Máy bay trực thăng
Nguyên lý hoạt động > Nguyên lý điều khiển bay và tính ổn định

Điều khiển bay của máy bay trực thăng là rất phức tạp, phức tạp hơn nhiều so với máy bay cánh cố định. Tất cả các loại máy bay trực thăng đều có nguyên lý điều khiển chung như sau:
Để thay đổi lực nâng của toàn bộ đĩa cánh quạt nâng nói chung thì thông qua hai cách hoặc đồng thời thay đổi góc tấn chung của tất cả các cánh (góc tấn của lá cánh quạt còn gọi là bước lá cánh quạt) của đĩa cánh quạt và điều này làm thay đổi lực nâng mà không cần tăng giảm số vòng quay của cánh quạt. Cách thứ hai là giữ nguyên góc tấn chung của đĩa cánh quạt nâng nhưng thay đổi công suất động cơ làm thay đổi vận tốc vòng quay và sẽ làm thay đổi lực nâng. Thường thì để tăng giảm lực nâng phi công phải thành thục điều khiển thông qua cả hai cách thức này. Để thay đổi góc tấn đồng đều chung cho mọi cánh, người ta điều khiển bằng cần điều khiển gọi chung theo thuật ngữ tiếng Anh là cần collective (tên đầy đủ là collective pitch control lever nghĩa là điều khiển chung cho tất cả các cánh hay điều khiển tập trung bước lá). Bộ phận điều khiển để thay đổi vận tốc vòng quay cánh quạt nâng theo thuật ngữ tiếng Anh gọi là cần throttle hay cần điều khiển "tay ga".
Để tạo độ nghiêng ngang (nghiêng sang trái, sang phải) cơ cấu điều khiển biến bước sẽ làm thay đổi góc tấn của mỗi cánh (tiếng Anh: blade) theo chu kỳ một vòng quay sao cho góc tấn của mỗi cánh thay đổi tuỳ theo vị trí quay của cánh và gây ra lực nâng cực đại (hay cực tiểu) khi cánh đạt vị trí cực trái (hay cực phải) của máy bay. Điều này sẽ làm lực nâng khí động học sẽ khác nhau tại hai bên trái và phải của trực thăng và sẽ tạo mô men làm thân máy bay nghiêng sang phải, trái tương ứng. Bộ phận điều khiển thay đổi góc tấn của cánh theo chu kỳ quay được gọi theo thuật ngữ tiếng Anh là cần điều khiển cyclic từ này có nghĩa là theo chu kỳ.
Để tạo độ nghiêng dọc (mũi máy bay hướng lên trên hoặc chúc xuống dưới) cũng thực hiện tương tự bằng cơ cấu biến bước như trên nhưng góc tấn thay đổi theo chu kỳ sao cho lực nâng tối đa (hay tối thiểu) khi ở phía trước mũi máy bay hay ở phía sau đuôi máy bay sự chênh lệch lực nâng trên đĩa cánh quạt nâng tại phần mũi và đuôi sẽ làm máy bay chúi đầu xuống hoặc ngóc đầu lên tương ứng. Cần điều khiển cũng vẫn là cần "cyclic" cần này có các vị trí trước – sau – phải – trái. Khi đưa cần sang trái máy bay nghiêng trái và bay ngang sang trái; đưa cần sang phải máy bay nghiêng phải và bay ngang sang phải; đưa cần lên trước thì trực thăng chúc mũi xuống và bay tiến; đưa cần "cyclic" về phía sau thì trực thăng ngóc mũi lên và bay lùi; Để cần cyclic dựng đứng thì máy bay bay treo đứng nguyên tại chỗ. Cần "cyclic" còn vô số các vị trí trung gian khác cho phép đĩa cánh quạt đồng thời nghiêng theo hai chiều không gian phải – trái và trước – sau và sẽ thực hiện các chuyển động tương ứng. Đây chính là cần điều khiển chính quyết định độ nghiêng của mặt phẳng cánh quạt theo các chiều khác nhau và quyết định chuyển động bay của trực thăng. Phi công không bao giờ được rời tay khỏi cần "cyclic" này.
Để tạo lực đẩy ngang cho máy bay bay ngang, mặt phẳng của đĩa cánh quạt nâng phải nghiêng đi một góc so với mặt phẳng ngang, lực nâng Zhukovsky vuông góc với mặt phẳng cánh quạt nâng sẽ bị phân tích lực thành 2 thành phần vector lực một thành phần theo chiều thẳng đứng để cân bằng trọng lực, thành phần khác theo phương nằm ngang để tạo lực đẩy ngang để máy bay chuyển động ngang. Việc này được thực hiện thông qua việc làm cho đĩa cánh quạt nâng nghiêng sang trái – phải (tạo lực đẩy sang trái – phải) hoặc nghiêng về đằng trước – sau (tạo lực đẩy tiến hoặc lùi). Cơ cấu điều khiển nghiêng theo hai chiều này chính là cần "cyclic".
Theo định lý thứ ba của Newton, khi cánh quạt chính của trực thăng xoay theo một chiều thì sẻ có lực phản hồi làm thân trực thăng xoay theo chiều ngược lại. Để trực thăng giữ hướng, một cánh quạt nhỏ hơn ở phần đuôi kết nối với động cơ sẽ tạo lực đẩy theo chiều ngang để cân bằng tác động xoay vòng này. Để đổi hướng (quay đầu sang phải, trái) phi công dùng chân nhấn pê đan chống xoay (anti-torque) khi nhấn lên pê đan này máy bay sẽ thay đổi lực đẩy nơi cánh quạt đuôi, thực hiện động tác đổi hướng theo ý muốn.
