Máy bay trực thăng (helicopter ) là một loại máy bay cánh quạt (rotorcraft) trong đó lực nâng và lực đẩy được cung cấp bởi các cánh quạt (rô-to) quay theo chiều ngang. Điều này cho phép máy bay trực thăng cất cánh và hạ cánh thẳng đứng, bay lơ lửng và bay về phía trước, phía sau và ngang. Các thuộc tính này cho phép máy bay trực thăng được sử dụng ở những khu vực đông đúc hoặc biệt lập, nơi máy bay cánh cố định và nhiều loại máy bay cất cánh và hạ cánh trên đường băng ngắn (STOL) hoặc máy bay cất cánh và hạ cánh thẳng đứng (STOVL) không thể thực hiện được nếu không có đường băng.
Năm 1942, Sikorsky R-4 trở thành máy bay trực thăng đầu tiên được sản xuất hàng loạt.
Mặc dù hầu hết các thiết kế trước đó đều sử dụng nhiều hơn một cánh quạt chính, cấu hình của một cánh quạt chính duy nhất đi kèm với một cánh quạt đuôi chống mô-men xoắn thẳng đứng (tức là unicopter, đừng nhầm lẫn với monocopter một cánh) đã trở thành cấu hình máy bay trực thăng phổ biến nhất. Tuy nhiên, máy bay trực thăng cánh quạt chính kép (máy bay cánh kép), ở cấu hình cánh quạt song song hoặc cánh quạt ngang, đôi khi được sử dụng do khả năng chịu tải lớn hơn so với thiết kế cánh quạt đơn và máy bay trực thăng cánh quạt đồng trục, cánh quạt nghiêng và hỗn hợp cũng đang bay ngày nay. Máy bay trực thăng quadrotor (quadcopters) được tiên phong vào đầu năm 1907 tại Pháp và cùng với các loại máy bay trực thăng đa năng khác, đã được phát triển chủ yếu cho các ứng dụng chuyên dụng như máy bay không người lái.
Từ nguyên
Từ máy bay trực thăng trong tiếng Anh được phỏng theo từ tiếng Pháp hélicoptère, do Gustave Ponton d’Amécourt đặt ra vào năm 1861, bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp helix (ἕλιξ) “xoắn, xoắn ốc, xoáy, chập” và pteron (πτερόν) “cánh”. Vì nhiều lý do, từ này thường bị hiểu sai, từ quan điểm từ nguyên, được những người nói tiếng Anh phân tích thành heli- và copter, dẫn đến những từ như helipad và quadcopter. Các biệt danh tiếng Anh cho “máy bay trực thăng” bao gồm “chopper”, “copter”, “heli”, và “whirlybird”. Quân đội Hoa Kỳ, tiếng lóng phổ biến là “helo” được phát âm với một chữ “e” dài.
Đặc điểm thiết kế
Máy bay trực thăng là một loại máy bay cánh quạt trong đó lực nâng và lực đẩy được cung cấp bởi một hoặc nhiều cánh quạt quay theo chiều ngang. Ngược lại, autogyro (trực thăng mà cánh quạt nâng tự quay, không được cấp động lực) và gyrodyne (một loại trực thăng mà rô-to ngang chỉ để nâng và hạ, chuyển động về trước được cấp động lực bằng một hoặc nhiều cách quạt khác) có rô-to quay tự do cho tất cả hoặc một phần của chuyển động bay, dựa vào một hệ thống lực đẩy riêng để đẩy tàu về phía trước, sao cho luồng không khí đặt rô-to quay để cung cấp lực nâng. Máy bay trực thăng hỗn hợp cũng có một hệ thống lực đẩy riêng, nhưng vẫn tiếp tục cung cấp năng lượng cho cánh quạt trong suốt chuyến bay bình thường.
Hệ thống cánh quạt
Hệ thống cánh quạt, hay đơn giản hơn là cánh quạt, là bộ phận quay của máy bay trực thăng tạo ra lực nâng. Hệ thống rô-to có thể được lắp theo chiều ngang, giống như các rô-to chính, cung cấp lực nâng theo chiều dọc hoặc có thể được lắp theo chiều dọc, chẳng hạn như rô-to đuôi, để cung cấp lực đẩy theo phương ngang nhằm chống lại mô-men xoắn từ các rô-to chính. Rô-to bao gồm một cột trụ, trục và cánh quạt.
