Tại sao chiến đấu cơ cánh ngược chưa thành công?

Hiện nay trên thế giới, các thiết kế máy bay nói chung và chiến đấu cơ nói riêng đều thiết kế theo kiểu cánh xuôi truyền thống (xuôi về phía sau). Bên cạnh đó cũng có một số thiết kế cánh ngược mà điển hình là tiêm kích thử nghiệm Sukhoi Su-47 Berkut của Nga.

So với kiểu cánh truyền thống, thiết kế cánh ngược về phía trước mang lại rất nhiều lợi thế về lực nâng của máy bay, khả năng cơ động cao, duy trì góc tấn lớn ở tốc độ rất thấp, quãng đường cất hạ cánh ngắn hơn. Thiết kế này từng được kỳ vọng sẽ tạo ra cuộc cách mạng trong lĩnh vực công nghệ hàng không.

Tuy nhiên, chưa một mẫu máy bay cánh ngược nào được đi vào phục vụ như một máy bay chiến đấu thực thụ, tất cả chỉ dừng lại ở mức độ thử nghiệm công nghệ cho dù khái niệm này đã ra đời được 77 năm. Vậy đâu là vấn đề?

Khái niệm về thiết kế cánh máy bay ngược về phía trước thay vì xuôi về phía sau như tiêu chuẩn được phát triển bởi một nhóm kỹ sư hàng không của Đức vào năm 1936, một năm có nhiều sự kiện đáng nhớ đối với ngành công nghiệp hàng không.

Nhóm thiết kế nhận ra rằng, kiểu thiết kế cánh ngược này có rất nhiều ưu điểm, lực nâng của máy bay lớn hơn, máy bay ổn định và ít chòng chành hơn so với thiết kế tiêu chuẩn, quãng đường cất hạ cánh ngắn hơn rất nhiều, đặc biệt là máy bay có khả năng cơ động rất cao.

Đến năm 1944, nhà thiết kế Philipp von Doepp biến ý tưởng thành hiện thực, mẫu thử nghiệm Junkers Ju 287 trở thành chiếc máy bay có thiết kế cánh ngược đầu tiên trên thế giới. Ju-287 được dự định phát triển thành một máy bay ném bom cho Không quân Đức.

Thiết kế cánh ngược sẽ giúp máy bay ném bom hiệu quả hơn tại độ cao thấp nơi mà các thiết kế tiêu chuẩn lúc đó gặp rất nhiều khó khăn.

Có 2 mẫu thử nghiệm Ju-287 đã được phát triển thành công, tuy nhiên, dự án đầy tham vọng này nhanh chóng kết thúc khi Đức quốc xã bị đánh bại. Toàn bộ bản vẽ, tài liệu kỹ thuật cùng 2 mẫu thử nghiệm đã rơi vào tay Liên Xô khi họ tiến vào Berlin.

Dựa trên bản vẽ và mẫu thử nghiệm của Đức năm 1948 Liên Xô cho ra đời chiếc máy bay cánh ngược đầu tiên của mình mang tên OKB-1 140. Nó được thiết kế với vai trò máy bay trinh sát ném bom, 2 mẫu thử nghiệm đã được sản xuất nhưng chương trình đã nhanh chóng bị “khai tử” vào năm 1950.

Từ đó những thiết kế cánh ngược nhanh chóng rơi vào quên lãng để nhường chỗ cho những thiết kế tiêu chuẩn. Hai mươi năm sau thất bại của Liên Xô, Mỹ mới bắt đầu thử sức mình với thiết kế cánh ngược, Hãng General Dynamics đã chế tạo một chiếc F-16 có cánh ngược được đặt tên là F-16 SFW.

Tuy nhiên, số phận của F-16SFW cũng nhanh chóng “chết yểu” khi các kỹ sư nhận thấy việc chế tạo cánh ngược là quá phức tạp và tốn nhiều thời gian và chi phí. Đến năm 1981 công ty Grumman quyết định thử sức mình với thiết kế đầy thách thức này. Mẫu thử nghiệm cánh ngược X-29 có chuyến bay đầu tiên vào ngày 14/12/1984.

