Điều gì gây ấn tượng nhất khi bạn nhìn ra cửa sổ một máy bay phản lực chở khách hiện đại? Đó có thể là chiếc cánh nhỏ (winglet), khá phổ biến ở cuối mỗi cánh, được các hãng hàng không sử dụng để hiển thị logo và quảng bá thương hiệu.
Tiết kiệm năng lượng
Nhưng winglet không chỉ để tiếp thị mà còn tiết kiệm đáng kể nhiên liệu. Trung bình, máy bay có cánh nhỏ sử dụng ít nhiên liệu hơn 5% (theo NASA, máy bay Boeing 737 ngốn bình quân 100,000 gallon nhiên liệu mỗi năm). Nếu cộng dồn, cánh nhỏ tiết kiệm cho các hãng hàng không hàng tỷ đôla mỗi năm. Chúng làm được như vậy nhờ giảm gió xoáy tự nhiên hình thành ở đầu cánh (có thể mạnh đến mức một máy bay nhỏ bị lật ngửa khi cố vượt qua lực cản của một máy bay lớn).
Hiệu quả ấn tượng đến nỗi các nhà khí động học đã nghĩ đến cánh nhỏ trước khi anh em nhà Wright hoàn thành chuyến bay đầu tiên. Tuy nhiên, việc áp dụng rộng rãi winglet mới chỉ có trong vài chục năm gần đây. Khi không khí lưu thông quanh cánh máy bay, nó tạo ra áp suất cao trên bề mặt bên dưới và áp suất thấp ở bề mặt trên; và một lực nâng được hình thành. Nhưng khi không khí chảy phía dưới chạm tới đầu cánh nó sẽ cuộn lên trên và gặp không khí có áp suất thấp hơn ở trên, tạo ra một cơn lốc xoáy nhỏ. Lốc xoáy kéo dài ra sau máy bay tạo thành lực cản làm tốn thêm nhiên liệu. Al Bowers, nhà khoa học trưởng tại Trung tâm Nghiên cứu Chuyến bay Neil Armstrong của NASA giải thích: “Năng lượng lưu lại trong không khí đến từ máy bay. Nếu có một cách nào đó để thu được nhiều năng lượng hơn và giữ nó trên máy bay sẽ giúp giảm lãng phí năng lượng”.
Khởi đầu vất vả
CNN cho biết, năm 1897, nhà khí động học người Anh Frederick W. Lancaster được cấp bằng sáng chế cho “tấm đuôi cánh” (wing endplates), một bề mặt thẳng đứng gắn ở cuối cánh ngăn không cho luồng không khí phía dưới và phía trên gặp nhau để giảm lực cản. Bowers giải thích: “Các tấm đuôi cánh hoạt động giống cánh nhỏ, nhưng về mặt khí động học, chúng tăng lực nâng chẳng được bao nhiêu”.
Ý tưởng cải tiến tấm đuôi cánh cho máy bay hiện đại đến vào thập niên 1970 khi kỹ sư Richard Whitcomb của NASA lấy cảm hứng từ cách loài chim cuộn tròn phần cuối cánh khi cần nâng lên. Bowers nói: “Chính Whitcomb là người phát triển ý tưởng bề mặt khí động học có hình dạng cánh để giảm đáng kể lực cản”. Cái tên winglet, có nghĩa là đôi cánh nhỏ, ra đời. Whitcomb thử nghiệm ý tưởng của mình trong một đường hầm gió và nhận thấy các cánh nhỏ có thể giảm lực cản đến 5%.
Cùng lúc, NASA cũng nghiên cứu độc lập về cánh nhỏ; và năm 1977, công ty sản xuất máy bay phản lực LearJet trở thành công ty đầu tiên lắp cánh nhỏ trên một máy bay thương mại. Hai năm sau, NASA bắt đầu bay thử nghiệm máy bay KC-135 của Không quân (không quá khác so với Boeing 707) được trang bị cánh nhỏ cao 9 mét. Qua 47 lần bay thử nghiệm, NASA xác nhận những phát hiện về đường hầm gió của Whitcomb là đúng. Dù kết quả là rất đáng khích lệ, nhưng cánh nhỏ không thu hút lập tức sự quan tâm của các hãng hàng không, một phần vì chúng thêm trọng lượng cho máy bay và tốn kém chi phí sản xuất, lắp đặt.
