Máy bay

Máy bay, còn được gọi theo âm Hán – Việt là phi cơ (飛機) hay cách gọi dân dã là tàu bay hay tầu bay, là phương tiện bay hiện đại, cao cấp, ngày nay đóng vai trò không thể thiếu trong kinh tế và đặc biệt trong quân sự. Máy bay dân dụng là phương tiện chuyên chở chính của ngành giao thông vận tải hàng không dân dụng, và trong quân sự, máy bay chiến đấu tạo thành quân chủng không quân. Trong quân sự và kinh tế, dân dụng máy bay có vai trò ngày càng quan trọng: trong giao thông vận tải, hàng không dân dụng, lượng hành khách và hàng hóa chuyên chở bằng máy bay chiếm tỷ trọng rất lớn và ngày càng lớn vì ưu thế nhanh chóng và an toàn của loại hình giao thông vận tải này. Máy bay là phương tiện vận tải hiện đại đòi hỏi các đảm bảo kỹ thuật rất khắt khe do các tai nạn máy bay thường gây thiệt hại rất lớn về nhân mạng và tài sản. Tuy vậy, giao thông vận tải hàng không vẫn là loại hình có độ an toàn cực cao, xác suất rủi ro cực thấp nếu so sánh với các loại hình giao thông vận tải khác. Cho đến hiện nay công nghiệp chế tạo máy bay là ngành công nghiệp mũi nhọn – công nghệ cao chỉ có các cường quốc kinh tế trên thế giới mới thực hiện được và là ngành định hướng công nghệ cho các ngành công nghiệp khác. Hiện nay quốc gia chế tạo máy bay cả dân dụng và quân dụng đứng đầu thế giới là Hoa Kỳ, sau đó đến Pháp và các nước công nghiệp hàng đầu châu Âu, Nga...
Máy bay là loại khí cụ bay nặng hơn không khí, bay được là nhờ lực nâng khí động lực học. Thuật ngữ "máy bay" thì thường được hiểu là loại có cánh nâng cố định, nhưng cũng có thể hiểu là bao gồm cả loại máy bay trực thăng (xem phân loại khí cụ bay).

Đối với trực thăng

Máy bay có cánh cố định khi bay bản thân đã là một hệ cân bằng bền: bất cứ tác nhân nào đưa nó ra khỏi trạng thái cân bằng thì đều làm phát sinh các lực và mô men khác đưa máy bay vào trạng thái cân bằng mới. Ngược lại trực thăng là một hệ cân bằng không bền, điều khiển nó là rất phức tạp và tất cả sự điều khiển đều thông qua cánh quạt nâng.
Để tạo lực đẩy ngang cho chuyển động ngang, mặt phẳng cánh quạt nâng sẽ nghiêng đi một góc so với mặt phẳng ngang. Lực nâng khí động học vuông góc với mặt phẳng cánh quạt nâng khi đó sẽ phân tích thành hai vector lực: một theo phương thẳng đứng để tạo lực nâng thắng trọng lực, một theo phương ngang để trực thăng chuyển động ngang. Cánh quạt nâng nghiêng thấp về bên nào trực thăng bay về bên đó.
Cơ cấu nghiêng cánh quạt nâng được thực hiện thông qua hệ thống thay đổi góc tấn của từng cánh theo chu kỳ tùy theo vị trí của cánh so với thân máy bay trực thăng, điều này tạo sự chênh lệch lực nâng tại các phía khác nhau của đĩa cánh quạt nâng và làm phát sinh mô men làm nghiêng đĩa cánh quạt nâng và thân máy bay. Đây là một cơ cấu rất phức tạp (xem cơ chế điều khiển máy bay trực thăng)