X-29 được phát triển trên bộ khung và ý tưởng của F-16SFW, nó được bổ sung thêm cánh mũi để tăng độ ổn định và khả năng cơ động. Hai mẫu thử nghiệm đã được chế tạo, X-29 đã đạt được nhiều thành tích ấn tượng, nó là máy bay cánh ngược đầu tiên trên thế giới có thể bay ở tốc độ siêu âm, khả năng duy trì góc tấn lớn ở tốc độ thấp rất cao.

Dù vậy, Grumman cũng nhanh chóng phải “đầu hàng” với thiết kế cánh ngược này, mặc dù được đánh giá rất cao X-29 vẫn không đạt được sự tin cậy cần thiết để đưa vào sản xuất loạt trong khi chi phí khá cao.

Mẫu thử nghiệm mới nhất trong thiết kế cánh ngược là Su-47 Berkut( Đại bàng vàng) do Công ty Sukhoi của Nga chế tạo. Dường như người Nga vẫn chưa muốn từ bỏ những tiềm năng to lớn của thiết kế cánh ngược này. Những tiến bộ về vật liệu mới composite đã làm cho tính khả thi của thiết kế cánh ngược trở nên rõ ràng hơn.

Su-47 có chuyến bay đầu tiên vào ngày 25/9/1997, máy bay đã thể hiện những màn nhào lộn tuyệt vời khiến nhiều người kỳ vọng dự án này sẽ đi vào phục vụ trong Quân đội Nga và chấm dứt số phận hẩm hiu của các thiết kế cánh ngược trước đó.

Các rầm cánh của Su-47 sử dụng tới 90% vật liệu composite để tăng đồ bền cơ học cho máy bay. Các chuyến bay thử nghiệm cho thấy Su-47 đã đạt tốc độ tối đa 1.717km/h, một kết quả rất ấn tượng.

Mặc dù các kết quả thử nghiệm khả thi là vậy nhưng đến nay số phận của chương trình này vẫn không rõ ràng. Su-47 có được tiếp tục phát triển hay chỉ dừng lại ở thử nghiệm công nghệ như các mẫu trước đó vẫn là một ẩn số.

Đối với các máy bay có thiết kế cánh tiêu chuẩn xuôi về phía sau luồng không khí đi qua thân máy bay và dạt ra ngoài theo chiều xuôi của cánh. Điều này khiến lực nâng bị giảm đi, máy bay mất ổn định hơn, nó đòi hỏi diện tích cánh phải lớn để tăng lực nâng. Quãng đường cất hạ cánh dài hơn, tải trọng của máy bay kém hơn, khả năng duy trì góc tấn ở tốc độ thấp gần như không có hoặc rất khó khăn.

Trong khi đó thiết kế cánh ngược về phía trước khiến luồng không khí đi qua thân máy bay và hướng vào bên trong theo chiều xuôi của cánh. Thiết kế này khắc phục hầu hết các nhược điểm nói trên của thiết kế cánh xuôi.

Không may thay, việc luồng không khí hướng vào bên trong tạo ra mô men xoắn rất lớn tại góc chữ V giữa cánh và thân máy bay. Mô men xoắn này tạo ra lực đủ lớn để bẻ gãy cánh của máy bay khi bay ở tốc độ cao. Đây chính là lý do tại sao không một thiết kế cánh ngược nào được đưa vào sử dụng rộng rãi trong quân đội các nước trên thế giới.

Mặc dù sự ra đời của vật liệu composite với độ bền cơ học cao hơn rất nhiều lần so với các vật liệu chế tạo máy bay truyền thống nhưng vẫn không hoàn toàn loại bỏ được các nguy cơ tiềm ẩn xảy ra nứt hoặc gãy cánh khi bay ở tốc độ cao.

Mặt khác, thiết kế cánh ngược đòi hỏi kết cấu khung máy bay phải rất vững chắc để chịu được lực kéo của cánh máy bay, điều này khiến chi phí của máy bay tăng lên rất nhiều lần.

Ví dụ, thiết kế Su-47 của Nga phải sử dụng tới 90% vật liệu composite ở các rầm cánh để tăng độ bền cơ học trong khi các máy bay khác nhiều lắm cũng chỉ sử dụng khoảng 30% vật liệu composite.

“Lợi thì có lợi nhưng răng chẳng còn” thiết kế cánh ngược mãi vẫn là một ý tưởng nằm trên các bản vẽ và các mẫu thử nghiệm khi mà những cái lợi của nó không bù đắp được những cái hại mà thiết kế này tạo ra.