Làm thế nào một khẩu súng máy gắn trên mũi máy bay cánh quạt thời thế chiến thứ 1 lại có thể nhả đạn đều đặn mà không phá hỏng phần cánh quạt đang quay rất nhanh phía trước? Trong bài này chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về lịch sử của một phát minh thú vị có tên synchronization gear (tạm gọi là "cò đồng bộ") và thiết bị này sẽ giải thích cho câu hỏi trên.
Hoàn cảnh ra đời của chiến đấu cơ
Chuyện là khi chiến tranh thế giới thứ 1 nổ ra, những chiếc máy bay vẫn chỉ được xem là một phương tiện trinh sát, thu thập thông tin và theo dõi hoạt động của lực lượng đối địch. Những phi công thời bấy giờ đã bắt đầu nghĩ đến chuyện thả bom từ trên cao hay gắn thêm súng vào máy bay để tấn công máy bay địch mặc dù hành động này vẫn chưa được tán thành và thậm chí còn bị chỉ trích. Hầu hết các thí nghiệm về thế hệ máy bay chiến đấu đầu tiên được các kỹ sư Pháp và Đức thực hiện nhưng nổ lực của họ đều không được các tổ chức quân sự đánh giá cao bởi họ cho rằng giá trị của những chiếc máy bay có vũ khí không nhiều và những khó khăn phải đối mặt khi tích hợp những khẩu súng có thể bắn về phía trước trên những chiếc máy bay dùng động cơ cánh quạt kéo (tractor propeller).
Một trong những máy bay trinh sát đầu tiên - Avro 504 của Anh.
Tuy nhiên, suy nghĩ về những chiếc máy bay chiến đấu bắt đầu thay đổi kể từ khi cuộc chiến nổ ra tại châu Âu. Những chiếc máy bay trinh sát được sử dụng cho cả 2 mục đích là thu thập thông tin và đánh trả hoạt động thăm dò của kẻ thù. Do đó, thế hệ máy bay chiến đấu đầu tiên ra đời với tên gọi máy bay trinh sát chiến đấu. Phần lớn chúng là những chiếc máy bay 2 chỗ ngồi với 1 phi công điều khiển và 1 quan sát viên thu thập thông tin. Thời kỳ đầu, quan sát viên được trang bị đơn giản là một khẩu súng lục ổ quay, một khẩu súng trường hay thậm chí là một quả lựu đạn cầm tay để tấn công máy bay địch. Độ chính xác và cự ly hoạt động hiệu quả của những vũ khí này nhìn chung rất kém và việc bắn hạ một mục tiêu đang di chuyển theo 3 chiều như máy bay là một điều gần như không thể.
Thế là họ bắt đầu nghĩ đến việc đem những khẩu súng máy - vũ khí quan trọng hàng đầu tại các cuộc đụng độ trên mặt đất lên máy bay. Nói là vậy nhưng thực hiện lại rất khó bởi các phi công và nhà thiết kế nhanh chóng rút ra kết luận rằng: vị trí hiệu quả nhất để lắp súng máy là ngay phía trước buồng lái. Vị trí này cho phép phi công nổ súng trong khi có thể nhắm bắn bằng cách hướng mũi máy bay theo mục tiêu. Không chỉ hỗ trợ việc nhắm bắn chính xác hơn, vị trí lắp đặt này còn giúp phi công nạp lại đạn hay tháo những viên đạn bị kẹt dễ dàng hơn. Điều không may là vị trí lắp súng trước buồng lái được xem là bất khả thi trên mọi chiếc máy bay dùng động cơ cánh quạt bởi những loạt đạn rất nhanh của súng máy có thể làm hỏng hay phá hủy hoàn toàn các cánh quạt.
Một chiếc Nieuport 11 với súng máy gắn trên tầng cánh trên.
