Máy bay cánh nghiêng (tiltrotor) là một loại máy bay tạo ra lực nâng và lực đẩy bằng một hoặc nhiều cánh quạt (rotors) được cung cấp năng lượng (đôi khi được gọi là proprotors) được gắn trên các trục quay hoặc các vỏ bọc thường ở hai đầu của một cánh cố định. Hầu hết tất cả rô-to nghiêng đều sử dụng thiết kế rô-to ngang, với một số ngoại lệ sử dụng cách bố trí nhiều rô-to khác.
Thiết kế tiltrotor kết hợp khả năng VTOL của trực thăng với tốc độ và tầm bay của máy bay cánh cố định thông thường. Đối với kiểu bay thẳng đứng, các cánh quạt có góc cạnh nên mặt phẳng quay nằm ngang, tạo ra lực nâng giống như cánh quạt máy bay trực thăng bình thường. Khi máy bay tăng tốc, các cánh quạt nghiêng dần về phía trước và mặt phẳng quay cuối cùng trở nên thẳng đứng. Ở chế độ này, các cánh quạt cung cấp lực đẩy như một cánh quạt và cánh máy bay của các cánh cố định sẽ đảm nhận việc cung cấp lực nâng thông qua chuyển động về phía trước của toàn bộ máy bay. Vì các rô-to có thể được cấu hình để có lực đẩy hiệu quả hơn (ví dụ: với phần xoắn ở đầu rễ) và nó tránh được các vấn đề của trực thăng về việc cánh quạt rút lui, nên rô-to nghiêng có thể đạt được tốc độ hành trình và trọng lượng cất cánh cao hơn so với trực thăng.
Máy bay cánh nghiêng tiltrotor khác với máy bay cánh nghiêng tiltwing ở chỗ chỉ nghiêng có trục cánh quạt chứ không phải toàn bộ cánh. Phương pháp này đánh đổi hiệu quả khi bay thẳng đứng để lấy hiệu quả trong các hoạt động STOL/ STOVL.
Lịch sử
Công việc đầu tiên theo hướng rô-to nghiêng (“convertible” trong tiếng Pháp, nghĩa là “mui trần”) dường như có nguồn gốc từ ca. 1902 bởi anh em người Pháp gốc Thụy Sĩ Henri và Armand Dufaux, họ nhận được bằng sáng chế vào tháng 2/1904 và công bố tác phẩm của mình vào tháng 4/1905.
Những ý tưởng cụ thể về việc chế tạo máy bay cất cánh và hạ cánh thẳng đứng (VTOL) sử dụng cánh quạt giống máy bay trực thăng đã được đẩy mạnh hơn nữa vào những năm 1930. Thiết kế đầu tiên giống với động cơ nghiêng hiện đại được cấp bằng sáng chế bởi George Lehberger vào tháng 5/1930, nhưng ông không phát triển thêm khái niệm này. Trong Thế chiến II, Weserflug ở Đức đã đưa ra ý tưởng về chiếc P.1003/1 của họ vào khoảng năm 1938, nghiêng về phía trên với một phần cánh nhưng không phải toàn bộ cánh, vì vậy nó có thể nằm giữa rô-to nghiêng và các mặt phẳng nghiêng. Ngay sau khi nguyên mẫu của Đức, chiếc Focke-Achgelis Fa 269, được phát triển bắt đầu từ năm 1942, nó nghiêng xuống đất nhưng chưa bao giờ bay. Platt và LePage đã được cấp bằng sáng chế cho PL-16, chiếc máy bay cánh quạt nghiêng đầu tiên của Mỹ. Tuy nhiên, công ty đóng cửa vào tháng 8/1946 do thiếu vốn.