Thế kỷ 19

Vào thế kỷ 19 với cách mạng khoa học kỹ thuật bùng nổ ở châu Âu và Mỹ con người đã có các nền tảng để bay vào không khí: đó là lý thuyết về thuỷ khí động lực học với các nhà khoa học đi đầu như Daniel Bernoulli, George Cayley, và ở Nga có Nikolai Yegorovich Joukowski (Николай Егорович Жуковский)...trong đó liên quan trực tiếp để bay được là các lý thuyết và tính toán về lực nâng khí động lực học hay còn gọi là lực nâng Joukowski đã được Joukowski trình bày rất rõ ràng khi sáng lập ngành khoa học thuỷ khí động lực học. Sự ra đời của các thế hệ động cơ có công suất lớn gấp nhiều lần sức người mở ra triển vọng thắng trọng lực để bay thực sự vào không khí.
Từ đầu đến cuối thế kỷ 19 một loạt các nhà tiên phong hàng không đã tiến hành các thí nghiệm bay thành công với lực nâng khí động học bằng tàu lượn như Otto Liliental người Đức đã bay được bằng thiết bị với các cơ cấu bay và lái giống như diều Delta (Deltaplane) mà ngày nay là một ngành thể thao rất phát triển; Huân tước George Cayley người Anh đã dùng thiết bị có động cơ bay được nhưng vẫn không thể tự cất cánh mà vẫn phải dùng ngựa kéo. Một người Pháp là Jean-Marie Le Bris với máy bay L'Albatros artificial có động cơ với trợ lực sức ngựa kéo đã cất cánh và bay lên được độ cao 100 m và xa 200 m... Tất cả các nguyên nhân chính ngăn cản phát triển của hàng không trong thời kỳ này là chưa có một động cơ tốt vừa nhỏ nhẹ vừa phát huy được công suất lớn vì thời kỳ đó con người vẫn chỉ dùng động cơ hơi nước rất nặng nề, có chỉ số công suất riêng (mã lực/kg) thấp và chưa có nghiên cứu chuyên ngành về khí động lực học nên các nhà tiên phong của Hàng không chỉ làm theo kinh nghiệm mò mẫm, hiệu suất lực nâng không cao đòi hỏi diện tích cánh phải rất lớn, nặng nề và chưa có hình dạng thích hợp để bảo đảm vừa có lực nâng tốt vừa có độ vững chắc của kết cấu cánh.

Chiến tranh thế giới thứ nhất

Liên tiếp trong các năm trước thế chiến thứ nhất việc chế tạo máy bay được đẩy mạnh bởi các con người nhiệt huyết và các công ty. Người ta tổ chức các giải thưởng rất lớn cho nhiều cuộc thi hàng năm bay xuyên biển La Manche giữa Paris và London, các cuộc thi này đã góp phần rất lớn cho việc hoàn thiện công nghệ máy bay. Việc nghiên cứu máy bay bây giờ đã không còn là việc của những người nhiệt huyết tiên phong nữa mà đã là cạnh tranh của các quốc gia và các hãng lớn.
Cũng như mọi ngành tiên phong khác máy bay được ứng dụng đầu tiên cho mục đích quân sự và ở thế chiến thứ nhất lần đầu tiên máy bay tham chiến như một lực lượng quân sự mới và sau này trở thành lực lượng không quân của các quốc gia. Và chiến tranh là động lực rất mạnh để hoàn thiện máy bay. Máy bay của thời kỳ này tất cả đã có thân vỏ hình dạng thích hợp để tăng hiệu suất khí động học, vỏ căng bằng vải hoặc ốp bằng gỗ, vẫn chưa có cabin kín cho phi công. Cũng như trước kia lực đẩy vẫn bằng cánh quạt, nhưng để hợp lý cấu trúc máy bay và tăng hiệu suất khí động học và cơ học, các cánh quạt đều là loại kéo tải thay vì đẩy tải như một số các mẫu cũ ở đầu thế kỷ. Do vận tốc còn thấp nên để tăng lực nâng cần diện tích cánh lớn, máy bay có 2 tầng cánh nâng (Biplane). Về vũ trang: súng máy lắp trên cánh hoặc trước mặt phi công hoặc nếu máy bay có hai chỗ ngồi thì người ngồi sau bắn súng máy, hết đạn thì phi công rút súng lục ra bắn nhau. Máy bay có thể không chiến bằng súng hoặc tấn công quân bộ bằng súng hoặc bằng cách thả lựu đạn, ngoài ra còn để tiến công khinh khí cầu của đối phương, tiến hành trinh sát và liên lạc đưa thư. Mẫu máy bay nổi tiếng nhất thời kỳ này là máy bay Sopwith Camel của Anh với các thông số chính như sau: kích thước dài × sải cánh × cao: 5,7 × 8,5 × 2,5 m; Khối lượng rỗng/có tải: 430/672 kg; Vận tốc Max/thiết kế: 180/92 km/h; trần bay 6.400 m; động cơ: 9 xi lanh 150 mã lực.

