Lý thuyết bay: Tại sao cánh dù bay được?

Đối với một thiết bị bay bất kỳ, để bay được thì nó cần phải tạo ra một lực hướng lên đủ để nâng bổng được cả khối lượng của máy bay lẫn của phi công. Vậy dạng thiết bị bay không động cơ như dù lượn tạo ra lực nâng hướng lên như thế nào? Đó là nhờ cấu trúc của cánh dù tạo ra một lực hướng lên khi nó di chuyển trong không khí với một góc nghiêng nhẹ. Tốc độ vòm dù trong không khí được gọi bằng thuật ngữ “air-speed”, trong khi đó góc nghiêng nhẹ của vòm dù so với luồng gió được gọi là góc tấn (attack angle).

💨 Tốc độ khí (airspeed)

Sau khi cất cánh, vòm dù duy trì air -speed của nó bằng cách lướt hướng xuống trong không khí, nó được đẩy đi bởi lực trọng trường tương tự như một chiếc xe đạp trôi xuống dốc

⚖️ Các lực thành phần

Bất kỳ bề mặt khá bằng phẳng nào nằm trong một luồng gió và tạo thành một góc “dương” nhất định với luồng gió (góc tấn) đều tạo ra một lực đẩy hướng lên. Đó là vì không khí bị nén vào mặt dưới vòm dù làm áp suất tại đó tăng lên trong khi áp suất ở mặt trên vòm dù bị giảm bớt. Trong hình dưới thể hiện các vec-tơ lực thành phần, với thành phần vuông góc 90 độ so với hướng bay chúng ta gọi là lực nâng (lift), và thành phần ngược hướng 180 độ với hướng bay chúng ta gọi là lực cản (drag). Bề mặt thô ráp không phải là một lựa chọn tốt đối với kết cấu cánh. Lượng lực nâng mà nó tạo ra so với lượng lực cản (tỉ lệ L/D - Lift/Drag ratio) sẽ bị sụt giảm mạnh khi góc tấn chỉ cần thay đổi nhẹ quanh giá trị tối ưu. Và biên dạng cánh có mặt trên cong thì tốt hơn: không khí trượt qua mặt trên sẽ tăng tốc và làm áp suất ở mặt trên giảm đáng kể. Và hình dạng kiểu này cũng có mứ tới hạn về góc tấn ít hơn. Bạn sẽ thấy rằng những chiếc cánh dù lượn và cả diều lượn đều được thiết kế theo hình dạng này. Và thực tế tất cả các cánh máy bay, từ tàu lượn, máy bay phản lực loại lớn đều sử dụng hình dạng này

⚠️ Thất tốc (stall)

Đối với dù lượn, airspeed được thay đổi bằng cách kéo cụp mép sau của vòm dù xuống, điều này làm tăng góc tấn của vòm dù. Nhưng nếu như chúng ta giảm airspeed xuống quá thấp (ví dụ khi chúng ta muốn bay chậm lại) thì có thể góc tấn bị tăng lên vượt qua cả mức tới hạn. Tại giá trị góc tấn này, luồng không khí mà trước đó đang mượt mà trượt qua bề mặt vòm dù thì giờ đây bị vỡ tan và tạo ra những nhiễu loạn, xoáy khí làm phá huỷ lực nâng do chênh lệch áp suất giữa mặt trên và mặt dưới của vòm dù. Chúng ta gọi đó là stall

🌀 Tác dụng của thất tốc

Đối với dù lượn, mỗi cánh dù sẽ có một hành vi khác nhau khi nó bị stall và nó có thể kéo theo nhiều hậu quả nghiêm trọng đặc biệt nếu stall gần mặt đất. Để phục hồi trạng thái từ stall cần có kỹ năng thuần thục cũng như cần nhiều độ cao để xử lý, vì vậy khi bay dù lượn, chúng ta luôn phải tránh các động tác có thể dẫn tới bị stall (ví dụ tránh kéo phanh quá sâu, tránh giữ phanh quá lâu, không bay vào những vùng nhiễu loạn có thể gây stall)