Hai nguyên mẫu đã thực hiện chuyến bay là Transcendental Model 1-G một chỗ ngồi và Transcendental Model 2 hai chỗ ngồi, mỗi chiếc được trang bị một động cơ pit-tông duy nhất. Quá trình phát triển Model 1-G bắt đầu vào năm 1947, mặc dù nó mãi đến năm 1954 mới bay được. Model 1-G bay được khoảng một năm cho đến khi gặp nạn ở Vịnh Chesapeake vào ngày 20/7/1955, phá hủy chiếc máy bay nguyên mẫu nhưng không gây thương tích nghiêm trọng cho phi công. Model 2 được phát triển và bay ngay sau đó, nhưng Không quân Hoa Kỳ đã rút tiền tài trợ để chuyển sang Bell XV-3 và nó không bay được nhiều ngoài các cuộc thử nghiệm bay lượn. Transcendental 1-G là máy bay cánh quạt nghiêng đầu tiên đã bay và hoàn thành hầu hết quá trình chuyển đổi từ trực thăng sang máy bay trong chuyến bay (trong phạm vi 10 độ so với chuyến bay ngang thực sự của máy bay).
Được chế tạo vào năm 1953, chiếc Bell XV-3 thử nghiệm đã bay cho đến năm 1966, chứng minh tính đúng đắn cơ bản của khái niệm cánh quạt nghiêng và thu thập dữ liệu về những cải tiến kỹ thuật cần thiết cho các thiết kế trong tương lai.
Một sự phát triển công nghệ liên quan là cánh nghiêng tiltwing. Mặc dù hai thiết kế, Canadair CL-84 Dynavert và LTV XC-142, đều thành công về mặt kỹ thuật nhưng không được đưa vào sản xuất do các vấn đề khác. Tiltrotors thường có hiệu quả bay lượn tốt hơn tiltwings, nhưng kém hơn máy bay trực thăng.
Năm 1968, Westland Aircraft trưng bày các thiết kế của riêng họ – một máy bay thử nghiệm nhỏ (We 01C) và một máy bay vận tải 68 chỗ We 028 – tại Triển lãm hàng không SBAC Farnborough.
Năm 1972, với sự tài trợ của NASA và Quân đội Hoa Kỳ, Bell Helicopter Textron bắt đầu phát triển XV-15, một máy bay nghiên cứu cánh quạt nghiêng hai động cơ. Hai chiếc máy bay được chế tạo để chứng minh thiết kế cánh quạt nghiêng và khám phá phạm vi bay hoạt động cho các ứng dụng quân sự và dân sự.
Năm 1981, sử dụng kinh nghiệm thu được từ XV-3 và XV-15, Bell và Boeing Helicopters bắt đầu phát triển V-22 Osprey, một loại máy bay cánh quạt nghiêng quân sự hai trục cho Không quân Hoa Kỳ và Thủy quân lục chiến Hoa Kỳ.
Bell hợp tác với Boeing để phát triển một loại máy bay cánh nghiêng thương mại, nhưng Boeing đã ngừng hoạt động vào năm 1998 và Agusta thay thế Bell /Agusta BA609. Chiếc máy bay này được đổi tên thành AW609 sau khi chuyển toàn quyền sở hữu cho AgustaWestland vào năm 2011. Bell cũng đã phát triển một loại máy bay không người lái (UAV) cánh quạt nghiêng, TR918 Eagle Eye.
Nga đã có một số dự án động cơ nghiêng, hầu hết là không người lái như Mil Mi-30 và đã bắt đầu một dự án khác vào năm 2015.
Khoảng năm 2005–2010, Bell và Boeing lại hợp tác để thực hiện một nghiên cứu khái niệm về Quad TiltRotor (QTR) lớn hơn cho chương trình Nâng hạng nặng chung JHL (Joint Heavy Lift) của Quân đội Hoa Kỳ. QTR là phiên bản lớn hơn, bốn cánh quạt của V-22 với hai bộ cánh cố định song song và bốn cánh quạt nghiêng.
Vào tháng 1/2013, FAA đã xác định các quy tắc về tiếng ồn của cánh quạt nghiêng của Hoa Kỳ để tuân thủ các quy tắc của ICAO. Chứng nhận tiếng ồn sẽ có giá 588.000 USD, tương đương với một chiếc trực thăng lớn.
AgustaWestland cho biết họ đã bay tự do một cánh quạt điện có người lái vào năm 2013 có tên là Project Zero, với các cánh quạt của nó nằm bên trong sải cánh.
