Vì sao máy bay không cần vẫy cánh như chim?

Vì sao máy bay không cần vẫy cánh như chim?

Cánh máy bay dùng để sinh ra lực năng, khiến máy bay có thể treo lên cao, còn cánh quạt máy bay có tác dụng sinh lực kéo hay lực đẩy khiến máy bay tiến về phía trước. Nếu không có cánh quạt mà chỉ có cánh thôi thì máy bay sẽ biến thành tàu lượn. Tàu lượn phải nhờ một lực khác để lên cao chứ tự mình không thể bay lên. Từ đó có thể thấy trong khi bay, cánh máy bay chỉ có tác dụng nâng, đỡ chứ không tạo ra lực để làm cho máy bay tiến lên được.

Cánh chim không giống như vậy. Chim không có cánh quạt, trên mình chúng không có động cơ pít tông làm quay cánh quạt để kéo chúng về phía trước, lại cũng không có động cơ phản lực phun khí đốt ra phía sau đẩy chúng tiến lên. Động cơ của chim chính là bản thân nó, còn đẩy nó tiến về phía trước là nhờ vào đôi cánh. Vì vậy cánh chim đồng thời hoàn thành hai nhiệm vụ: một là sinh ra lực nâng khiến thân mình treo ở trên cao, hai là sinh ra lực đẩy khiến thân mình chúng tiến về phía trước.

Cánh máy bay cố định chỉ có tác dụng sinh ra lực nâng. Những cánh vỗ được mới có thể đồng thời sinh ra lực nâng và lực đẩy. Cho nên cánh máy bay bất động còn cánh chim thì phải vẫy lên vẫy xuống.

Thế liệu có thể làm cánh máy bay vỗ lên vỗ xuống không? Đó là ý tưởng mà từ xa xưa loài người đã mong muốn mà chưa thực hiện được. Nghiên cứu khí động lực học cho thấy, dùng phương thức bay vỗ cánh tương đối tiết kiệm lực. Nhưng do nguyên lý và hình dạng bên ngoài của cánh vỗ khá phức tạp, nên loài người đến nay vẫn chưa làm chủ được công nghệ này.

Tại sao phải chế tạo máy bay có cánh hướng về phía trước?

Hiện nay, không ít máy bay có cánh hướng về phía sau đã đạt được tốc độ rất cao, thậm chí đã vượt qua tốc độ của âm thanh. Nhưng loại máy bay này cũng có một nhược điểm rất lớn là khi máy bay đạt đến tốc độ cao, luồng không khí có thể chuyển động trên bề mặt máy bay. Khi một phần khí men theo mép cánh chuyển động từ trong ra ngoài, đầu mút phía ngoài cánh máy bay sẽ xuất hiện những rối loạn đáng sợ. Những rối loạn này ảnh hưởng rất lớn đến lực nâng của cánh ngoài máy bay, nghiêm trọng hơn thì nó có thể ảnh hưởng đến hiệu quả điều khiển của tay lái, dẫn đến trường hợp máy bay đang bay có thể tự lăn tròn trên không, gây ra nguy hiểm tới sự an toàn của máy bay và người lái.

Nếu đem so sánh, máy bay có cánh hướng về phía trước không có nhược điểm này. Khi luồng khí chuyển động men theo bề mặt của máy bay, cánh trước sẽ cho luồng khí chuyển động từ ngoài vào trong, làm luồng khi trong cánh có sự phân ly. Do luồng khí đi từ ngoài vào trong có thể tập trung lại, cùng đi qua bề mặt cánh máy bay và không ảnh hưởng chút nào đến lực nâng, lại càng không thể ảnh hưởng tới sự điều khiển hoạt động của máy bay, trạng thái làm việc của tay lái. Như vậy, loại máy bay có cánh hướng về phía trước có đặc tính chuyển động khí tốt hơn, đạt được lực nâng lớn, lực cản lại nhỏ. Một điểm tốt nữa là máy bay chiến đấu có cánh hướng về phía trước có thể hoạt động được trên không với một góc độ lớn làm cho máy bay chiến đấu đạt được tốc độ cần thiết để bắt được các máy bay chiến đấu khác, chiếm ưu thế trên bầu trời.

Tại sao trước đây tất cả các loại máy bay đều có cánh hướng về phía sau? Lý do là vì độ cứng của nguyên liệu tạo nên cánh máy bay trước đây không đủ, nếu máy bay sử dụng loại cánh hướng về phía trước sẽ làm cho khả năng chống bay ngoặt trong lúc bay của động cơ giảm sút rõ rệt. Dưới tác dụng gia tăng của luồng không khí, cánh ngoài của máy bay có thể xuất hiện hiện tượng cong lên trên, cùng với sự gia tăng của lực nâng và góc độ bay thì hiện tượng này tiếp tục tăng lên. Như vậy, sự tuần hoàn không tốt này có thể làm gẫy giữa phần cánh và thân máy bay. Giả sử phải ngăn chặn hiện tượng cánh máy bay rạn nứt thì chỉ còn cách gia tăng độ dày của cánh để tăng cường khả năng chống cong. Nhưng làm như vậy thì trọng lực của máy bay sẽ gia tăng rất nhiều. Thế là các kỹ sư đành phải bỏ qua thiết kế cánh máy bay hướng về phía trước mà phổ biến áp dụng hình thức cánh hướng về phía sau.

Sự ra đời của những loại vật liệu mới đã làm cho máy bay có cánh hướng về phía trước hồi sinh. Cùng với sự gia tăng trong việc tổng hợp các sợi, các loại vật liệu này ngày càng nhẹ hơn, mạnh hơn, cứng hơn, khả năng chống cong vẹo đặc biệt mạnh mẽ. Do vậy, người ta lại đi sâu vào nghiên cứu máy bay có cánh hướng về phía trước. Năm 1984 Mỹ đã nghiên cứu chế tạo ra máy bay thử nghiệm có cánh hướng về phía trước “X – 29A” toàn bằng các vật liệu phức hợp, còn máy bay “S – 27”, là loại máy bay có cánh hướng về phía trước có tính năng ưu việt, tạo tiền đồ phát triển rộng lớn cho kiểu máy bay mới của thế kỷ XXI.

Máy bay đều muốn bay cao phải không?

Nhưng do sự phát triển kỹ thuật phòng không hiện đại, hiện nay có máy bay quân dụng lại ngược lại, nó không yêu cầu bay cao, mà lại mong bay càng thấp càng tốt. Như vậy nghe ra thật khó lý giải, tại sao lại cần bay thấp?

Thì ra máy bay quân dụng bay cao rất dễ bị ra đa của địch phát hiện. Sóng vô tuyến điện trên không do ra đa phát ra khi gặp phải máy bay địch thì sẽ phản xạ lại, hiển thị rõ ảnh của máy bay địch trên màn hình ra đa. Nhưng sóng điện ra đa có một đặc điểm là nó chỉ có thể truyền theo đường thẳng, không thể quay. Nếu máy bay bay được rất thấp, do bề mặt Trái đất lồi lõm, thì ngoài khoảng cách nhất định máy bay sẽ nằm ngoài tầm kiểm soát của ra đa, sóng ra đa không tìm thấy máy bay. Do vậy, để đột phá vào khu vực phòng không của đối phương, máy bay ném bom và máy bay trinh sát hiện đại áp dụng phương pháp bay là là trên mặt đất, gọi là “đột kích phòng không bay thấp”. Do máy bay bay thấp với tốc độ cao gần khu vực của địch, khi bị ra đa của địch phát hiện thì đã nhanh chóng bay đến đỉnh đầu chúng. Như vậy, từ lúc đối phương phát hiện máy bay địch đến ném bom hoặc máy bay chiến đấu cất cánh thì thời gian chuẩn bị cực kỳ ngắn, thậm chí có lúc không kịp trở tay. Chính vì máy bay bay thấp đột phá vào phòng tuyến của đối phương có tính bất ngờ cực mạnh, do vậy cơ hội mà nó bị đánh trả là rất nhỏ.

Bay tốc độ cao là là trên mặt đất không phải là chuyện dễ. Vì trên mặt đất có dãy núi, có công trình xây dựng cao to, một khi không cẩn thận sẽ bị đâm máy bay và tử nạn. Máy bay cao tốc hiện đại có khả năng đột phá phòng không bay thấp đều có một hệ thống theo dõi địa hình, liên tục dùng máy tính để tính toán khoảng cách với mặt đất, tự động điều khiển máy bay bay cao hoặc thấp để tránh nguy hiểm khi va chạm với chướng ngại vật trên mặt đất.

Ngoài máy bay quân sự ra, có loại máy bay dân dụng cũng cần bay là là trên mặt đất. Ví dụ máy bay dùng trong nông nghiệp để phun thuốc trừ sâu và thuốc diệt cỏ thì cần loại máy bay siêu thấp bay cách cánh đồng mấy mét. Nếu bay quá cao, thuốc bột rải từ trên máy bay sẽ bị gió cuốn đi bay lung tung, bay thấp thì mới có hiệu quả. Nhưng loại máy bay tốc độ chậm, không cần lắp ráp hệ thống tự động thăm dò địa hình có giá đắt, chỉ cần nhân viên điều khiển là được.