🛑 Lực cản

Bất cứ thứ gì di chuyển trong không khí đều gây ra sự xáo trộn không khí và làm chúng ta cảm thấy nó như là một lực kháng lại chuyển động. Chúng ta gọi nó là lực cản. Tổng lực cản tác động lên phương tiện bay đều được tổng hợp từ hai thành phần là lực cản trực tiếp (parasitic drag) và lực cản phát sinh (induced drag). Lực cản trực tiếp được tạo ra khi mặt trước của cánh dù, phi công, đai ngồi, dây,... va chạm trực tiếp với không khí - và cộng thêm cả ma sát bề mặt với không khí. Tên gọi lực cản trực tiếp là vì nó được tạo ra bởi va chạm trực tiếp giữa bề mặt vật cản với luồng khí. Lực cản này tăng lên nhanh chóng khi tốc độ (airspeed) tăng lên. Lực cản phát sinh là lực cản không thể tránh được do kết cấu cánh dù để tạo ra lực nâng. Các dòng khí xoáy được tạo ra sau hai tai dù đóng vai trò đáng kể trong lực cản này, nó chính là phần năng lượng bị hao phí trong không khí bị kích động. Lực cản phát sinh sẽ giảm khi tăng tốc nhưng nó lại khá lớn ở tốc độ thấp (khi góc tấn lớn). Do vậy, kết quả là đối với dù lượn, sẽ có một tốc độ cụ thể nào đó sẽ cho tổng lực cản thấp nhất. Bay với tốc độ airspeed này sẽ cho góc lượn tốt nhất (best glide angle) và nó được gọi là tốc độ lượn tốt nhất hay góc lượn tối đa

📐 Tỉ lệ lượn

Tỉ lệ lượn là thước đo hiệu năng của vòm dù. Nó thể hiện mối quan hệ giữa khoảng cách mà theo phương ngang mà cánh dù đi được và độ cao bị mất. Ví dụ, một vòm dù có tỉ lệ lượn là 10:1 sẽ đi được 100m theo phương ngang đồng thời bị mất 10m theo phương thẳng đứng. Tất cả mọi cánh dù đều được thiết kế để bay ở một tốc độ nhất định nào đó mà mang lại tỉ lệ lượn tốt nhất. (Tỉ lệ lượn có liên quan tới tỉ lệ L/D).

⬇️ Tốc độ tụt

Tốc độ tụt (sink rate) là tốc độ tụt độ cao của vòm dù trong không khí tĩnh, và nó thường được biểu thị bằng đơn vị m/s. Thông tường tốc độ tụt sẽ thấp nhất khi bay ở tốc độ chậm hơn một chút so với tốc độ lướt tốt nhất. Và giá trị tốc độ này được gọi là tốc độ tụt tối thiểu (min sink speed). (Lưu ý: tất cả mọi loại hình bay không động cơ đều bị tụt độ cao trong điều kiện khí quyển tĩnh lặng - để duy trì độ cao lâu trong không khí, các phi công phải tìm được các dòng thăng (dòng không khí bốc lên cao theo phương thẳng đứng - thermal) có tốc độ lớn hơn tốc độ tụt.

🎯 Cân bằng lực

Khi cánh dù ở trạng thái bay ổn định, có 3 lực tác động lên cánh dù bao gồm: lực nâng, lực cản và trọng lực, các lực này sẽ cân bằng với nhau

🪶 Tính ổn định

Trong khi người bay cần điều khiển cánh dù để thực hiện các thao tác trên không, thì vòm dù vẫn cần có một mức độ ổn định nhất định. Điều này có nghĩa là cánh dù nên có xu hướng tự duy trì trạng thái bay bình thường ngay cả khi không có nhiều tác động từ người điều khiển. Các loại dù dùng trong huấn luyện thường được thiết kế với độ ổn định cao, giúp giảm thiểu sai sót và hỗ trợ người mới dễ làm quen hơn. Chính vì vậy, trong những chuyến bay đầu tiên, bạn có thể chưa nhận ra rõ vai trò quan trọng của yếu tố này.