn toàn có thể bay ngang thân sang phải, trái 80 km / giờ, bay lùi 90 km / giờ đổi khác chính sách bay trong vài giây ), loại máy bay này hoàn toàn có thể bay những loại hình pilotage ( hình nhào lộn ) mà những loại trực thăng khác không hề triển khai được, rất dễ điều khiển và tinh chỉnh. Vì không có cánh quạt đuôi nên loại này không ngán ngại gió thổi ngang, hoàn toàn có thể cất cánh hạ cánh, bay treo và hoạt động giải trí ở mọi điều kiện kèm theo thời tiết, và một ưu điểm nữa là vì size cánh quạt nhỏ, không đuôi nên loại này có kích cỡ rất nhỏ gọn. Vì những lợi thế trên nên loại máy bay này là trực thăng hầu hết của Hải quân xô viết và Nga thời nay nhất là trên những hạm tàu chống tàu ngầm của nước này .
Loại này đồng thời có những điểm yếu kém : cánh quạt với mạng lưới hệ thống biến bước ” collective ” và ” ciclic ” bản thân đã là phức tạp nay lại thêm cơ cấu tổ chức ” trục trong trục ” ngược chiều quay thì là quá phức tạp. Hệ thống đồng trục là bộ phận hay gặp nhiều rủi ro đáng tiếc nhất của loại máy bay này. Và vì có 2 tầng cánh quạt, có độ cơ động tốt nên khi có hoạt động bất thần hoàn toàn có thể gây ra chạm cánh quạt vào nhau .
Máy bay Belvedere loại hai cánh quạt nâng không đồng trục
Sơ đồ hai cánh quạt nâng trước-sau
[
sửa
|
sửa mã nguồn
]
Đây là phương án máy bay có hai cánh quạt nâng không đồng trục thường gắn ở đầu và đuôi máy bay, quay ngược chiều nhau để triệt tiêu mô men tự quay thân. Khi muốn quay đầu rẽ hướng phi công điều khiển bàn đạp “anti-torque” sẽ làm phát sinh chênh lệch vận tốc quay của hai đĩa cánh quạt và thân máy bay quay tương ứng theo chiều cánh quạt quay chậm hơn. Loại này điển hình là các máy bay vận tải lớn rất khoẻ như loại cần cẩu bay Boeing CH-47 Chinook của Hoa Kỳ.
Vì có hai cánh quạt nên hiệu suất cánh quạt và độ bảo đảm an toàn cộng hưởng, chống rung lắc tốt, không có hiệu suất phí phạm. Loại sơ đồ này có sức nâng rất tốt và thường được dùng làm cần cẩu bay, nhưng nó có điểm yếu kém lớn là rất khó tinh chỉnh và điều khiển và tính cơ động kém .
[
sửa
|
sửa mã nguồn
]
Ngoài ra Hoa Kỳ còn những loại Kamans là loại 2 bộ cánh quạt nâng đặt cạnh nhau hai trục xiên góc với nhau theo hình chữ ” V “, cánh quạt quay ngược chiều và đồng nhất ăn khớp ( để không chém vào nhau ) lấy theo mẫu của trực thăng chiến đấu Flettner Fl-282 của Đức .