Vào năm 2013, Giám đốc điều hành Bell Helicopter John Garrison đã phản hồi việc Boeing chọn một đối tác khung máy bay khác để đáp ứng các yêu cầu nâng trong tương lai của Quân đội Hoa Kỳ bằng cách chỉ ra rằng Bell sẽ tự đi đầu trong việc phát triển Bell V-280 Valor, cùng với Lockheed Martin.
Vào năm 2014, chương trình Clean Sky 2 (của Liên minh Châu Âu và ngành công nghiệp) đã trao cho AgustaWestland và các đối tác của mình 328 triệu USD để phát triển thiết kế “cánh quạt nghiêng dân dụng thế hệ tiếp theo” cho thị trường ngoài khơi, với Đánh giá thiết kế quan trọng vào gần cuối năm 2016. Mục tiêu là phần cánh nghiêng, 11 tấn Trọng lượng cất cánh tối đa, chỗ ngồi cho 19 đến 22 hành khách, chuyến bay đầu tiên vào năm 2021, tốc độ hành trình 300 hl/g, tốc độ tối đa 330 hl/g, trần bay 7600 m và tầm bay 500 hl.
Cân nhắc kỹ thuật
Điều khiển
Trong chuyến bay thẳng đứng, động cơ nghiêng sử dụng các bộ điều khiển rất giống với máy bay trực thăng cánh quạt đôi hoặc cánh quạt song song. Yaw được điều khiển bằng cách nghiêng các cánh quạt của nó theo hướng ngược lại. Sự chao nghiêng (pitch) được thực hiện thông qua sức mạnh vi sai hoặc lực đẩy. Cao độ được cung cấp thông qua các cánh rô-to theo chu kỳ, hoặc vỏ bọc, độ nghiêng. Chuyển động thẳng đứng được điều khiển bằng bước cánh cánh quạt thông thường và cần điều khiển chung của máy bay trực thăng thông thường (như trong Bell/Agusta BA609) hoặc một bộ điều khiển độc đáo tương tự như bộ điều khiển động cơ cánh cố định được gọi là cần điều khiển lực đẩy TCL (thrust control lever) – như trong Bell-Boeing V-22 Osprey.
Vấn đề về tốc độ và tải trọng
Ưu điểm của máy bay cánh nghiêng tiltrotor là tốc độ lớn hơn đáng kể so với trực thăng. Trong máy bay trực thăng, tốc độ chuyển tiếp tối đa được xác định bởi tốc độ quay của rô-to; tại một thời điểm nào đó, máy bay trực thăng sẽ di chuyển về phía trước với tốc độ tương đương với tốc độ quay của mặt chuyển động lùi của rô-to, do đó phía đó của rô-to nhìn thấy tốc độ không khí bằng 0 hoặc âm và bắt đầu dừng lại. Điều này hạn chế các máy bay trực thăng hiện đại có tốc độ hành trình khoảng 150 hl/g (277 km/h). Tuy nhiên, với máy bay cánh nghiêng tiltrotor, vấn đề này có thể tránh được, vì các cánh quạt vuông góc với chuyển động trong các phần tốc độ cao của chế độ bay (và do đó không phụ thuộc vào điều kiện dòng khí ngược này), do đó máy bay cánh nghiêng tiltrotor có tốc độ tối đa tương đối cao – Cho đến nay, tốc độ trên 300 hl/g (560 km/h) đã được chứng minh ở hai loại tiltrotor được bay và đạt được tốc độ hành trình 250 hl/g (460 km/h).
