Ý tưởng về một máy bay cất cánh thẳng đứng
Đã có nhiều khái niệm về máy bay cánh quay cất cánh thẳng đứng được giới thiệu kể từ khi Leonardo da Vinci phác họa lần đầu vào năm 1483.
Tuy nhiên chưa có chiếc nào trở thành hiện thực cho đến khi Louis Breguet và Rene Dorand ở Pháp chế tạo thành công máy bay trực thăng có cánh quạt rotor đồng trục và cất cánh lần đầu tiên vào năm 1935.
Sau đó với sự xuất hiện mẫu trực thăng có rotor chính đơn và rotor đuôi của Igor Sikorsky trong năm 1939, trực thăng nhanh chóng được chấp nhận trong cả lĩnh vực quân sự lẫn dân sự trên toàn thế giới do khả năng đặc biệt của nó.
Phác họa của Leonardo da Vinci về máy bay cất cánh thẳng đứng - Ông tổ của các loại trực thăng sau này
Máy bay cất cánh thẳng đứng trong Chiến tranh Thế giới thứ 2
Chiến tranh Thế giới thứ 2 cũng xuất hiện ý tưởng dùng máy bay cánh cố định cất cánh thẳng đứng. Trước đó chưa bao giờ có đủ lý do để theo đuổi khái niệm này, do các máy bay ngày nay yêu cầu quãng đường cất cánh ngắn kể cả trên nền đất, sân bay dã chiến.
Không quân Đức Quốc Xã (Luftwaffe) là người quan tâm đến khái niệm này nhất, chủ yếu do máy bay tiêm kích phản lực mới nhất của họ là Me 262 yêu cầu đường băng cất cánh dài có chuẩn bị trước, trong khi đa số các sân bay của họ đã bị quân Đồng Minh ném bom gây hư hỏng nặng.
Cách làm đơn giản nhất là lắp thêm động cơ rocket ở phía sau và dựng đứng thân máy bay lên, hay còn gọi là “đuôi ngồi” (Tail-Sitter), trông nó như một quả rocket có người lái.
Điều này đã được thực hiện trên chiếc Bachem Ba-349-A1 Natter, máy bay đánh chặn cuối cùng của Đức Quốc Xã. Được chế tạo theo yêu cầu của SS và Luftwaffe, Ba-349-A1 sẽ cất cánh thẳng đứng từ giàn phóng và bay xung quanh khu vực được hướng dẫn từ radar mặt đất.
Khi thấy máy bay ném bom của Đồng Minh, nó sẽ tiếp cận và tiêu diệt chúng bằng 24 quả rocket 73 mm. Sau khi tấn công, phi công sẽ thoát ly bằng cách nhảy dù, máy bay cũng được bật dù và đáp xuống đất.
Máy bay Ba-349-A1 Natter cất cánh từ giàn phóng
Chỉ có 1 chuyến bay thử nghiệm được thực hiện và thất bại. Ba-349-A1 Natter cất cánh khỏi mặt đất khoảng 150 m và phi công mất kiểm soát, máy bay tiếp tục bay lên 1.524 m trước khi bị quay phẳng (flat spin) và rơi gần bãi phóng, làm thiệt mạng phi công thử nghiệm Lothar Siebert.
Sau đó không một chuyến bay nào được thực hiện nữa. Khi quân Đồng Minh chiếm giữ khu vực này, họ phát hiện 200 khung thân Ba-349-A1 Natter đã hoàn thành.
Để tiêu diệt máy bay ném bom, phía trước mũi Ba-349-A1 Natter được lắp 24 quả rocket 73 mm
Ý tưởng về máy bay cất hạ cánh thẳng đứng ở Mỹ
Sau Ba-349-A1 Natter, người Mỹ nảy ra ý tưởng về một phi cơ cất hạ cánh thẳng đứng (Vertical Attitude Or Landing/VATOL) hay còn được biết với tên VTOL (Vertical Takeoff Or Landing). Kết quả là Ryan X-13 Vertijet do Ryan Aeronautical Company chế tạo ra đời theo yêu cầu của Hải quân Mỹ.
Máy bay sử dụng động cơ phản lực thay vì rocket và đặt thẳng đứng như Ba-349-A1 Natter. X-13 được nghiên cứu với hệ thống có tên “Reaction Control” gồm các vòi phụt nhỏ được lắp ở đầu cánh để giúp máy bay thăng bằng khi treo lơ lửng hoặc bay trong tình trạng không khí động học.
Vào ngày 30/5/1951, X-13 lần đầu cất cánh, bay lơ lửng bằng động cơ phản lực và thành công. Tuy nhiên phía quân đội dường như ít quan tâm đến mẫu thử nghiệm này nên chương trình bị hủy, nhưng X-13 đã chứng minh được phản lực cơ có thể cất/hạ cánh thẳng đứng và dễ dàng điều khiển.
X-13 Vertijet, máy bay thử nghiệm cất/hạ cánh thẳng đứng của Mỹ. Giống như Ba-349-A1 Natter, nó cũng được thiết kế theo kiểu “đuôi ngồi” và cất cánh theo chiều thẳng đứng
X-13 được nghiên cứu với hệ thống có tên “Reaction Control” với các vòi phụt nhỏ lắp ở đầu cánh để giúp máy bay thăng bằng khi treo lơ lửng hoặc bay trong tình trạng không khí động học (khoanh đỏ)
Khái niệm VTOL cũng được nhiều công ty khác nghiên cứu, trong đó có Lockheed và Convair.