Để tránh vấn đề trên, những khẩu súng máy thường được lắp tại cánh trên của những chiếc máy bay 2 tầng cánh và súng được nghiêng về trước theo một góc, tránh bắn thẳng vào cánh quạt. Mặc dù thiết kế này đã giải quyết vấn đề cản trở của động cơ nhưng rất khó để phi công có thể vừa bay, vừa nhắm và bắn mục tiêu. Ngoài ra, việc nạp lại đạn cho khẩu súng cũng là một thách thức bởi phi công buộc phải đứng trên ghế để làm điều này trong khi điều khiển máy bay.
Máy bay Voisin III của Pháp.
Kết quả là giải pháp gắn súng máy trên tầng cánh trên vẫn không khả thi, máy bay chiến đấu vẫn lệ thuộc nhiều vào quan sát viên kiêm xạ thủ trong các trận chiến trên không. Những chiếc máy bay này vẫn được lắp 1 hoặc 2 khẩu súng máy đặt trên một đế xoay phía sau buồng lái. Quan sát viên sẽ đứng và vận hành khẩu súng, toàn thân được buộc bởi các đai an toàn để đảm bảo họ không bị rơi ra trong quá trình máy bay nhào lộn, chuyển hướng khi đang chiến đấu. Trường hợp máy bay bị bắn hạ bằng súng máy đầu tiên xảy ra vào tháng 10 năm 1914 khi xạ thủ trên một chiếc máy bay 2 tầng cánh Voisin III của Pháp đã sử dụng khẩu súng máy Hotchkiss bắn rơi máy bay trinh sát Aviatik C-I của Đức.
Mẫu máy bay F.E 2d dùng động cơ đẩy sau, xạ thủ vận hành súng trong buồng lái mở.
Người Anh trong khi đó vẫn nghĩ rằng một khẩu súng lắp tại mũi máy bay vẫn là câu trả lời tối ưu nhưng chưa thể tìm ra giải pháp để tránh cánh quạt của động cơ cản trở đường đạn. Không lực hoàng gia Anh đã thử nghiệm thiết kế máy bay dùng động cơ cánh quạt đẩy (push propeller) - cánh quạt được đặt phía sau buồng lái hay đuôi máy bay để đẩy máy bay về phía trước, nhờ đó phi công có thể vận hành một khẩu súng lắp tại mũi máy bay. Tuy nhiên, giải pháp này không thật sự tốt bởi thiết kế động cơ cánh quạt đẩy sau không cho phép máy bay vận động linh hoạt như thiết kế động cơ cánh quạt kéo.
Giải pháp đầu tiên
Người Pháp thay vào đó tìm kiếm một phương pháp tiếp cận khác. Phi công nổi tiếng Roland Garros đã đề xuất với nhà thiết kế máy bay Raymond Saulnier tìm một giải pháp để khai hỏa khẩu súng máy Hotchkiss 8 mm xuyên qua đĩa cánh quạt của động cơ. Ý tưởng mà họ phát triển là gắn các tấm bọc thép và khiên hình tam giác làm lệch hướng đạn vào cánh quạt. Những cái khiên này có phần mũi hướng về phía buồng lái và chức năng của nó là khi đạn từ khẩu súng máy bắn trúng cánh quạt thì nó sẽ tản viên đạn ra ngoài, không bắn ngược về phía buồng lái. Garros đã thử nghiệm loại cánh quạt bọc thép có gắn nêm tản đạn này trên chiếc máy bay chiến đấu Morane-Saulnier Type L vào tháng 4 năm 1915 và ngay sau khi cất cánh, Garros đã bắn hạ 2 chiếc máy bay trinh sát Albatros của Đức. Garros được xem là người hùng nhưng thiết kế của ông làm giảm đáng kể hiệu năng của động cơ cánh quạt. Trong một cuộc oanh tạc lớn, máy bay của Garros bị dính đạn súng trường vào thùng nhiên liệu và bốc cháy. Ông bị bắt và thiết kế cánh quạt bọc thép, khiên tản đạn và kết cấu lắp súng máy rơi vào tay người Đức.