Sau đại chiến II, chiến tranh lạnh và hiện nay

Sau đại chiến, kỹ thuật máy bay phát triển rất mạnh theo nhiều hướng khác nhau nhưng có thể thấy vài điểm chính đặc trưng cho giai đoạn này là: phát triển động cơ, phát triển cấu trúc máy bay, phát triển các công năng đặc dụng, phát triển theo công nghệ cao và phát triển trực thăng.

Cấu trúc máy bay

Sự thay đổi cấu trúc máy bay chủ yếu diễn ra ở máy bay chiến đấu, đi liền với sự thay đổi tốc độ và các thay đổi về công nghệ khác. Dạng khí động học hợp lý cho siêu thanh khác xa với mức dưới âm thanh nên hình thù cánh và thân thay đổi rất nhiều và dần dần có dạng "delta" (mũi tên). Và như loại máy bay ném bom B-2 Spirit tàng hình của Hoa Kỳ hiện nay thì đã không còn ranh giới giữa cánh và thân: máy bay có hình dạng như cá đuối. Một số loại máy bay có dạng "cánh cụp cánh xòe" như B1, F-111, F-22 Raptor của Hoa Kỳ, MIG-23 của Liên Xô là loại có hình dạng và diện tích cánh có thể thay đổi tùy theo yêu cầu tốc độ và tải trọng. Các loại cao tốc như MIG-25 của Liên Xô, của Mỹ có 2 đuôi, và một số loại khác như Eurofighter của châu Âu có cánh phụ nhỏ (canard) ở phía trước.

Các công năng đặc dụng

Các công năng đặc dụng chỉ phát triển cho một số loại đặc dụng như máy bay phản lực cất cánh, hạ cánh thẳng đứng để bố trí tại nơi không có đường băng, loại này có cửa phụt phản lực theo chiều thẳng đứng cho phép máy bay hạ cánh, cất cánh thẳng đứng như một số loại của Anh, Mỹ, Liên Xô điển hình nhất là loại Harrier Jump Jet và F-35 Lightning II của Anh. Thủy phi cơ: cất cánh, hạ cánh trên mặt nước...

Công nghệ cao

Các máy bay của thời kỳ này có những công nghệ rất cao, nhất là công nghệ vật liệu và thiết bị điện tử, viễn thông, máy tính tự động hoá... Trên máy bay có rất nhiều hệ thống radar và chống radar, hệ thống nhận biết địch – ta, hệ thống định vị, dẫn đường... và các phương tiện đấu tranh điện tử. Đặc biệt đến cuối thế kỷ 20 Hoa Kỳ cho ra đời các loại máy bay với công nghệ tàng hình không bị phát hiện bằng sóng radar là B-2 và F-117.

Phát triển trực thăng

Ngay từ đầu thế kỷ 20 song hành cùng máy bay cánh cố định, trực thăng cũng đã được nghiên cứu phát triển, nhưng vì những khó khăn về kỹ thuật trong vấn đề cộng hưởng, độ ổ định, vật liệu, điều khiển... nên trực thăng phát triển rất chậm chạp so với máy bay cánh cố định. Chỉ sau thế chiến II các vấn đề kỹ thuật rất phức tạp trên mới được giải quyết tạo sự ứng dụng đại trà cho trực thăng vào các lĩnh vực cuộc sống, kinh tế và đặc biệt trong quân sự. Vì các ưu việt rất độc đáo là khả năng cất cánh, hạ cánh thẳng đứng không cần đường băng và khả năng bay đứng treo một chỗ của loại máy bay này mà trong các năm 1950, 1960 đã xảy ra sự bùng nổ của trực thăng và tiếp diễn đến bây giờ.
Máy bay trực thăng của thời kỳ này được trang bị động cơ tuốc bin khí với công suất rất lớn, tải trọng rất mạnh, với đầy đủ cơ cấu điều khiển cho phép loại máy bay này có tính cơ động rất cao và rất đa dạng theo các phương án thiết kế. Và đến những năm 1970 – 1980 thì trực thăng dường như đã đạt đến độ hoàn thiện của nó.

