Tại sao tiêm kích Su-35S không có cánh mũi?

Trong ngành hàng không, canard - cánh mũi (tiếng Pháp của từ vịt) là một dạng cánh cố định trên khung máy bay. Đây là một loại cánh giống với cánh đuôi nhưng lại ở trước cánh chính của máy bay chứ không ở đằng sau như những máy bay truyền thống, hay khi thêm một phận nhỏ ở phía trước của cánh chính.

Thuật ngữ cánh canard được dùng có nghĩa là bất kỳ cánh máy bay nằm ngang nào được gắn phía trước cánh chính cũng được gọi là cánh mũi, cho dù nó có hay không chuyển động được.

Có thể dễ dàng nhận thấy thiết kế các máy bay thuộc “gia đình” Su-27 làm nhiệm vụ chiếm ưu thế trên không đã đi theo một vòng tròn. Đầu tiên là không sử dụng cánh canard (Su-27) rồi đến cánh canard (Su-30MKI) và cuối cùng quay trở lại không có cánh canard (Su-35S).

Để hiểu được nguyên nhân tại sao thì chúng ta cần phải tìm hiểu ưu điểm và nhược điểm của cánh canard tác động lên máy bay.

Phân tích trường hợp cụ thể đối với máy bay Su-30MKI, những ưu điểm của cánh canard mang lại gồm:

- Cánh canard giúp Su-30MKI an toàn hơn trong khi bay. Khi cánh canard của máy bay ở trạng thái stall - trạng thái làm giảm hệ số nâng phát sinh bởi cánh máy bay (airfoil) và góc bay (angle of attack), nó sẽ làm mũi máy bay hạ xuống, tốc độ máy bay vì thế tăng lên và trạng thái kiểm soát được phục hồi. Điều này khiến Su-30MKI dễ điều khiển và an toàn hơn khi bay.

- Cánh canard cũng làm tăng lực nâng của máy bay. Cánh đuôi của Su-30MKI được gắn với góc hơi hướng xuống, sản sinh một lực ép giúp cân bằng lại xu hướng quay của thân máy bay quanh trọng tâm (the moment of the center of gravity) phát sinh bởi lực nâng của cánh. Cánh canard sẽ tạo ra lực nâng để cân bằng xu hướng quay này.

- Cánh canard chỉ phát sinh ra áp lực xoáy thấp và được sử dụng như một bề mặt để kiểm soát/ điều khiển máy bay.

- Kiểm soát hướng phụt động cơ (ở Su-30MKI là theo 2 trục/2D) cho phép Su-30MKI bay tại góc lớn hơn với tốc độ thấp hơn mà kiểu điều khiển truyền thống bằng cánh aileron (cánh phụ nằm trên ở phía sau cánh chính) và cánh cánh đuôi (elevator) không làm được. Như là kết quả, cánh canard được sử dụng để kiểm soát trong những điều kiện bay này, đặc biệt là động tác bay kiểu post stall.

Tuy nhiên cánh canard cũng gây ra những bất lợi sau:

- Làm tăng diện tích phản xạ radar (RCS) so với thiết kế không có cánh canard.

- Gây ảnh hưởng tiêu cực lên cánh chính: do nằm ngay trước cánh chính,cánh canard làm nhiễu loạn luồng không khí trước khi chảy qua cánh chính, khiến cho khả năng nâng của cánh chính bị giảm.

- Cánh canard khiến trọng tâm máy bay thay đổi tùy theo trạng thái của nó và không tạo ra lực nâng mũi máy bay khi cánh flap (cánh phụ nằm dưới ở phía sau cánh chính, ở một số máy bay, cánh aileron và cánh flap được tích hợp chung vào một cánh duy nhất) đã được triển khai, tạo nên sự khó khăn khi thiết kế cánh chính với flap.

- Cánh canard rất khó áp dụng bộ phận flag trong thiết kế. Việc triển khai bộ phận flap sẽ gây ra một moomen dọc làm mũi máy bay chúc xuống. Để đạt được sự ổn định theo chiều dọc, cánh canard có điểm nổi bật là bề mặt cánh nhỏ hoạt động với hệ số nâng lớn, trong khi cánh chính dù khá lớn lại hoạt động với hệ số nâng nhỏ và không bao giờ đạt được hệ số nâng đầy đủ tiềm tàng vì lực nâng cực đại tiềm tàng của cánh là một đặc trưng không có sẵn. Và khi không có bộ phận flap hay có nhưng rất khó sử dụng bộ phận này làm cho việc cất cánh hạ cánh của máy bay sẽ có khoảng cách xa hơn và tốc độ cũng lớn hơn so với những máy bay không có cánh canard.

Một điều quan trọng khác khiến người Nga bỏ hẳn cánh canard trên Su-35S trong thiết kế là với việc quay lại dùng LERXes (Leading Edge Root eXtensions/ gốc leading edge được kéo dài về phía trước) như trên Su-27 kết hợp với động cơ 3D TVC cho phép tận dụng được tất cả những ưu điểm của cánh canard mà lại không bị hạn chế bởi các nhược điểm đã nêu trên.

Việc trang bị động cơ điều khiển/ kiểm soát hướng phụt (TVC) theo tất cả các trục (3D) so với chỉ 2 trục (2D) như động cơ của Su-30MKI giúp Su-35S có khả năng kiểm soát bay và thao diễn tốt hơn mà không cần sự trợ giúp của cánh canard nữa. Cánh canard có thể xem như là giải pháp tình thế và chỉ phù hợp khi Nga vẫn chưa hoàn thành động cơ kiểm soát hướng phụt tất cả các trục 3D. Khi động cơ này sẵn sàng, vai trò lịch sử của cánh canard có lẽ đã kết thúc và chỉ được gắn khi khách hàng yêu cầu.

Ngoài ra, kiểm soát bay bằng động cơ 3D TVC sẽ sản sinh ra lực cản không khí (drag) ít hơn là cách kiểm soát bằng bề mặt (control surface) truyền thống khiến tốc độ và tầm bay của Su-35S được tăng lên đáng kể.

Tóm lại, sự hiện diện của cánh canard trên dòng máy bay thuộc họ Su-27 làm nhiệm vụ chiếm ưu thế trên không có thể giải thích tóm tắt như sau:

- Su-27 đời đầu không có cánh canard với động cơ phụt cố định một hướng nên đôi khi làm cho máy bay khó điều khiển.

- Su-30 chỉ được trang bị động cơ bình thường hoặc động cơ kiểm soát hướng phụt theo 2 trục và là bản phát triển tiếp theo của Su-27 nên có một số cải tiến và gắn thêm cánh canard để máy bay dễ điều khiển và an toàn hơn khi bay. Đặc biệt, trong các động tác bay khó như Pugachev Cobra, Cobra Turn, Kulbit.... cánh canard đem lại lợi ích cho Su-30 nhưng bên cạnh đó cũng đem lại một số bất lợi.

- Su-35S với động cơ kiểm soát/thay đổi hướng phụt theo tất cả các trục cộng với thiết kế gốc của leading edge kéo dài về phía trước đã tận dụng được tất cả các ưu điểm của thiết kế cánh canard trên Su-30MKI và Su-27M mà không chịu bất kỳ sự bất lợi nào do cánh canard đem lại.