Cò đồng bộ
Thiết kế của Garros được giao cho một nhà sản xuất máy bay người Hà Lan - Anthony Fokker làm việc tại một nhà máy của Đức để chế tạo những thứ tương tự. Fokker không ấn tượng với thiết kế khiên tản đạn của Garros nhưng chúng đã gợi ý cho ông chuyển một ý tưởng thành một thứ sau này được gọi là "cò đồng bộ" hay "cò đứt đoạn" (synchronization gear hay interruption gear). Mục tiêu của cơ chế đồng bộ là cân chỉnh cò súng với động cơ sao cho khẩu súng không nhả đạn khi cánh quạt sắp quay tới che đường đạn. Fokker không phải là người đầu tiên nghiên cứu ý tưởng này mà trên thực tế, kỹ sư người Thụy Sĩ - Franz Schneider đã được trao bằng sáng chế về một cơ chế đồng bộ tương tự vào năm 1913. Thêm vào đó, nhà thiết kế Raymond Saulnier cũng từng chế tạo và thử nghiệm cò đồng bộ vào tháng 4 năm 1914 nhưng không có thiết kế nào đủ hoàn thiện để sử dụng trong chiến đấu.
Fokker đã kiên trì hơn và chỉ trong vòng vài ngày sau khi có được các công nghệ quý giá của Garros, ông đã thành công trong việc tạo ra một hệ thống đồng bộ có thể dùng được. Thiết bị này đã được sử dụng để liên kết khẩu súng máy Parabellum IMG 14 của Đức với động cơ của chiếc máy bay Fokker A.III 1 chỗ ngồi 1 tầng cánh. Fokker ngay từ đầu đã muốn biến những chiếc máy bay 1 tầng cánh Eindecker trở thành máy bay chiến đấu nhưng không thể trang bị một khẩu súng máy hiệu quả trên chiếc máy bay này. Vì vậy Đức vẫn sử dụng dòng máy bay Eindecker với vai trò trinh sát hay liên lạc không trang bị vũ khí. Phát minh mới của ông về cơ chế đồng bộ sẽ cho phép thiết kế máy bay này phát huy toàn bộ tiềm năng.
Fokker đặt tên cho phát minh là Zentralsteuerung (kiểm soát trung tâm) và trái tim của cả hệ thống là một bánh cam được gắn và quay với trục xoay của cánh quạt động cơ. Đầu tiên khẩu súng được gắn trước buồng lái và nạp đạn, sau đó phi công kéo một tay cầm để mở cò súng. Tay cầm này sẽ hạ một chiếc cần dẫn xuống bánh cam (cam follower). Chiếc bánh cam này có thiết kế không tròn hẳn mà có một chỗ lồi. Mỗi khi bánh cam quay theo vòng quay của cánh quạt, phần lồi sẽ đẩy cần dẫn hướng lên khiến thanh nối với cò bị đẩy về sau, kích hoạt khẩu súng giống như khi chúng ta dùng ngón tay siết cò. Phần lồi trên bánh cam được thiết kế và lắp tại một vị trí sao cho cò súng chỉ được kích hoạt khi cánh quạt động cơ không chắn đường đạn theo chuyển động quay.
Sau khi thử nghiệm thành công trên mặt đất và chứng minh độ hiệu quả trên một chiếc máy bay Eindecker, Ban thanh tra lực lượng không quân của Đức đã đặt hàng hàng loạt các máy bay Fokker E.I với hệ thống cò đồng bộ và những chiếc máy bay này bắt đầu được đưa đến chiến tuyến phía tây. Đến nửa đầu năm 1916, Đức đã thống trị bầu trời Tây Âu nhờ những chiếc máy bay chiến đấu E.I, E.II và E.III được lắp súng máy. Những chiếc máy bay của Pháp hay Anh liên tiếp bị bắn hạ, đến nỗi Pháp buộc phải hủy các nhiệm vụ đánh bom ban ngày và Anh thì trung bình mỗi ngày mất 2 máy bay.
Fokker trên chiếc máy bay Eindecker.
Mặc dù công nghệ cò đồng bộ của Fokker đã được Đức bảo vệ rất nghiêm ngặt nhưng cuối cùng, chiếc Fokker E cũng rơi vào tay quân đồng minh và các nước bắt đầu phát triển những phiên bản cò đồng bộ khác nhau. Một loạt các mẫu máy bay chiến đấu của Anh, Pháp được trang bị súng máy và cò đồng bộ được giới thiệu. Mặc dù hiệu năng của chúng không cao do tốc độ bắn quá chậm ở tốc độ bay thấp và kết nối giữa súng và động cơ thường hỏng nhưng quân đồng minh ít ra đã bắt kịp Đức.
Phát minh của George Constantinescu.
Tháng 3 năm 1917, nhà phát minh người Romania - George Constantinescu đã phát triển hệ thống cò đồng bộ cùng tên hay cò CC và điểm cải tiến trên hệ thống này là nó dùng một ống chất lỏng để tạo lực đẩy lên cò súng. Phát minh của Constantinescu đáng tin cậy hơn và cho tốc độ bắn cao hơn, gần với súng máy thông thường. Thiết kế này được dùng làm tiêu chuẩn trên những chiếc máy bay chiến đấu của Anh cho đến khi chiến tranh thế giới 2 nổ ra.
Cò đồng bộ vẫn là một thành phần quan trọng trong thiết kế máy bay chiến đấu và được áp dụng vào nhiều loại máy bay khác. Một cải tiến công nghệ quan trọng sau này xuất hiện cùng với sự phát triển của loại tháp súng gắn trên các máy bay ném bom. Những tháp súng này được thiết kế để xoay và nâng lên cao với góc bắn rộng vừa để tấn công, vừa bản vệ máy bay trước các máy bay tiêm kích nhỏ. Để tránh tình trạng đạn vô tình bắn vào máy bay khi xạ thủ xoay tháp súng, các kỹ sư đã phát triển một hệ thống điện sử dụng nam châm điện (solenoid) để vô hiệu hóa khẩu súng tại một số vị trí nhất định trong phạm vi khai hỏa. Khi súng được đưa vào vị trí cấm, dòng điện bị cắt và cò bị vô hiệu hóa.
Chiếc P-40 Warhawk trong giai đoạn đầu thế chiến thứ 2.
Trong giai đoạn đầu chiến tranh thế giới thứ 2, máy bay chiến đấu vẫn dùng cò đồng bộ với súng đặt sau động cơ cánh quạt. Tuy nhiên, khi súng máy bắt đầu to hơn và mạnh hơn, việc gắn nó ngay trước buồng lái là điều không thể. Thêm vào đó, sự cải tiến về khả năng nhắm bắn cho phép súng được đưa ra xa phi công mà không làm giảm đi độ chính xác. Lúc này, người ta lại quay về thiết kế ban đầu đó là gắn súng ra ngoài, trên 2 bên cánh nơi có nhiều khôn gian hơn, cứng hơn và bền bỉ hơn. Những khẩu súng được dời ra xa cánh quạt và lại được đặt theo một góc hướng tới đồng quy theo một điểm định sẵn phía trước mũi máy bay. Như vậy súng gắn trên cánh trở thành trang bị tiêu chuẩn trên hầu hết máy bay chiến đấu trong thế chiến 2, mặc dù một số máy bay của Đức và Nga vẫn dùng thiết kế súng gắn trước buồng lái kiểu cũ bên cạnh súng gắn trên cánh.
Yakovlev Yak-9.
Những chiếc máy bay dùng cơ chế cò đồng bộ cuối cùng là Lavochkin La-11 và Yakovlev Yak-9 được dùng bởi quân đội Bắc Hàn trong chiến tranh Triều Tiên. Hệ thống này dần biến mất cùng với sự xuất hiện của máy bay chiến đấu dùng động cơ phản lực. Súng máy vẫn được gắn phía trước hoặc trong cánh và được xem là một trang bị quan trọng cho đến khi tên lửa không đối không dẫn đường ra đời.