Máy bay trực thăng thực dụng ra đời cuối thập niên 1930, khi chiếc Focke-Wulf Fw 61 của Đức (1936) rồi chiếc VS-300 của Igor Sikorsky ở Mỹ (1939) lần đầu bay được ổn định và điều khiển được. Kiểu bố trí một cánh quạt chính cộng một cánh quạt đuôi của Sikorsky trở thành chuẩn cho phần lớn trực thăng ngày nay. Ý tưởng về một cỗ máy bay lên nhờ cánh xoay thì đã có từ hàng nghìn năm trước, nhưng phải đợi động cơ đủ nhẹ và lời giải cho vài bài toán khí động học hóc búa.
Từ đồ chơi tre đến bản vẽ của Leonardo
Thứ tổ tiên xa nhất của trực thăng là một món đồ chơi: chiếc chong chóng tre gắn trên que, xoe hai tay cho quay rồi buông là nó vút lên. Nhiều tài liệu cho rằng đồ chơi này đã có ở Trung Hoa từ trước Công nguyên, dù niên đại chính xác còn bàn cãi. Trẻ em Việt Nam cũng chơi kiểu chong chóng này từ lâu. Nguyên lý của nó chính là nguyên lý trực thăng: lá cánh nghiêng, khi quay sẽ đẩy không khí xuống và tự nâng mình lên.
Khoảng năm 1489, Leonardo da Vinci vẽ trong sổ tay một "cánh quạt không khí" (aerial screw): một tấm vải xoắn ốc gắn trên trục, hình dung như con ốc vít khoan vào không khí. Bản vẽ nay nằm trong bộ sổ tay lưu ở Viện Pháp quốc tại Paris. Cỗ máy ấy không thể bay, vì sức người không đủ và Leonardo chưa tính tới chuyện thân máy bay sẽ quay ngược lại, nhưng nó cho thấy ý tưởng bay thẳng đứng đã có từ rất sớm.
Năm 1784, hai người Pháp là Launoy và Bienvenu trình diễn trước Viện Hàn lâm Khoa học Pháp một mô hình nhỏ có hai cánh quạt làm bằng lông chim quay ngược chiều nhau, chạy bằng một cây cung căng dây. Mô hình bay được lên trần nhà. Gần tám mươi năm sau, nhà phát minh Pháp Gustave de Ponton d'Amécourt ghép hai chữ Hy Lạp helix (xoắn) và pteron (cánh) thành từ "hélicoptère", gốc của tên gọi helicopter mà cả thế giới dùng ngày nay.
Bốn bài toán khiến trực thăng ra đời muộn hơn máy bay cánh cố định
Anh em Wright bay năm 1903, nhưng phải hơn ba mươi năm sau mới có trực thăng dùng được. Lý do nằm ở bốn bài toán.
- Động cơ quá nặng. Trực thăng phải tự nâng toàn bộ trọng lượng bằng cánh quạt, không nhờ được lực nâng của cánh khi chạy đà. Cần động cơ vừa mạnh vừa nhẹ, thứ chỉ có từ thập niên 1920–1930.
- Mô-men xoắn. Khi động cơ quay cánh quạt theo một chiều, theo định luật thứ ba của Newton, thân máy bay sẽ bị xoay theo chiều ngược lại. Phải có cách chống lại vòng xoay này.
- Lực nâng không đều. Khi trực thăng bay về phía trước, lá cánh đang quay về phía trước gặp gió nhanh hơn, lá cánh đang quay về phía sau gặp gió chậm hơn. Một bên nâng mạnh, một bên nâng yếu, máy bay có xu hướng lật nghiêng.
- Điều khiển. Làm sao để nghiêng, tiến, lùi, sang ngang mà không có cánh lái như máy bay thường.
Những người đi trước
Ngày 13/11/1907, gần Lisieux ở Pháp, Paul Cornu được ghi nhận là người đầu tiên nhấc khỏi mặt đất trên một chiếc trực thăng không bị buộc dây, ở độ cao khoảng 30 cm trong khoảng 20 giây. Một số nghiên cứu sau này nghi ngờ cỗ máy của ông đủ sức bay thật sự, nên mốc này còn tranh cãi. Cùng năm đó, anh em Breguet cũng làm được máy bay cánh xoay nhấc khỏi đất, nhưng phải có người đứng đỡ cho khỏi chao.
Bước ngoặt lý thuyết lại đến từ một cỗ máy không phải trực thăng. Năm 1923, kỹ sư Tây Ban Nha Juan de la Cierva bay thành công chiếc autogiro: máy bay có cánh quạt trên nóc nhưng cánh quạt không được động cơ quay, mà tự xoay nhờ gió khi một cánh quạt thường phía trước kéo máy bay đi. Để giải bài toán lực nâng không đều, Cierva gắn lá cánh vào trục bằng bản lề cho phép lá cánh vỗ lên xuống. Lá cánh tiến lên tự vỗ lên, giảm góc gặp gió; lá cánh lùi tự hạ xuống, tăng góc gặp gió. Lực nâng hai bên tự cân lại. Bản lề vỗ này có mặt trong hầu hết trực thăng sau đó.
Năm 1924, kỹ sư Pháp Étienne Oehmichen bay chiếc trực thăng nhiều cánh quạt của ông trọn một vòng kín dài 1 km, một kỷ lục được Liên đoàn Hàng không Quốc tế công nhận thời đó.
Hai chiếc trực thăng đầu tiên thật sự dùng được
Focke-Wulf Fw 61 (1936)
Kỹ sư Đức Henrich Focke dùng hai cánh quạt lớn đặt hai bên thân, quay ngược chiều nhau để triệt tiêu mô-men xoắn. Chiếc Fw 61 bay lần đầu ngày 26/06/1936, sau đó lập nhiều kỷ lục về độ cao, tốc độ và quãng đường. Năm 1938, nữ phi công Hanna Reitsch lái nó bay lơ lửng bên trong nhà thi đấu Deutschlandhalle ở Berlin, chứng minh trực thăng có thể bay tại chỗ chính xác trong không gian kín.
Sikorsky VS-300 (1939)
Igor Sikorsky sinh ở Kyiv năm 1889, từng thử làm trực thăng từ năm 1909 nhưng thất bại vì động cơ quá yếu. Ông chuyển sang làm máy bay cánh cố định và thuỷ phi cơ, sang Mỹ lập nghiệp, rồi gần ba mươi năm sau quay lại giấc mơ cũ. Chiếc VS-300 nhấc lên lần đầu ngày 14/09/1939 khi còn buộc dây, và bay tự do từ tháng 5/1940.
Điểm quyết định của VS-300 là cách bố trí: một cánh quạt chính lớn, một cánh quạt nhỏ đặt dọc ở đuôi để đẩy ngang chống mô-men xoắn. Sikorsky thử rất nhiều cấu hình trên cùng một khung, có lúc gắn ba cánh quạt đuôi, trước khi chốt lại kiểu đơn giản nhất. Cách bố trí ấy là kiểu phổ biến nhất của trực thăng hiện nay. Sikorsky thường tự lái thử, đội chiếc mũ phớt quen thuộc.
Trực thăng điều khiển thế nào
Phi công trực thăng dùng cả hai tay và hai chân, mỗi thứ một việc:
- Cần tổng (collective), tay trái: kéo lên thì mọi lá cánh cùng tăng góc nghiêng, tăng lực nâng, trực thăng lên cao; hạ xuống thì ngược lại.
- Cần lái chu kỳ (cyclic), tay phải: nghiêng đĩa cánh quạt về hướng muốn đi. Mỗi lá cánh đổi góc liên tục trong mỗi vòng quay nhờ một bộ phận gọi là đĩa nghiêng (swashplate).
- Bàn đạp: tăng giảm lực đẩy của cánh quạt đuôi để xoay mũi trực thăng sang trái, sang phải.
Một câu hỏi người ta hay hỏi: trực thăng chết máy thì sao? Câu trả lời là tự quay (autorotation). Phi công hạ cần tổng, để trực thăng hạ độ cao; luồng khí đi từ dưới lên giữ cho cánh quạt tiếp tục quay như cối xay gió. Sát mặt đất, phi công kéo cần tổng để dùng quán tính của cánh quạt hãm lại và tiếp đất. Đây là bài tập bắt buộc trong mọi khoá học lái trực thăng.