Tốc độ này đạt được phần nào phải trả giá bằng tải trọng. Kết quả của việc giảm tải trọng này là một số ước tính rằng một tiltrotor không vượt quá hiệu quả vận chuyển (tốc độ nhân với tải trọng) của máy bay trực thăng, trong khi những người khác lại kết luận ngược lại. Ngoài ra, hệ thống động cơ của tiltrotor phức tạp hơn so với máy bay trực thăng thông thường do có các vỏ lớn, có khớp nối và cánh bổ sung; tuy nhiên, hiệu quả hành trình được cải thiện và cải thiện tốc độ so với trực thăng là rất đáng kể trong một số mục đích sử dụng nhất định. Tốc độ và quan trọng hơn là lợi ích về thời gian phản hồi tổng thể là ưu điểm chính mà các lực lượng quân sự đang sử dụng tiltrotor tìm kiếm. Máy bay cánh nghiêng tiltrotor vốn ít ồn hơn khi bay về phía trước (chế độ máy bay) so với máy bay trực thăng. Điều này, kết hợp với tốc độ tăng lên của chúng, được kỳ vọng sẽ cải thiện tiện ích của chúng trong các khu vực đông dân cư cho mục đích thương mại và giảm mối đe dọa bị phát hiện cho mục đích quân sự. Tuy nhiên, máy bay cánh nghiêng tiltrotor thường ồn ào như những chiếc trực thăng có kích thước tương đương khi bay lơ lửng. Mô phỏng tiếng ồn cho máy bay nghiêng 90 hành khách cho thấy tiếng ồn hành trình bên trong cabin thấp hơn so với máy bay Bombardier Dash 8, mặc dù độ rung tần số thấp có thể cao hơn.
Máy bay cánh nghiêng tiltrotor cũng cung cấp khả năng bay ở độ cao lớn hơn đáng kể so với máy bay trực thăng. Máy bay cánh nghiêng tiltrotor có thể dễ dàng đạt tới độ cao 6.000 m trở lên trong khi máy bay trực thăng thường không vượt quá độ cao 3.000 m. Tính năng này có nghĩa là một số mục đích sử dụng thường chỉ được xem xét cho máy bay cánh cố định giờ đây có thể được hỗ trợ bằng tiltrotor mà không cần đường băng. Tuy nhiên, có một nhược điểm là tiltrotor bị giảm tải trọng đáng kể khi cất cánh từ độ cao lớn.
Máy bay cánh nghiêng đơn (mono tiltrotor)
Máy bay cánh nghiêng đơn sử dụng một cánh quạt quay có thể nghiêng hoặc cánh quạt đồng trục để nâng và đẩy. Đối với kiểu bay thẳng đứng, cánh quạt được tạo góc để hướng lực đẩy của nó xuống dưới, tạo ra lực nâng. Trong phương thức hoạt động này, máy bay về cơ bản giống với máy bay trực thăng. Khi tăng tốc, cánh quạt đồng trục từ từ nghiêng về phía trước, cuối cùng các cánh quạt trở nên vuông góc với mặt đất. Ở chế độ này, cánh cung cấp lực nâng và hiệu suất cao hơn của cánh giúp rô-to nghiêng đạt được tốc độ cao. Ở chế độ này, máy bay về cơ bản là một máy bay cánh quạt.
Máy bay cánh nghiêng đơn khác với máy bay cánh nghiêng thông thường trong đó cánh quạt được gắn vào đầu cánh, trong đó cánh cánh quạt đồng trục được gắn vào thân máy bay. Nhờ hiệu quả về cấu trúc này, máy bay cánh nghiêng đơn vượt quá hiệu suất vận chuyển (tốc độ nhân với tải trọng) của cả máy bay trực thăng và tiltrotor thông thường. Một nghiên cứu thiết kế đã kết luận rằng nếu máy bay cánh nghiêng đơn có thể được hiện thực hóa về mặt kỹ thuật thì nó sẽ có kích thước bằng một nửa, trọng lượng bằng một phần ba và nhanh gần gấp đôi so với máy bay trực thăng.
Trong chuyến bay thẳng đứng, cánh quạt nghiêng đơn sử dụng bộ điều khiển rất giống với máy bay trực thăng đồng trục, chẳng hạn như Kamov Ka-50. Ví dụ, sự dịch chuyển được kiểm soát bằng cách tăng lực nâng ở cánh chân trên trong khi giảm lực nâng ở cánh chân dưới. Cuộn và cao độ được cung cấp thông qua rô-to theo chu kỳ. Chuyển động thẳng đứng được điều khiển bằng bước cánh cánh quạt thông thường./.
