Tại sao máy bay lại có thùng nhiên liệu trên cánh?

Thùng nhiên liệu của máy bay thường được đặt ở các vị trí khác nhau tùy thuộc vào loại máy bay và mục đích sử dụng. Trong nhiều trường hợp, thùng nhiên liệu được đặt ở cánh máy bay để tối ưu hóa hiệu suất bay.

Máy bay thời kỳ đầu

Khi máy bay ban đầu được thiết kế, thùng nhiên liệu của nó thực sự đã được đặt ở phía sau động cơ, ở giữa thân máy bay.

Vì cánh của những chiếc máy bay đời đầu được thiết kế tương đối mỏng, với xà và sườn được làm bằng gỗ thông rất nhẹ, mặt ngoài của nó được bọc bằng vải thưa nên cấu trúc này không thể chịu được sức nặng của thùng nhiên liệu. Nhưng khi vận hành, nhiên liệu được sử dụng cạn dần thì các vấn đề liên quan đến trọng tâm của máy bay cũng theo đó mà sinh ra, dẫn đến sự thiếu ổn định khi bay.

Giải pháp lúc bấy giờ chính là lắp thêm một thùng nhiên liệu vào phía sau máy bay, trước khi tiêm kích tham chiến (thời kỳ này vẫn chưa có hàng không dân dụng), một phần nhiên liệu ở thùng phía sau sẽ được sử dụng để khôi phục lại sự ổn định của thân máy bay.

Nếu như nhiên liệu được đặt ở phần đầu hoặc đuôi của máy bay, khối lượng nhiên liệu lớn này sẽ tạo ra một mô men rất lớn tác động lên trục dọc tầu bay và mô men này sẽ liên tục thay đổi do quá trình tiêu hao nhiên liệu gây ra sự mất ổ định.

Tuy nhiên để tăng phạm vi hoạt động, kích thước của thùng chứa nhiên liệu cũng phải tăng theo, do đó để thùng nhiên liệu ở phía sau cũng không thể đáp ứng được nhu cầu chiến đấu. Một số nhà thiết kế sau đó đã nghĩ đến việc bổ sung các thùng nhiên liệu phụ ở tâm lực nâng của máy bay, phía trên cánh.

Theo thời gian, do sự phát triển liên tục của vật liệu và cấu trúc cánh, đồng thời động cơ máy bay cũng được chuyển từ mũi sang cánh, các nhà thiết kế cũng tính toán đến việc tận dụng cấu trúc rỗng của cánh và cố gắng đặt bình nhiên liệu vào vị trí này. Sau những năm 1950, thùng nhiên liệu của hầu hết các loại máy bay đã được đặt trên cánh.

Cánh là bộ phận tạo lực nâng chủ yếu của máy bay. Trong quá trình cất cánh, nó sẽ bị uốn lên trên, đồng thời nó phải treo thêm phần thân với khối lượng lớn. Do vậy để tránh xảy ra việc cánh bị bẻ gãy thì nhiên liệu cần được san sẻ sang hai bên cánh. Đồng thời nó cũng làm ổn định góc chữ V dương của cánh (góc cánh vênh lên so với trục ngang của máy bay).

Tác dụng của đặt thùng nhiên liệu trên cánh máy bay

Việc đặt thùng nhiên liệu ở cánh máy bay mang lại nhiều ưu điểm như tối ưu được không gian (do cánh máy bay quá hẹp để chứa được nhiều hàng hóa), gần động cơ hơn (dễ dàng bơm nhiên liệu vào động cơ, ngay cả khi máy bơm có sự cố thì nhiên liệu vẫn có thể được truyền vào buồng đốt nhờ trọng lực).

Hơn thế, cánh máy bay cũng có vị trí ở trung tâm nên trong quá trình tiêu hao nhiên liệu sẽ không làm ảnh hưởng đến trọng tâm của máy bay. Nhưng quan trọng nhất là nó giúp cánh máy bay không bị uốn cong hay rung trong quá trình bay, đồng thời nếu có phát nổ thì nó cũng sẽ an toàn với hành khách hơn.

Khối lượng của nhiên liệu sẽ tạo độ cứng chắc cho cánh vì vậy mà giảm hiện tượng rung phá hủy cánh gây ra do dòng chảy (flutter). Hiện tượng rung phá hủy mạnh là rất nguy hiểm và có thể phá hủy toàn bộ cánh.

Chúng ta biết rằng khi máy bay đậu trên đường băng, nó dựa vào một số bánh xe để nâng đỡ trọng lượng. Khi đang bay, nó dựa vào lực nâng do cánh tạo ra. Lực nâng này sẽ uốn cong đầu cánh hướng lên và gốc cánh hướng xuống. Tuy nhiên thùng nhiên liệu sẽ giúp cánh chống lại và giảm thiểu tác động của sự uốn cong này.

Từ góc độ tải trọng, nếu tất cả tải trọng của máy bay tập trung vào thân thì một tải trọng uốn lớn (ứng suất uốn) sẽ được tạo ra trên cánh để hỗ trợ trọng lượng đó, nhưng điều này cũng gây ra những áp lực cho phần gốc cánh. Nhưng khi đặt thùng nhiên liệu ở cánh máy bay, nó sẽ giúp phân bổ một phần trọng lượng lên cánh, giúp giảm mô men tải tại điểm nối giữa cánh với thân máy bay.

Người ta cũng thường nghĩ rằng việc tăng thêm trọng lượng cho đôi cánh thực sự có lợi vì nó làm cho chuyến bay cân bằng hơn và chống lại được những biến động trong thời tiết bất ổn, giống như người đi bộ trên dây thường sử dụng một thanh xà dài để duy trì cân bằng. Tất nhiên mọi thứ đều có cả ưu và nhược điểm.

Những bất lợi của việc để thùng nhiên liệu ở cánh máy bay

Đầu tiên, khi máy bay gặp phải trình trạng nhiễu loạn trong không khí, nhiên liệu trượt sang một bên trong thùng chứa nhiên liệu có thể gây ra sự chuyển trọng lượng sang bên đó và tạo ra sự mất ổn định tiềm ẩn. Đặc biệt là khi bay ở mức độ nhiên liệu thấp hoặc trong không khí nhiễu loạn trong thời gian dài, động cơ có thể sẽ bị thiếu nhiên liệu do dòng nhiên liệu không ổn định. Tuy nhiên điều này có thể khắc phục bằng cách thêm một số vách ngăn trong thùng chứa nhiên liệu và cải thiện cơ cấu nạp.

Một điểm khác là nhiên liệu đôi khi không được bơm đều từ cả hai thùng chứa. Điều này đặc biệt phổ biến trong các loại máy bay một động cơ. Điều này sau đó cũng đã được khắc phục bằng cách bổ sung thêm hệ thống chuyển đổi thùng nhiên liệu tự động.