Trực thăng sơ khởi

Lịch sử phát triển máy bay trực thăng gắn liền với lịch sử phát triển Hàng không và lịch sử máy bay có cánh cố định. Ý tưởng về trực thăng còn ra đời trước cả ý tưởng của máy bay thông thường, ngày nay khi nghiên cứu di sản của họa sĩ 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 nay, nó có cánh quạt ngang quay bằng dây chun vặn lại... Nhưng cũng như số phận của máy bay có cánh cố định, các ý tưởng 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 năng lượng để bay.

Song hành cùng các nhà tiên phong của máy bay cánh cố định 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 các mô hình máy bay trực thăng. Ngày 24 tháng 8 năm 1907 lần đầu tiên mô hình trực thăng bay lên được, nó do anh em Louis và Jacque Breguet người Pháp chế tạo dưới sự cố vấn kỹ thuật của giáo sư Charles Richet. Mô hình này hoàn toàn không thể điều khiển nổi và không thể chở nổi người, chỉ 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 thế giới đã thí nghiệm trực thăng đầu tiên của mình vào năm 1908.

Người đầu tiên "bay" lên được bằng trực thăng là nhà sáng chế người Pháp nhà sản xuất xe đạp 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 đầu tiên này rất khó, gần như không điều khiển nổi.

Chiếc máy bay trực thăng đầu tiên có thể điều khiển được do Raul Pateras de Pescara chế tạo và biểu diễn vào năm 1916 tại Buenos Aires, Argentina. Vào năm 1923 nhà tiên phong của lĩnh vực trực thăng người Tây Ban Nha Juan de la Cierva phát minh và áp 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 sơ đồ con đẻ của mình, cho đến nay loại này bị các kiểu trực thăng khác chèn ép chỉ còn ứng dụng trong các loại trực thăng thể thao, giải trí và vẫn là 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 ấn tượng hơn cả vào thập niên 1930 là các thành công của người Đức. Năm 1934 máy bay Focke-Wulf Fw-61 do giáo sư Heinrich Focke và kỹ sư Gerd Achgelis thiết kế chế tạo, với máy bay này nữ phi công huyền thoại của đảng Quốc xã Hanna Reitsch đã thường xuyên bay biểu diễn như các 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 đầu tiên Đức đã sử dụng trực thăng trong chiến đấu đó loại máy bay trực thăng khác có kết cấu rất đặc sắc 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 bộ ngược chiều như bánh răng (để không chém vào nhau) với số lượng rất nhỏ tham chiến trên chiến trường Địa Trung Hải khi chiến tranh kết thúc, Hạm đội Đức phá hủy hết chỉ còn sót lại 3 chiếc được đem về Mỹ thử nghiệm. Có thể nói loại máy bay này là hoàn thiện nhất đương thời, đã có một số yếu tố của máy bay trực thăng hiện đại.

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 hiện đại

Trực thăng AH-64 Apache của Mỹ tiêu diệt xe tăng địch trong 1991

Sự phát triển trực thăng diễn ra cùng thời với máy bay có cánh cố định, nhưng trong khoảng 50 năm từ đầu thế kỷ 20 trong khi máy bay thông thường phát triển cực nhanh thì trực thăng tiến triển rất khó khăn. Máy bay trực thăng chỉ thực sự bắt đầu có ứng dụng rộng rãi ở thập kỷ 1950 trong khi đến thời điểm đó máy bay cánh cố định đã đi từ khung vải của máy bay anh em nhà Wright 1903, qua biplane vỏ gỗ như tiêm kích Softwith Camel của thế chiến I rồi đến các 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 áp dụng đại trà trực thăng thì máy bay cánh cố định đã bước vào thời đại máy bay phản lực.

Nguyên nhân của sự chậm chạp đó của trực thăng chủ yếu là vấn đề cộng hưởng, rung lắc cánh quạt nâng và các vấn đề điều khiển cánh quạt. Tất cả các tác động cơ học – khí động học rất phức tạp làm cánh quạt nâng rất dễ gãy hoặc rơi vào chế độ mất cân bằng. Chỉ đến những năm 1950 sau khoảng năm chục năm khi khoa học vật liệu cho ra đời được các loại thép đặc biệt chịu được các ứng suất rất cao thì khoa học các nước mới giải quyết được các vấn đề rất phức tạp này và máy bay trực thăng mới phát triển 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 lĩnh vực. Và các quốc gia nhất là các 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 hoá" quân đội và các lĩnh vực kinh tế, cuộc sống thì Liên Xô luôn theo đuổi xây dựng các kỷ lục, cố gắng thiết kế các loại máy bay trực thăng khổng lồ "cao hơn – nhanh hơn – mạnh hơn". Các nước châu Âu đặc biệt như Pháp, Ý cũng đầu tư rất nhiều vào trực thăng, hiện nay các mẫu máy bay trực thăng của các nước này là rất có uy tín trên thế giới.

Máy bay UH-1 loại quân đội Mỹ sử dụng rộng rãi nhất trong chiến tranh Việt Nam

Trong các năm 1960, 1970 chiến tranh Việt Nam lần đầu tiên 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 có thể ngay chớp nhoáng đến được mọi nơi chiến sự và bí mật thâm nhập sâu vào vùng đối phương kiểm soát, thậm chí 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 quả... Với kinh nghiệm của cuộc chiến tranh này tất cả lục quân các cường quốc quân sự đều cố gắng xây dựng bộ binh trực thăng vận và các loại trực thăng chiến đấu khác nhau làm thay đổi sâu sắc hình thái chiến đấu chiến tranh hiện đại trên bộ. Đồng thời đây là loại máy bay rất thích hợp để bố trí 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 thiết kế những máy bay trực thăng khổng lồ liên tiếp phá những kỷ lục thế giới như của tổ hợp thiết kế – chế tạo Mil Mi-6, Mi-10, Mi-12... và cuối cùng là trực thăng khổng lồ mạnh nhất thế giới hiện nay (2006) Mi-26. Một tổ hợp trực thăng lớn khác của Liên Xô – Nga là Kamov cũng rất nổi tiếng với "đặc sản" 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).

Máy bay trực thăng UH 1A do hãng Bell của Hoa Kỳ sản xuất năm 1966, đã từng tham chiến tại chiến trường Miền Nam Việt Nam, hiện đang trưng bày trên đỉnh Hòn Me (Hòn Đất, Kiên Giang).

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 dân dụng nhỏ không cần công suất lớn vẫn tiếp 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 tin cậy rất cao và đặc biệt còn dự trữ tiềm năng công suất cho một thời gian rất dài có thể là hàng chục năm nữa.

Đến những năm 1980 – 1990 máy bay trực thăng không còn những bứt phá lớn về nguyên tắc nữa trực thăng đã đạt đến độ hoàn thiện của nó.