Cột trụ là một trục kim loại hình trụ kéo dài lên trên từ hộp số. Ở trên cùng của cột trụ là điểm gắn các cánh quạt được gọi là trục. Các hệ thống rô-to chính được phân loại theo cách các cánh rô-to được gắn và di chuyển so với trục. Có ba loại cơ bản: không bản lề, khớp nối đầy đủ và bập bênh; mặc dù một số hệ thống cánh quạt hiện đại sử dụng kết hợp những thứ này.
Chống mô-men xoắn
Hầu hết các máy bay trực thăng đều có một cánh quạt chính duy nhất, nhưng mô-men xoắn được tạo ra bởi lực cản khí động học của nó phải được chống lại bởi một mô-men xoắn ngược lại. Thiết kế mà Igor Sikorsky chọn cho VS-300 của mình là một cánh quạt đuôi nhỏ hơn. Cánh quạt đuôi đẩy hoặc kéo vào đuôi để chống lại hiệu ứng mô-men xoắn và đây đã trở thành cấu hình phổ biến nhất cho thiết kế máy bay trực thăng, thường là ở cuối cần đuôi.
Một số máy bay trực thăng sử dụng các bộ điều khiển chống mô-men xoắn khác thay vì cánh quạt đuôi, chẳng hạn như quạt có ống dẫn (được gọi là Fenestron hoặc FANTAIL) và NOTAR. NOTAR cung cấp mô-men xoắn tương tự như cách cánh phát triển lực nâng thông qua việc sử dụng hiệu ứng Coandă trên cần đuôi.
Việc sử dụng hai hoặc nhiều cánh quạt nằm ngang quay ngược chiều nhau là một cấu hình khác được sử dụng để chống lại tác động của mô-men xoắn lên máy bay mà không cần dựa vào cánh quạt đuôi chống mô-men xoắn. Điều này cho phép năng lượng thường được yêu cầu chuyển hướng để cánh quạt đuôi được áp dụng hoàn toàn cho các cánh quạt chính, tăng hiệu suất năng lượng và khả năng nâng của máy bay. Có một số cấu hình phổ biến sử dụng hiệu ứng quay ngược chiều để mang lại lợi ích cho máy bay trực thăng:
– Cánh quạt song song (Tandem rotors) là hai cánh quạt quay ngược chiều với một cánh quạt được gắn phía sau cánh quạt kia.
– Cánh quạt ngang (Transverse rotors) là một cặp cánh quạt quay ngược chiều được gắn ngang ở các đầu của cánh cố định hoặc cấu trúc chân chống. Hiện được sử dụng trên cánh quạt nghiêng, một số máy bay trực thăng kiểu đầu tiên đã sử dụng chúng.
– Cánh quạt đồng trục (Coaxial rotors) là hai rô-to quay ngược chiều được gắn chồng lên nhau với cùng một trục.
– Cánh quạt xen kẽ (Intermeshing rotors) là hai cánh quạt quay ngược chiều được gắn gần nhau ở một góc vừa đủ để các cánh quạt xen kẽ trên đỉnh máy bay mà không va chạm. Máy bay sử dụng điều này được gọi là máy bay đồng bộ.
– Đa cánh quạt (multirotor) sử dụng ba hoặc nhiều cánh quạt. Các thuật ngữ cụ thể cũng được sử dụng tùy thuộc vào số lượng cánh quạt chính xác, chẳng hạn như tricopter, quadcopter, hexacopter và octocopter cho ba rô-to, bốn rô-to, sáu rô-to và tám rô-to tương ứng, trong đó quadcopter là phổ biến nhất. Multirotor chủ yếu được sử dụng trên máy bay không người lái và rất hiếm khi sử dụng trên máy bay có phi công là người.
Các máy bay có thiết kế tip jet (loại cánh có vòi phun ở đầu mỗi cánh quạt) cho phép cánh quạt tự đẩy trong không khí và tránh tạo ra mô-men xoắn.