Sơ đồ cánh quạt nâng tự do
[
sửa
|
sửa mã nguồn
]
Đây là loại máy bay theo tiếng Anh là Autogyro hay gyroplane hay gyrocopter tiếng Nga là Автожир. Đây là loại trực thăng có cánh quạt nâng tự do là loại máy bay đặc biệt lai tạp giữa máy bay có cánh cố định và trực thăng. Điểm đặc biệt của loại này là cánh quạt nâng của nó là cánh quạt nâng tự do (không nối với động cơ), mà động cơ là để lai cánh quạt đứng thổi gió theo chiều ngang như cánh quạt đẩy chuyển động ngang của máy bay thông thường. Động cơ lai cánh quạt đứng thổi gió ngang về phía sau làm máy bay chuyển động về phía trước, dòng khí chuyển động tương đối theo phương nằm ngang sẽ làm quay cánh quạt nâng tự do, làm phát sinh lực nâng khí động học và làm máy bay bay lên được. Cơ chế điều khiển thì đơn giản như của máy bay cánh cố định. Điển hình nhất của loại này là máy bay Kamov K-22 của Liên Xô là một trong những máy bay trực thăng lớn nhất từ xưa đến nay. Loại này đứng trung gian giữa máy bay có cánh cố định thông thường và trực thăng: không bay đứng, không cất cánh, hạ cánh thẳng đứng được nhưng lại có cánh quạt nâng làm cho máy bay có thể cất cánh với tốc độ nhỏ, đường băng ngắn, trọng tải chở nặng tốt. Loại sơ đồ này có ưu điểm rất lớn là khi gặp tai nạn trên không, máy bay rơi thì cánh quạt nâng tự do sẽ quay và có tác dụng như chiếc dù làm máy bay tiếp đất an toàn. Ngày nay loại trực thăng này không được phát triển nữa mà chỉ còn làm máy bay thể thao, giải trí cực nhỏ mà thôi, đây là sản phẩm rất nổi tiếng của hãng Cierva Autogiro Company của Tây Ban Nha.
Máy bay Osprey V-22 của Hải quân Hoa Kỳ loại cánh quạt xoay hướng
Sơ đồ cánh quạt xoay hướng
[
sửa
|
sửa mã nguồn
]
Đây cũng là một loại lai tạp giữa máy bay có cánh cố định và thắt chặt và trực thăng. Cấu tạo của loại máy bay này về cơ bản giống máy bay cánh cố định và thắt chặt chỉ khác là cánh quạt đẩy ngang hoàn toàn có thể quay một góc 90 ° để thổi gió xuống phía dưới theo chiều thẳng đứng. Khi máy bay cất cánh, hạ cánh cánh quạt quay hướng thổi gió xuống dưới tạo lực nâng cho máy bay cất cánh, hạ cánh thẳng đứng. Khi đã lên đến độ cao cánh quạt lại quay về vị trí thông thường thổi gió về phía sau theo chiều ngang đẩy máy bay hoạt động thẳng theo chiều ngang và lực nâng do cánh cố định và thắt chặt tạo ra như một máy bay cánh cố định và thắt chặt thông thường. Cơ cấu tinh chỉnh và điều khiển đơn thuần giống của máy bay cánh cố định và thắt chặt. Loại này phối hợp được cả đặc tính của máy bay và trực thăng nhưng có một điểm yếu lớn là cánh quạt vừa làm trách nhiệm cánh quạt đẩy ngang của máy bay thường thì vừa làm trách nhiệm cánh quạt nâng theo chiều thẳng đứng của trực thăng, mà hai loại cánh quạt này có đặc thù và cấu trúc rất khác nhau do đó cánh quạt và máy bay này có hiệu suất thấp nên loại này không có ứng dụng thoáng đãng chỉ sản xuất đơn chiếc theo chuyên được dùng hạn hẹp. Điển hình nhất của loại này là máy bay Osprey V-22 của Hải quân Hoa Kỳ
Trên đây là một số ít loại sơ đồ nguyên tắc chính được vận dụng trong sản xuất trực thăng. Ngoài ra còn rất nhiều kiểu sơ đồ khác nữa, mỗi một phát minh thường đi kèm với một loại sơ đồ mới nhưng lúc bấy giờ chúng chưa có ứng dụng thoáng đãng và chưa chứng tỏ được hiệu suất cao kỹ thuật hàng không .