Mark D. Maughmer, chuyên gia hàng không kiêm giáo sư kỹ thuật hàng không vũ trụ tại tiểu bang Pennsylvania giải thích: “Trong những ngày đầu tiên sau Whitcomb, các công cụ kỹ thuật được sử dụng để thiết kế cánh nhỏ chưa được tốt lắm. Đó là chưa kể cảnh báo lan truyền: Winglet có lợi ở tốc độ thấp nhưng gây hại ở tốc độ cao! Đây là lý do cánh nhỏ chưa được đưa lên máy bay thương mại do các hãng hàng không sợ bị phạt hành chính”.
Hồi sinh mạnh mẽ
Cánh nhỏ chỉ hồi sinh khi công ty Aviation Partners thiết kế một mẫu “cánh nhỏ pha trộn” (blended winglet). Được thành lập năm 1991, công ty thuê Louis Gratzer, cựu chuyên viên khí động học của Boeing (người đã nhận được bằng sáng chế vào năm 1994 cho một kiểu thiết kế cánh nhỏ mà không khí chảy êm ái tại đầu cánh, tăng hiệu quả đáng kể so với các phiên bản trước đó). Máy bay phản lực thương mại đầu tiên sử dụng cánh nhỏ là Gulfstream II có hai động cơ với sức chở tối đa 19 người.
Không lâu sau, Aviation Partners tìm cách mở rộng sang các máy bay lớn hơn bằng việc hợp tác với Boeing. Năm 1988, công ty bắt đầu đưa cánh nhỏ hỗn hợp lên chiếc 747. Mike Stowell, Giám đốc điều hành của liên doanh Aviation Partners Boeing giữa Boeing và Aviation Partners nhớ lại: “Khởi đầu cánh nhỏ của Boeing là Boeing Business Jet, rất giống chiếc 737”. Aviation Partners Boeing thành lập năm 1999 và cánh nhỏ của Boeing được lắp đặt trực tiếp tại nhà máy trên các máy bay mới, đồng thời trang bị thêm cho các máy bay Boeing cũ các cánh nhỏ kết hợp (cánh nhỏ cho 737 tốn thêm $750,000).
Theo Stowell, cánh nhỏ pha trộn còn hấp dẫn ở vẻ đẹp chứ không chỉ tiết kiệm nhiên liệu. Aviation Partners cho biết đã lắp đặt cánh nhỏ cho 10,000 máy bay, từ Boeing 737, 757 và 767 đến các máy bay phản lực thương mại khác với tổng số nhiên liệu ước tính tiết kiệm được khoảng 13 tỷ gallon! Thành công, công ty có các thiết kế cập nhật như “split scimitar” dùng cho 737 và “spiroid” dùng cho một số máy bay phản lực thương mại. Tất cả các thiết kế đều nhằm mục đích nâng cao hơn nữa hiệu suất và giảm lượng nhiên liệu tiêu thụ.
Airbus tham gia cuộc đua
Không giống Boeing, Airbus tham gia cánh nhỏ khá muộn, và đến 2011 mới thiết kế cánh nhỏ, gọi là sharklet. Maughmer nói: “Airbus đến sau, nhưng đuổi bám rất nhanh”. Dòng máy bay A320 (hiện bán chạy nhất thế giới với hơn 16,000 đơn đặt hàng) bắt đầu dùng sharklet vào năm 2012, trong khi những chiếc A320 đang lưu hành được trang bị thêm cánh nhỏ từ năm 2015. Airbus hứa sẽ giảm 4% lượng nhiên liệu tiêu thụ và tiết kiệm 900 tấn CO2 mỗi năm cho một máy bay.
Năm 2013, Airbus hoàn thiện hơn nữa thiết kế cánh nhỏ trên A350, không còn là phần phụ riêng biệt mà là một “cánh cơ bản xoắn ba chiều mượt mà”. Thiết kế mới cũng được áp dụng cho A320neo, một phiên bản mới hơn của dòng máy bay phổ thông với động cơ tốt hơn. Cánh nhỏ hiện được tìm thấy trên hầu hết máy bay phản lực cỡ vừa và nhỏ trên thế giới nhưng hiệu quả trên các máy bay lớn chưa rõ ràng.
Thay vào đó, các máy bay lớn như Boeing 787 và 777 không có cánh nhỏ mà đầu cánh (wingtip) có rãnh hoặc hơi nghiêng về phía sau so với phần còn lại của cánh để giảm lốc xoáy ở đầu cánh, tiết kiệm nhiên liệu. Theo Bowers, cánh nhỏ cũng làm cho nhiễu động ổn định hơn một chút.