Động cơ
Số lượng, kích thước và loại (các) động cơ được sử dụng trên máy bay trực thăng xác định kích thước, chức năng và khả năng của thiết kế máy bay trực thăng đó. Động cơ máy bay trực thăng đầu tiên là các thiết bị cơ khí đơn giản, chẳng hạn như dây cao su hoặc trục xoay, khiến kích thước của máy bay trực thăng chỉ còn là đồ chơi và mô hình nhỏ. Trong nửa thế kỷ trước chuyến bay đầu tiên của máy bay, động cơ hơi nước đã được sử dụng để thúc đẩy sự phát triển hiểu biết về khí động học của máy bay trực thăng, nhưng sức mạnh hạn chế không cho phép chuyến bay có người lái. Sự ra đời của động cơ đốt trong vào cuối thế kỷ XIX đã trở thành bước ngoặt cho sự phát triển của máy bay trực thăng khi các động cơ bắt đầu được phát triển và sản xuất đủ mạnh để cho phép máy bay trực thăng có thể chở người.
Các thiết kế máy bay trực thăng ban đầu sử dụng động cơ chế tạo riêng hoặc động cơ quay được thiết kế cho máy bay, nhưng chúng sớm được thay thế bằng động cơ ô tô và động cơ hướng tâm mạnh hơn. Yếu tố duy nhất, hạn chế nhất của quá trình phát triển máy bay trực thăng trong nửa đầu thế kỷ XX là lượng điện năng do động cơ tạo ra không thể vượt qua trọng lượng của động cơ khi bay thẳng đứng. Điều này đã được khắc phục trong các máy bay trực thăng thành công ban đầu bằng cách sử dụng các động cơ nhỏ nhất hiện có. Khi động cơ phẳng, nhỏ gọn được phát triển, ngành công nghiệp máy bay trực thăng đã tìm thấy một động cơ có trọng lượng nhẹ hơn, dễ dàng thích ứng với các máy bay trực thăng nhỏ, mặc dù động cơ hướng tâm vẫn tiếp tục được sử dụng cho các máy bay trực thăng lớn hơn.
Động cơ tua-bin đã cách mạng hóa ngành hàng không; và động cơ trục tua-bin dùng cho máy bay trực thăng, được Kaman K-225 nói trên đi tiên phong vào tháng 12/1951, cuối cùng đã mang đến cho máy bay trực thăng một động cơ có công suất lớn và trọng lượng thấp. Trục tăng áp cũng đáng tin cậy hơn động cơ pít-tông, đặc biệt là khi tạo ra mức công suất cao bền vững theo yêu cầu của máy bay trực thăng. Động cơ trục tua-bin có thể được thu nhỏ theo kích thước của máy bay trực thăng được thiết kế, để tất cả các mẫu máy bay trực thăng nhẹ nhất hiện nay đều được cung cấp năng lượng từ động cơ tua-bin.
Các động cơ phản lực đặc biệt được phát triển để dẫn động rô-to từ các đầu rô-to được gọi là các động cơ phản lực đầu. Các vòi phun đầu được cung cấp bởi một máy nén từ xa được gọi là các vòi phun có đầu lạnh, trong khi các vòi được cung cấp bởi khí thải đốt cháy được gọi là các vòi phun có đầu nóng. Một ví dụ về máy bay trực thăng phản lực lạnh là Sud-Ouest Djinn và một ví dụ về máy bay trực thăng phản lực đầu nóng là YH-32 Hornet.
Một số máy bay trực thăng điều khiển bằng sóng vô tuyến và máy bay không người lái loại nhỏ hơn, sử dụng động cơ điện hoặc động cơ mô tô. Máy bay trực thăng điều khiển bằng sóng vô tuyến cũng có thể có động cơ pít-tông sử dụng nhiên liệu khác ngoài xăng, chẳng hạn như nitromethane. Một số động cơ tua-bin thường được sử dụng trong máy bay trực thăng cũng có thể sử dụng dầu diesel sinh học thay vì nhiên liệu máy bay.
Ngoài ra còn có máy bay trực thăng sức người (human-powered helicopters).