Khi Hải quân Mỹ đưa ra chương trình chế tạo một máy bay có khả năng cất/hạ cánh thẳng đứng trên hạm, không chỉ là tàu sân bay mà còn trên các tàu chiến bình thường, có 2 công ty nộp đơn dự đấu thầu đó là Lockheed và Convair.
Lockheed đưa ra mẫu XFV-1 trong khi Convair giới thiệu XFY-1 Pogo. Cả 2 đều thuộc kiểu “đuôi ngồi” như X-13 và cùng sử dụng động cơ turbine cánh quạt Allison YT-40A-16 với 2 rotor quay ngược chiều nhau đặt trước mũi.
Mặc dù cả hai đều thử nghiệm cất cánh thành công nhưng khó khăn trong lúc hạ cánh và gây khó chịu cho phi công mỗi khi cất cánh do bị dựng thẳng đứng nên cả hai dự án đã bị hủy bỏ.
Lockheed XFV-1 (trái) và Convair XFY-1 Pogo (phải)
Bell Aircraft Company cũng là một trong những công ty nghiên cứu về VTOL sớm nhất. Trong thập niên 1940, Bell đã nghiên cứu một mô hình máy bay “đuôi ngồi” với động cơ piston cánh quạt cất cánh thẳng đứng, nhưng lúc này lực đẩy của động cơ và công nghệ vẫn chưa cho phép.
Sau những cuộc thử nghiệm của X-13, XFV-1 và XFY-1 Pogo, họ kết luận rằng máy bay nên cất cánh thẳng đứng ở vị trí nằm ngang chứ không nên dựng thẳng như các thiết kế trước, như thế hệ thống điều khiển và máy bay sẽ giữ thăng bằng tốt hơn, đồng thời khiến phi công thoải mái hơn.
Từ khái niệm đó, Bell đưa ra mẫu máy bay thử nghiệm Bell 65 ATV (Air Test Vehicle), sử dụng thân của tàu lượn Schweizer SGS 1-23, cánh của Cessna 170 và càng đáp của trực thăng Bell 47, 2 động cơ phản lực Fairchild J44 được đặt dưới cánh và có thể quay một góc 90 độ hướng xuống mặt đất.
Model 65 cất cánh lần đầu tiên vào tháng 1/1954 và sau 4,5 giờ bay, dự án bị hủy bỏ do động cơ Fairchild J44 là động cơ dành cho tên lửa hành trình, tuổi thọ chỉ có 5 giờ bay.
Bell 65 ATV (Air Test Vehicle) là chiếc máy bay đầu tiên thử nghiệm cất cánh/hạ cánh ở vị trí nằm ngang, không dựng đứng lên như các mẫu thiết kế trước
Tiếp nối sau Model 65, Bell đưa ra Model 68 hay còn gọi là X-14 với vòi phụt có thể đổi hướng (hay còn gọi là vòi phụt vector). Mẫu thử nghiệm này khá thành công và nhờ vòi phụt vector nên không cần động cơ phải quay thẳng đứng, giảm được độ phức tạp trong kỹ thuật.
Tuy nhiên, để giúp máy bay thăng bằng khi cất cánh và hạ cánh, vòi phụt của X-14 phải đặt giữa trọng tâm máy bay. Do vậy động cơ phải di chuyển ra mũi, nơi mà radar, hệ thống điện tử hàng không chủ yếu đặt ở đó.
Với những lý do trên, mẫu thử nghiệm này không được đưa vào hoạt động, mặc dù đây là chiếc phi cơ cất cánh thẳng đứng thành công nhất lúc bấy giờ, mở ra một chương mới cho việc chế tạo động cơ máy bay cất/ hạ cánh thẳng đứng.
Máy bay thử nghiệm Bell Model 68 (hay còn gọi là X-14)
Ngoài sử dụng động cơ có vòi phụt vector đặt tại trọng tâm như X-14, có một số thiết kế bố trí các động cơ nâng riêng lẻ đặt trong thân hoặc cánh như Yakovlev Yak-38 hay Mirage III-V, hoặc dùng luồng phụt từ động cơ phản lực để cung cấp năng lượng cho quạt nâng, điển hình là Ryan XV-5A.
Mirage III-V, máy bay cất cánh/hạ cánh nhờ 8 động cơ phản lực nâng riêng lẻ đặt trong thân. Kiểu thiết kế này cũng hiệu quả tuy nhiên nó chiếm mất diện tích chứa nhiên liệu và các thiết bị điện tử hàng không
Ryan XV-5A Vertifan, cất cánh thẳng đứng nhờ luồng phụt từ động cơ phản lực hoạt động các cánh quạt nâng ở 2 bên cánh máy bay. Kiểu thiết kế này khá phức tạp và chiếm mất diện tích của cánh chính
Tuy nhiên vào năm 1960, kiểu thiết kế máy bay cất/hạ cánh thẳng đứng sử dụng động cơ có vòi phụt vector được áp dụng cho mẫu cường kích mới với sự hợp tác của Mỹ - NATO và trở nên rất nổi tiếng sau này.
Đó chính là dòng máy bay cường kích AV-8B Harrier, mẫu phi cơ cất/hạ cánh thẳng đứng được đưa vào hoạt động nhiều nhất và hiệu quả nhất từ trước đến nay.
(Còn tiếp)