Tương lai phát triển

Vào năm 2006, động cơ tuốc bin khí chưa sử dụng hết tiềm năng của nó nên trong tương lai gần chưa thấy có xu hướng loại bỏ động cơ này cho máy bay thông thường, mà chỉ hoàn thiện nó và kết hợp với các loại động cơ khác.
Một trong những hướng phát triển rất tiềm năng của máy bay và động cơ máy bay trong tương lai là kết hợp tính chất của máy bay với tính chất của tên lửa để phục vụ cho du lịch vũ trụ thương mại. Hướng này thực ra đã bắt đầu từ những năm 1980 của thế kỷ 20 với chương trình tàu vũ trụ con thoi (space shuttle) của NASA Hoa Kỳ. Nhiệm vụ của hướng này ngày nay là làm sao có chi phí rẻ hơn để có thể thương mại hoá. Để giảm bớt trọng lượng phóng và gia tốc ban đầu và tất nhiên là chi phí, NASA đang cùng một số công ty lớn của Hoa Kỳ đang thử nghiệm một số loại máy bay – tên lửa phóng từ máy bay mẹ trên các tầng khí quyển cao nhất, loại tàu như vậy có thể thâm nhập vũ trụ và trở về Trái Đất bằng phương thức máy bay với một chi phí chấp nhận được.
Hướng nghiên cứu lắp thêm động cơ tên lửa đẩy cho máy bay thương mại và quân sự cũng đã được triển khai để tăng tốc và đặc biệt quan trọng để phóng máy bay giảm độ dài đường băng, tuy nhiên có vẻ như hướng này đang bị từ chối cho máy bay thương mại trong thời gian trước mắt.
Đối với máy bay phản lực chiến đấu ngoài yếu tố phát triển theo công nghệ cao với mức độ tối đa vũ trang điện tử, viễn thông, tự động hoá, công nghệ tàng hình... còn có hướng kết hợp lực nâng khí động học cổ điển của máy bay và lực nâng phản lực của động cơ (mà máy bay phản lực cất cánh, hạ cánh thẳng đứng là một ví dụ).
Trong các thiết kế của Nga, Hoa Kỳ cho các mẫu máy bay chiến đấu sau cùng của họ ví dụ F-22 Raptor và đặc biệt là máy bay Sukhoi Su-27 và các đời SU cuối của Nga đã phát triển các cơ cấu dẫn hướng luồng khí phản lực cho phép máy bay có các động tác "trượt", "trườn", "lắc", "vặn" rất tinh xảo, tính cơ động linh hoạt cực tốt, máy bay dường như "không còn quán tính". Tính năng này sẽ cực kỳ lợi hại khi cơ động tránh tên lửa và luôn chiếm ưu thế vị trí khi không chiến. Xu hướng này là tất yếu cho chế tạo các dòng máy bay chiến đấu sau này và sẽ dần dần dẫn đến khả năng máy bay có thể biểu diễn "kung fu", lộn vòng trên không mà vẫn đứng yên một chỗ, hiện nay xu hướng này đang gặp khó khăn về yếu tố tính kinh tế, nhưng khó khăn này không phải là quá lớn.
Đối với máy bay dân dụng thương mại thì ưu tiên hàng đầu trong hướng nghiên cứu là tăng tính an toàn và tính kinh tế: hiện nay đang có các phương án nghiên cứu hệ thống dù cho cả khoang hành khách của máy bay và đã có dự án "tàu cứu hộ trên khoang" để sơ tán hành khách khi gặp nạn. Để chống cháy nổ máy bay sẽ sử dụng các nguyên vật liệu không thể cháy, hiện nay các việc này sẽ làm tăng chi phí hàng không lên quá nhiều, đây đang là đề tài cho các công nghệ nhất là công nghệ vật liệu áp dụng cho máy bay... Để tăng tính kinh tế, xu hướng chế tạo máy bay hành khách thương mại là tăng kích thước, số ghế hành khách và trong tương lai rất gần sẽ là thời đại của các loại máy bay thân lớn khổng lồ, chở trên 1000 người, có thể bay không ngừng vòng quanh thế giới không cần tiếp nhiên liệu...
Các máy bay siêu thanh Concorde và Tupolev Tu-144 trong thế kỷ 20 nói chung không được thị trường hàng không tiếp đón nồng nhiệt ngoài yếu tố giá cả còn có yếu tố tiếng ồn đối với thành phố. Một trong những hướng nghiên cứu khí động thân và động cơ máy bay cho thế kỷ 21 là làm sao triệt tiêu được tiếng ồn của máy bay mà vẫn duy trì tốc độ siêu thanh...
Đó mới chỉ là những điều rõ ràng trong sự phát triển trong tương lai rất gần còn các nghiên cứu thì vẫn còn là bí mật của các nhà sản xuất máy bay, mà chính những nghiên cứu đó quyết định xu hướng phát triển của máy bay trên thế giới.

Phân loại

Sự phân loại máy bay là rất phong phú tùy theo tiêu chuẩn phân loại: