Máy bay trực thăng là một loại máy bay hoạt động thông qua chuyển động quay của cánh quạt. Không giống như cánh trên máy bay thông thường, cánh quạt của máy bay trực thăng tạo ra lực nâng để đưa chúng bay trên không do vị trí và chức năng của các cánh quay. Máy bay trực thăng có khả năng thực hiện các thao tác mà máy bay thông thường không thể thực hiện được. Để hiểu máy bay trực thăng thực sự bay như thế nào, phải nắm được một số vấn đề cơ bản về thiết kế cánh quạt và lực nâng.

Thiết kế cánh quạt và lực nâng

Lực nâng do cánh máy bay tạo ra có thể được hiểu bằng mối quan hệ giữa vận tốc và áp suất không khí, được gọi là Nguyên lý Bernoulli. Nguyên lý nói rằng khi tốc độ không khí tăng lên thì áp suất giảm xuống và ngược lại. Hình dạng của cánh (cánh máy bay) được thiết kế sao cho tạo ra lực nâng dương khi tiếp xúc với không khí đi vào.

Mặt trên thường tròn và mặt dưới phẳng. Điều này tạo ra một sự khuếch tán, gây ra tốc độ không khí khác nhau ở bề mặt trên và dưới của cánh. Áp suất cao hơn được tạo ra bên dưới cánh và áp suất thấp hơn trên cánh, dẫn đến tạo ra lực nâng.

Máy bay cần rất nhiều dòng khí di chuyển qua cánh để tạo ra lực nâng đủ để bay trên không. Như vậy, máy bay cần có cánh lớn, phải bay nhanh và cần đường băng dài để cất và hạ cánh. Trong khi các cánh quạt của trực thăng được thiết kế tương tự để tạo ra lực nâng, không khí được di chuyển qua các cánh quạt bằng cách quay chúng.

Các cánh quạt tạo ra một luồng không khí khổng lồ nâng trực thăng lên trên. Lực nâng tổng hợp cho phép trực thăng di chuyển thẳng lên xuống, điều mà máy bay thông thường không thể đạt được. Lực nâng đạt được từ cánh quạt cũng cho phép máy bay trực thăng bay lơ lửng trên không mà không di chuyển. Hơn nữa, trực thăng có thể cất cánh và hạ cánh thẳng đứng mà không cần đường băng chuyên dụng.

Các thành phần và chức năng chính

Cánh quạt quay khổng lồ là bộ phận dễ nhận thấy nhất của máy bay trực thăng. Một bộ cánh quạt thông thường (4 cánh) được nối với trục cánh quạt và một khớp xoay, cho phép cánh quạt quay. Một thanh điều khiển được gắn vào mỗi cánh quạt để nghiêng cánh theo góc dốc đứng hơn hoặc thấp hơn, tùy thuộc vào vị trí của đĩa cánh quạt phía trên. Đĩa phía trên quay trên các vòng bi xung quanh đĩa phía dưới tĩnh, cho phép máy bay trực thăng bay lơ lửng và lái.

Điều đáng chú ý là trực thăng không thể bay chỉ với một cánh quạt chuyển động theo một hướng. Định luật chuyển động thứ ba của Newton phát biểu rằng mọi lực tác dụng đều có một phản lực bằng nhau và ngược chiều. Do đó, khi rôto máy bay trực thăng quay quanh trục của nó, cấu trúc có xu hướng quay theo hướng ngược lại. Để chống lại điều đó, một mô-men xoắn ngược được áp dụng. Điều này có thể đạt được bằng cách lắp đặt rôto lớn thứ hai quay theo hướng ngược lại (rôto song song) hoặc lắp một rôto khác trên cùng cột với rôto thứ nhất (rôto đồng trục).

Trong một số thiết kế, mô-men xoắn quay được chống lại bằng cách sử dụng một cánh quạt nhỏ hướng sang một bên gọi là rôto đuôi. Cánh quạt đuôi được cung cấp năng lượng bởi một trục truyền động từ động cơ chạy qua phần đuôi của máy bay trực thăng. Một giải pháp thay thế khác (không có rôto đuôi) sử dụng một luồng không khí được ép qua một lỗ thông hơi trên đuôi để chống lại mômen xoắn của rôto chính. Vây đuôi thẳng đứng cũng có thể giúp chống lại một số mô-men xoắn từ động cơ chính.