Lịch sử tăng trưởng
[
sửa
|
sửa mã nguồn
]
Máy bay trực thăng 1922
Trực thăng sơ khởi
[
sửa
|
sửa mã nguồn
]
Lịch sử tăng trưởng máy bay trực thăng gắn liền với lịch sử vẻ vang tăng trưởng Hàng không và lịch sử dân tộc máy bay có cánh cố định và thắt chặt. Ý tưởng về trực thăng còn sinh ra trước cả ý tưởng sáng tạo của máy bay thường thì, ngày này khi điều tra và nghiên cứu di sản của họa sỹ vĩ đại người Ý Leonardo Da Vinci thế kỷ thứ 15, người ta tìm thấy bản vẽ của thiết bị bay theo nguyên tắc của trực thăng ngày này, nó có cánh quạt ngang quay bằng dây chun vặn lại … Nhưng cũng như số phận của máy bay có cánh cố định và thắt chặt, những sáng tạo độc đáo bay của trực thăng chỉ có ý nghĩa hiện thực ở cuối thế kỷ 19 khi con người đã có động cơ nhiệt là nguồn nguồn năng lượng để bay .
Song hành cùng những nhà tiên phong của máy bay cánh cố định và thắt chặt ngay từ thế kỷ 19 một loạt nhà kỹ thuật hàng không như Jan Bahyl, Oszkár Asbóth, Louis Breguet, Paul Cornu, Emile Berliner, Ogneslav Kostovic Stepanovic và Igor Ivanovich Sikorsky đã đưa ra thử nghiệm những quy mô máy bay trực thăng. Ngày 24 tháng 8 năm 1907 lần tiên phong quy mô trực thăng bay lên được, nó do bạn bè Louis và Jacque Breguet người Pháp sản xuất dưới sự cố vấn kỹ thuật của giáo sư Charles Richet. Mô hình này trọn vẹn không hề điều khiển và tinh chỉnh nổi và không hề chở nổi người, chỉ hoàn toàn có thể bay lên được 50 cm. Tại nước Nga Igor Ivanovich Sikorsky sau này trở thành nhà tiên phong trực thăng và nhà công nghiệp sản xuất trực thăng nổi tiếng quốc tế đã thí nghiệm trực thăng tiên phong của mình vào năm 1908 .
Người tiên phong ” bay ” lên được bằng trực thăng là nhà sáng tạo người Pháp đơn vị sản xuất xe đạp điện Paul Cornu. Ngày 13 tháng 11 năm 1907 ông này tự chế trực thăng của mình, tự lái và bay lên được 50 cm và ngồi trên không khí được 20 giây. Trực thăng tiên phong này rất khó lái, gần như không điều khiển và tinh chỉnh nổi .
Chiếc máy bay trực thăng tiên phong hoàn toàn có thể điều khiển và tinh chỉnh được do Raul Pateras de Pescara sản xuất và màn biểu diễn vào năm 1916 tại Buenos Aires, Argentina. Vào năm 1923 nhà tiên phong của nghành trực thăng người Tây Ban Nha Juan de la Cierva phát minh và vận dụng loại trực thăng autogyro hay loại trực thăng theo sơ đồ cánh quạt nâng tự do và nhà phát minh này luôn trung thành với chủ với sơ đồ con đẻ của mình, cho đến nay loại này bị những kiểu trực thăng khác chèn ép chỉ còn ứng dụng trong những loại trực thăng thể thao, vui chơi và vẫn là loại sản phẩm chính của hãng Cierva autogiro company .
Tại nước Nga Xô viết trong thập kỷ 1930 dưới sự đầu tư của nhà nước các kỹ sư Boris Yuriev và Alexei Cheremukhin tiến hành các thí nghiệm với máy bay trực thăng TsAGI 1-EA. Đây là loại có một cánh quạt nâng và phía đầu và đuôi có hai cánh quạt chống xoay “anti-torque” máy bay này vào ngày 14 tháng 8 năm 1932 đã bay lên được độ cao 650 m.
Nhưng có lẽ rằng ấn tượng hơn cả vào thập niên 1930 là những thành công xuất sắc của người Đức. Năm 1934 máy bay Focke-Wulf Fw-61 do giáo sư Heinrich Focke và kỹ sư Gerd Achgelis phong cách thiết kế sản xuất, với máy bay này nữ phi công lịch sử một thời của đảng Quốc xã Hanna Reitsch đã liên tục bay màn biểu diễn như những chiến dịch tuyên truyền cho đế chế III. Loại máy bay này có một động cơ cùng lúc lai 3 cánh quạt : 2 cánh quạt nâng đặt hai bên phải trái quay ngược chiều nhau và một cánh quạt mũi theo chiều thẳng đứng để tạo lực đẩy ngang .
Trong thế chiến hai lần tiên phong Đức đã sử dụng trực thăng trong chiến đấu đó loại máy bay trực thăng khác có cấu trúc rất rực rỡ Flettner FL-282 Kolibri nó có 2 bộ cánh quạt nâng đặt cạnh nhau, trục nghiêng góc với nhau theo hình chữ ” V “, quay đồng nhất ngược chiều như bánh răng ( để không chém vào nhau ) với số lượng rất nhỏ tham chiến trên mặt trận Địa Trung Hải khi cuộc chiến tranh kết thúc, Hạm đội Đức hủy hoại hết chỉ còn sót lại 3 chiếc được đem về Mỹ thử nghiệm. Có thể nói loại máy bay này là hoàn thành xong nhất đương thời, đã có 1 số ít yếu tố của máy bay trực thăng văn minh .
Đến đây có thể coi là kết thúc giai đoạn trực thăng sơ khởi và bước vào thời kỳ của trực thăng hiện đại. Mà đặc trưng cơ bản của thời kỳ sơ khởi là trực thăng chưa có hệ thống biến bước để tạo chênh lệch lực nâng làm nghiêng đĩa cánh quạt nâng. Hoàn toàn chưa có hệ thống thay đổi góc tấn “collective”, và hệ thống “ciclic” thì lại càng chưa có. Do không thể nghiêng được mặt phẳng của cánh quạt nâng nên hầu hết trực thăng của thời kỳ này không thể nghiêng phải – trái, trước – sau, chỉ có thể bay thẳng về phía trước bằng cánh quạt đứng thổi gió ngang như của máy bay có cánh cố định. Chỉ duy nhất máy bay Flettner FL-282 Kolibri của Hải quân Đức Quốc xã là có lực đẩy ngang nhờ cánh quạt nâng nghiêng góc so với mặt phẳng ngang nhưng độ nghiêng góc này là kết cấu cố định và máy bay cũng chỉ có thể bay thẳng về phía trước và cũng rất vụng về khó xoay trở như các loại cùng thời khác. Vì cơ cấu điều khiển còn mang tính kiểm nghiệm và ít có cơ chế điều khiển nên máy bay rất khó điều khiển, rất vụng về, hay gặp rắc rối về tính không ổn định dẫn đến rơi nhiều vì những lý do khí động học.
Trực thăng văn minh
[
sửa
|
sửa mã nguồn
]
Tranh vẽ trực thăng AH-64 Apache của Mỹ tiêu diệt xe tăng địch trong 1991
Sự tăng trưởng trực thăng diễn ra cùng thời với máy bay có cánh cố định và thắt chặt, nhưng trong khoảng chừng 50 năm từ đầu thế kỷ 20 trong khi máy bay thường thì tăng trưởng cực nhanh thì trực thăng tiến triển rất khó khăn vất vả. Máy bay trực thăng chỉ thực sự mở màn có ứng dụng thoáng đãng ở thập kỷ 1950 trong khi đến thời gian đó máy bay cánh cố định và thắt chặt đã đi từ khung vải của máy bay đồng đội nhà Wright 1903, qua biplane vỏ gỗ như tiêm kích Softwith Camel của thế chiến I rồi đến những máy bay ném bom khổng lồ bay xuyên đại dương như siêu pháo đài bay B-29 trong thế chiến II và đến những năm 1950 khi vận dụng đại trà phổ thông trực thăng thì máy bay cánh cố định và thắt chặt đã bước vào thời đại máy bay phản lực .
Nguyên nhân của sự chậm rãi đó của trực thăng hầu hết là yếu tố cộng hưởng, rung lắc cánh quạt nâng và những yếu tố điều khiển và tinh chỉnh cánh quạt. Tất cả những tác động ảnh hưởng cơ học – khí động học rất phức tạp làm cánh quạt nâng rất dễ gãy hoặc rơi vào chính sách mất cân đối. Chỉ đến những năm 1950 sau khoảng chừng năm chục năm khi khoa học vật tư cho sinh ra được những loại thép đặc biệt quan trọng chịu được những ứng suất rất cao thì khoa học những nước mới xử lý được những yếu tố rất phức tạp này và máy bay trực thăng mới tăng trưởng được .
Cũng giống như đối với máy bay có cánh thông thường Hoa Kỳ là nước đầu tư lớn nhất vào nghiên cứu trực thăng. Tháng 5 năm 1942 nước này đưa vào sản xuất theo dây chuyền loại trực thăng Sikorsky XR-4 cho quân đội nước mình. Và năm 1946 loại trực thăng Bell-47 của Arthur Young đã được cho phép sử dụng vào mục đích dân dụng. Hai thập kỷ sau loại Bell-206 lập các kỷ lục thế giới của máy bay trực thăng thương mại của mọi thời đại về số giờ bay và số lượng sản xuất của một loại trực thăng dân dụng. Những trực thăng này thực sự về bản chất đã không khác gì máy bay trực thăng ngày nay, nó theo sơ đồ Sikorsky với đĩa cánh quạt nâng có hệ thống biến bước ‘“collective” và “ciclic” với đầy đủ các cơ chế điều khiển hiện đại cho phép tính cơ động tốt.
Gần như ngay lập tức từ thập kỷ 1950 có sự bùng nổ của máy bay trực thăng vào mọi nghành nghề dịch vụ. Và những vương quốc nhất là những nước đối địch trong chiến tranh Lạnh Liên Xô, Hoa Kỳ cùng nhau chạy đua vũ trang trong đó có ” chạy đua trực thăng ” trong khi Hoa Kỳ tối đa ” trực thăng hóa ” quân đội và những nghành nghề dịch vụ kinh tế tài chính, đời sống thì Liên Xô luôn theo đuổi thiết kế xây dựng những kỷ lục, cố gắng nỗ lực phong cách thiết kế những loại máy bay trực thăng khổng lồ ” cao hơn – nhanh hơn – mạnh hơn “. Các nước châu Âu đặc biệt quan trọng như Pháp, Ý cũng góp vốn đầu tư rất nhiều vào trực thăng, lúc bấy giờ những mẫu máy bay trực thăng của những nước này là rất có uy tín trên quốc tế .
Máy bay UH-1 loại quân đội Mỹ sử dụng rộng rãi nhất trong chiến tranh Việt Nam
Trong những năm 1960, 1970 cuộc chiến tranh Nước Ta lần tiên phong thử thách và đã cho thấy sức mạnh rất ghê gớm của loại vũ khí mới này : bộ binh trực thăng vận ” kỵ binh bay ” đi mây về gió, cơ động rất tốt hoàn toàn có thể ngay chớp nhoáng đến được mọi nơi chiến sự và bí hiểm xâm nhập sâu vào vùng đối phương trấn áp, thậm chí còn hoàn toàn có thể sà thấp tung lưới bắt người dưới đất. Và trực thăng vũ trang được dùng làm vũ khí tiến công mặt đất và yểm trợ bộ binh cực kỳ hiệu suất cao … Với kinh nghiệm tay nghề của cuộc cuộc chiến tranh này tổng thể lục quân những cường quốc quân sự chiến lược đều nỗ lực kiến thiết xây dựng bộ binh trực thăng vận và những loại trực thăng chiến đấu khác nhau làm biến hóa thâm thúy hình thái chiến đấu cuộc chiến tranh văn minh trên bộ. Đồng thời đây là loại máy bay rất thích hợp để sắp xếp trên chiến hạm của Hải quân .
Máy bay trực thăng vận tải lớn nhất thế giới Mi-26T của Liên Xô tại triển lãm hàng không Zhukovsky
Về phía Liên Xô nước này phong cách thiết kế những máy bay trực thăng khổng lồ liên tục phá những kỷ lục quốc tế như của tổng hợp phong cách thiết kế – sản xuất Mil Mi-6, Mi-10, Mi-12 … và sau cuối là trực thăng khổng lồ mạnh nhất quốc tế lúc bấy giờ ( 2006 ) Mi-26. Một tổng hợp trực thăng lớn khác của Liên Xô – Nga là Kamov cũng rất nổi tiếng với ” đặc sản nổi tiếng ” sơ đồ trực thăng hai tầng cánh nâng đồng trục .
Trong nghiên cứu về trực thăng thế giới thời kỳ này có xu hướng đáng chú ý: một trong những cách giảm tải cho cánh quạt nâng là áp dụng các sơ đồ nhiều bộ cánh quạt như loại 2 tầng cánh quạt đồng trục kiểu Kamov hoặc như loại 2 đĩa cánh quạt không đồng trục như cần cẩu bay Boeing CH-47 Chinook. Hai hay nhiều đĩa cánh quạt cho phép giảm đường kính và vòng quay của từng đĩa cánh quạt nâng, tăng hiệu suất và độ an toàn cơ học – khí động học lên rất nhiều. Và đối với sơ đồ cơ bản Sikorsky để giảm vận tốc quay, đường kính đĩa cánh quạt mà không làm ảnh hưởng đến lực nâng thì người ta tăng số cánh trong một đĩa cánh quạt lên, cánh quạt nâng của máy bay trực thăng ngày nay có thể có đến 9 cánh, tăng số cánh cũng làm giảm tiếng ồn, nhưng việc tăng số cánh nhất là tăng số tầng cánh sẽ làm tăng tính phức tạp của cơ cấu điều khiển cánh quạt lên rất nhiều (cơ cấu này bản thân nó đã là rất rất phức tạp với các hệ thống điều khiển biến bước cho hệ thống thay đổi góc tấn và thay đổi góc với mặt phẳng ngang để tạo lực đẩy ngang).
Công suất máy của trực thăng cũng tăng lên rất nhiều từ những ngày sơ khởi trực thăng còn dùng động cơ piston chạy xăng đến những năm 1960, 1970 và cho đến nay chỉ còn rất ít những máy bay gia dụng nhỏ không cần hiệu suất lớn vẫn liên tục dùng động cơ piston còn lại đều đã trang bị động cơ tuốc bin khí truyền lực loại động cơ này rất gọn nhẹ độ đáng tin cậy rất cao và đặc biệt quan trọng còn dự trữ tiềm năng hiệu suất cho một thời hạn rất dài hoàn toàn có thể là hàng chục năm nữa .Đến những năm 1980 – 1990 máy bay trực thăng không còn những cải tiến vượt bậc lớn về nguyên tắc nữa trực thăng đã đạt đến độ hoàn thành xong của nó .
- Các bài về trực thăng trên Wikipedia bằng tiếng Anh và tiếng Nga.
- Иностранные армии: Вооружение и техника – Справочник (Воениздат) Mосква 1984 – Sổ tay tra cứu: Vũ khí, kỹ thuật các quân đội nước ngoài – Bản tiếng Nga Nhà xuất bản Quân sự Moskva 1984.
- Военный энциклопедический словарь – (Воениздат) Mосква 1986 – Từ điển bách khoa quân sự Nhà xuất bản quân sự Moskva 1986.