Các kiểu trực thăng
| Cấu hình | Cách chống mô-men xoắn | Ví dụ |
|---|---|---|
| Một cánh quạt chính + cánh quạt đuôi | Cánh quạt đuôi đẩy ngang | Phần lớn trực thăng: Bell 206, Robinson R44, Airbus H125 |
| Cánh quạt đuôi trong ống (fenestron) | Quạt nhiều lá nằm trong đuôi, an toàn hơn khi gần người | Aérospatiale Gazelle, nhiều mẫu Airbus Helicopters |
| Đồng trục | Hai cánh quạt chồng nhau quay ngược chiều | Các mẫu của hãng Kamov (Nga) |
| Hai cánh quạt trước sau | Hai cánh quạt quay ngược chiều ở mũi và đuôi | Trực thăng vận tải hạng nặng |
| Không cánh quạt đuôi (NOTAR) | Thổi khí qua khe ở đuôi | MD 520N |
Sau năm 1950, động cơ tua-bin khí thay dần động cơ piston: nhẹ hơn, mạnh hơn, ít rung. Chiếc Alouette II của Pháp, bay năm 1955, là một trong những trực thăng tua-bin sản xuất loạt đầu tiên. Năm 1946, chiếc Bell 47 của Mỹ trở thành trực thăng đầu tiên được cấp chứng nhận cho dân dụng, mở đường cho trực thăng phun thuốc nông nghiệp, cứu hộ, chở người.
Trực thăng hôm nay: những việc chỉ nó làm được
Trực thăng tốn nhiên liệu, ồn và chậm hơn máy bay cánh cố định. Nhưng nó cất hạ cánh ở bất cứ khoảng đất nào đủ rộng và bay lơ lửng tại chỗ, nên giữ vai trò không thay được trong cứu hộ núi và biển, cấp cứu y tế đưa người bệnh từ nơi xa về bệnh viện, chở người ra giàn khoan dầu khí ngoài khơi, chữa cháy rừng, cẩu lắp thiết bị lên nóc toà nhà hay cột điện trên núi.
Ở Việt Nam, Tổng công ty Trực thăng Việt Nam khai thác trực thăng cho các dịch vụ dân sự như bay phục vụ dầu khí ngoài khơi phía Nam, bay cấp cứu, tìm kiếm cứu nạn và một số tour bay ngắm cảnh. Những tour ngắm vịnh Hạ Long bằng trực thăng là cách dễ nhất để người thường được ngồi trên một chiếc trực thăng.
Hai kỷ lục cho thấy trực thăng đã đi xa thế nào. Ngày 14/05/2005, phi công Pháp Didier Delsalle đáp một chiếc Eurocopter AS350 B3 xuống đỉnh Everest cao 8.848 m, nơi không khí loãng đến mức cánh quạt gần như không bám được. Và ngày 19/04/2021, chiếc trực thăng nhỏ Ingenuity của NASA cất cánh trên sao Hoả, chuyến bay có động cơ được điều khiển đầu tiên trên một hành tinh khác, đúng nguyên lý của chiếc chong chóng tre năm nào.
Câu hỏi thường gặp
Ai phát minh ra máy bay trực thăng?
Không có một người duy nhất. Paul Cornu được ghi nhận nhấc khỏi mặt đất năm 1907, Juan de la Cierva giải bài toán lực nâng không đều bằng autogiro năm 1923, Henrich Focke làm chiếc Fw 61 bay ổn định năm 1936. Igor Sikorsky với chiếc VS-300 năm 1939 tạo ra kiểu bố trí một cánh quạt chính và cánh quạt đuôi được dùng phổ biến đến nay, nên thường được gọi là cha đẻ trực thăng hiện đại.
Vì sao trực thăng cần cánh quạt đuôi?
Khi động cơ làm cánh quạt chính quay một chiều, thân trực thăng bị đẩy xoay theo chiều ngược lại. Cánh quạt đuôi tạo lực đẩy ngang để giữ thân đứng yên và giúp phi công xoay mũi trực thăng bằng bàn đạp. Một số loại dùng cách khác như hai cánh quạt quay ngược chiều.
Trực thăng chết máy có rơi không?
Không rơi thẳng. Trực thăng có thể hạ cánh bằng cách tự quay: luồng khí đi lên giữ cho cánh quạt tiếp tục xoay, phi công dùng quán tính của cánh quạt để hãm lại sát mặt đất. Đây là kỹ năng bắt buộc khi học lái trực thăng.
Trực thăng và autogiro khác nhau thế nào?
Ở trực thăng, động cơ quay cánh quạt chính để tạo lực nâng, nên bay lơ lửng tại chỗ được. Ở autogiro, cánh quạt trên nóc tự xoay nhờ gió khi máy bay được một cánh quạt thường kéo đi, nên autogiro phải luôn tiến về phía trước và không bay đứng yên được.
Trực thăng bay cao được bao nhiêu?
Phần lớn trực thăng dân dụng hoạt động dưới 3.000–4.000 m vì không khí loãng làm giảm lực nâng. Một số loại đặc biệt bay cao hơn nhiều: năm 2005, một chiếc Eurocopter AS350 B3 đã hạ cánh trên đỉnh Everest cao 8.848 m.