Đối với thiết kế một động cơ chính duy nhất, biện pháp dự phòng là cần thiết để đảm bảo máy bay an toàn. Đáng chú ý là trong trường hợp cánh quạt đuôi thứ cấp bị hỏng, máy bay trực thăng sẽ trở nên mất kiểm soát một cách nguy hiểm và thường dẫn đến tai nạn.

Đứng yên tại chỗ và bay theo hướng

Thiết kế khéo léo của cánh quạt cho phép máy bay trực thăng bay lơ lửng giữa không trung hoặc lái theo bất kỳ hướng nào. Có năm điều khiển chuyển động và lái cơ bản dành cho phi công. Đây là hai cần gạt bằng tay được gọi là điều khiển góc tấn toàn bộ (collective pitch) và điều khiển góc tấn theo chu kỳ (cyclic pitch), tay ga (throtle), và hai pê đan chân. Máy bay trực thăng khác biệt ở chỗ nó yêu cầu phi công thực hiện nhiều điều khiển cùng lúc để đạt được các thao tác khác nhau.

Để đạt được trạng thái lơ lửng, lực nâng và trọng lượng phải bằng nhau tại một điểm nào đó trong không khí. Việc tăng và giảm lực nâng được thực hiện bằng bộ điều khiển góc tấn toàn bộ, xác định xem trực thăng đang lên hay đang hạ xuống. Bộ điều khiển tăng hoặc giảm góc nghiêng của cánh quay so với không khí đi vào.

Trong quá trình cất cánh, các cánh quạt phải được đặt ở góc dốc hơn để tạo ra lực nâng tối đa. Phi công phải điều chỉnh lực nâng để đạt được độ cao mong muốn. Khi đó lực nâng phải được thay đổi để bằng trọng lượng của trực thăng. Đáng chú ý, phi công còn sử dụng điều khiển tay ga khi điều chỉnh độ nâng. Tương tự như chân ga của ô tô, tốc độ động cơ tăng hoặc giảm, dẫn đến lực nâng ít nhiều từ các cánh quạt.

Trực thăng bay đi khi lực nâng được tác dụng lên một bên của cánh quạt nhiều hơn bên kia. Cánh quạt xoay qua lại (feathering) trong quá trình quay. Chúng tạo ra một góc dốc hơn ở bên phải so với bên trái, dẫn đến lực nâng ở bên phải nhiều hơn. Điều này làm nghiêng máy bay sang trái và bay đi theo hướng đó. Cơ cấu lái được thực hiện bằng điều khiển thứ cấp, điều khiển góc tấn theo chu kỳ.

Bằng cách thay đổi góc tấn của từng cánh theo chu kỳ sang bên phải, các cánh rôto nghiêng sang một góc dốc ở bên trái, dẫn đến lực nâng ở bên trái nhiều hơn. Góc nông và lực nâng ít hơn sẽ lái trực thăng sang bên phải. Rôto được cung cấp năng lượng bởi trục truyền động, được kết nối với bộ truyền động và hộp số. Truyền động tương tự này cung cấp năng lượng thứ cấp, qua trục quay dài hơn, quay rôto đuôi.

Năng lượng động cơ

Mặc dù một số máy bay trực thăng nhỏ sử dụng động cơ piston, nhưng hầu hết đều sử dụng động cơ tua-bin khí, giống như động cơ được sử dụng trên máy bay thông thường. Máy bay trực thăng có thể có một động cơ đơn hoặc kép cung cấp năng lượng cho cánh quạt. Hầu hết các máy bay trực thăng Bell nhỏ đều có một động cơ duy nhất được gắn nằm ngang ngay phía sau cánh quạt.

Trên các máy bay trực thăng lớn hơn, chẳng hạn như Seahawk quân sự và Apache, động cơ kép được sử dụng để cung cấp năng lượng cho cánh quạt. Hầu hết các máy bay trực thăng hiện đại đều sử dụng động cơ trục tua-bin, trong đó khí nóng từ buồng đốt quay tua-bin trung tâm và trục quay để cung cấp năng lượng cho hệ thống truyền động.