Như vậy để điều khiển trực thăng phi công phải kết hợp 4 cơ cấu điều khiển sau:
Cơ cấu "collective": (thay đổi góc tấn của toàn bộ các cánh của đĩa cánh quạt không theo chu kỳ quay) cần này làm thay đổi lực nâng chung của đĩa cánh quạt nâng, dùng để cất cánh, hạ cánh và tăng giảm độ cao
Cơ cấu "cyclic": thay đổi góc tấn của từng cánh theo chu kỳ tuỳ thuộc vào vị trí của cánh so với máy bay, cần này làm thay đổ độ nghiêng của mặt phẳng cánh quạt nâng so với mặt phẳng ngang theo hai chiều phải – trái và trước – sau dùng để chuyển động ngang phải – trái, tiến – lùi
Tay ga ("throttle"): thay đổi vận tốc quay cánh quạt dùng để hạ cánh, cất cánh, thay đổi độ cao và vận tốc chuyển động
Bàn đạp chống xoay ("anti-torque"): để làm máy bay đổi hướng quay đầu sang phải, trái.
Máy bay có cánh cố định khi bay bản thân nó đã là một hệ cân bằng bền, bất cứ một lực hay tác nhân nào cũng đều sẽ làm phát sinh ra các lực hoặc mô men khác để đưa máy bay về vị trí cân bằng mới. Bản chất bay của trực thăng thì ngược lại nó là một hệ cân bằng không bền trong quá trình bay luôn phát sinh ra các lực và mô men làm máy bay mất cân bằng và phi công phải luôn can thiệp. Sự phức tạp của điều khiển bay trực thăng có thể thấy được qua một số ví dụ sau:
Khi máy bay bay thẳng về phía trước cánh quạt ở một bên (ví dụ bên phải) là tiến theo chiều chuyển động của máy bay, còn bên kia (trái) ngược chiều chuyển động của máy bay. Do đó vận tốc tương đối của cánh đối với không khí ở bên phải lớn hơn bên trái điều này dẫn đến lực nâng bên phải máy bay lớn hơn bên trái làm máy bay luôn có xu hướng nghiêng về bên trái nơi có lực nâng thấp và làm máy bay bay chệch hướng, chệch quỹ đạo, bay ngang...Do đó phi công thực tế luôn phải dùng tay giữ cần "cyclic" hơi nghiêng sang phải để cân bằng sự chênh lệch lực nâng này (vận tốc máy bay càng lớn thì sự chênh lệch này cũng càng lớn).
Cũng khi bay bằng nếu vận tốc máy bay cao phía cánh quạt tiến theo chiều máy bay (ví dụ phía phải) có thể có tốc độ tương đối vượt tốc độ âm thanh điều này gây ra bức tường âm thanh, nặng thì gây cộng hưởng, gãy cánh quạt, nhẹ thì làm tụt hiệu suất nâng làm mất lực nâng. Ngược lại bên trái có thể có vận tốc tương đối quá thấp và cộng với góc tấn lớn (do hiệu chỉnh cyclic) có thể làm mất lực nâng ở phia trái làm phía này quay ở chế độ không tải.
Khi xuất hiện ngoại lực hoặc khi phi công điều khiển làm một động tác gì đó thì nhiều khi máy bay mất chế độ cân bằng: phi công đã thôi tác động điều khiển nhưng trực thăng tiếp tục thực hiện chuyển động cũ. Do đó để chấm dứt phi công phải có hành động ngược lại và lại phải tác động ngược lại của ngược lại... làm cho phi công luôn phải điều khiển cân bằng như đang đứng thăng bằng trên quả bóng.
Cánh quạt tạo dòng khí xoáy xuống bên dưới khi máy bay hạ thấp độ cao (ví dụ hạ cánh) có thể rơi vào chính vòng xoáy của mình tạo ra và mất điều khiển, có thể rơi.
Cánh quạt luôn hoạt động trong điều kiện tải trọng biến thiên theo chu kỳ quay nhanh (từ phải sang trái, từ trước xuống sau) rất dễ gây cộng hưởng làm mất điều khiển hoặc xảy ra tai nạn.
Tất cả các hoạt động điều khiển thay đổi góc tấn toàn bộ (collective pitch), góc tấn theo chu kỳ (cyclic pitch), tay ga (throtle), pê đan chống xoay (antitorque pedals) đều ảnh hưởng lẫn nhau. Thí dụ khi cất cánh, phải tăng góc tấn toàn bộ để tăng lực nâng. Nếu có gió hay lên thẳng không cân bằng thì phải dùng góc tấn theo chu kỳ, ảnh hưởng lực nâng, sức cản của cánh quạt và độ xoay của thân trực thăng, và tay ga. Điều này làm cho phi công phải phải luôn điều chỉnh cần cyclic, tay ga và bàn đạp chống xoay không ngừng.
Do đó điều khiển máy bay trực thăng là rất phức tạp và căng thẳng khi tác động lên một cơ cấu điều khiển sẽ làm thay đổi các yếu tố cân bằng khác làm phi công phải luôn giữ cân bằng không bền như đứng thăng bằng "làm xiếc" trên quả bóng. Phi công luôn phải giữ cần "cyclic" là cần điều khiển chính do đó ghế phi công thường bố trí bên phải và bên tay phải (tay thuận) của phi công chỉ có cần cyclic, phi công phải luôn giữ nó bằng tay phải. Cần điều khiển thay đổi góc tấn toàn bộ ở bên tay trái, di chuyển lên xuống tương tự như thắng tay trong xe hơi, với tay ga vặn như mô tô. Chân phi công dẫm lên pê đan chống xoay. Khi làm một động tác nào đó thì phải đồng thời phải điều chỉnh hết các cơ cấu điều khiển khác như đã nói ở trên.