Ngày 17 tháng 12 năm 1903, gần Kitty Hawk, bang North Carolina, Wilbur (1867–1912) và Orville Wright (1871–1948) thực hiện bốn chuyến bay có động cơ, có người lái và điều khiển được; chuyến đầu dài 12 giây, chuyến cuối 59 giây và đi được khoảng 260 mét. Câu hỏi đáng hỏi không phải là “ai bay đầu tiên” mà là vì sao hai người chủ tiệm xe đạp ở Dayton, không có bằng đại học, giải được bài toán mà nhiều kỹ sư được tài trợ tốt chưa giải được.
Câu trả lời nằm ở phương pháp: họ tách bài toán bay thành ba phần (lực nâng, lực đẩy, điều khiển), nhận ra phần điều khiển là cốt lõi mà người khác bỏ qua, tự đo lại dữ liệu khí động học khi thấy số liệu đã công bố sai, và thử nghiệm theo từng bậc rủi ro tăng dần. Đây là một trong những ví dụ rõ nhất về phương pháp kỹ thuật trong lịch sử.
Phần dưới phân tích từng bước của phương pháp đó, rồi nhìn vào giai đoạn sau năm 1906, khi chính hai anh em sa vào cuộc chiến bằng sáng chế làm chậm họ.
Bắt đầu như một nhà nghiên cứu: đọc tài liệu và chọn đúng vấn đề
Năm 1899, Wilbur viết thư cho Viện Smithsonian xin tài liệu về bay. Hai anh em đọc công trình của Otto Lilienthal, người Đức đã bay hàng nghìn chuyến tàu lượn trước khi tử nạn năm 1896, của Samuel Langley, và của kỹ sư Octave Chanute, người về sau trở thành người trao đổi thư từ quan trọng của họ. Họ nhanh chóng đưa ra một chẩn đoán khác số đông: lực nâng và động cơ đã gần đủ, vấn đề chưa giải là làm sao giữ thăng bằng và điều khiển máy bay trong không khí.
Nhiều người đi trước thiết kế máy bay ổn định tự thân, hoặc giữ thăng bằng bằng cách dịch chuyển trọng lượng cơ thể như Lilienthal. Anh em Wright, có lẽ nhờ kinh nghiệm với xe đạp, một phương tiện vốn không ổn định nhưng người lái điều khiển được, cho rằng phi công phải chủ động điều khiển liên tục. Đây là một lựa chọn khái niệm, và nó định hướng toàn bộ công việc sau đó.
Bài học cho người làm nghiên cứu ứng dụng: trước khi tối ưu, hãy hỏi nút thắt thật sự nằm ở đâu. Rất nhiều dự án dồn tiền vào phần đã gần giải được, như động cơ mạnh hơn, trong khi phần quyết định là thứ khó đo và ít hấp dẫn hơn, như điều khiển.
Phương pháp từng bước: từ diều đến máy bay có động cơ
Trình tự thử nghiệm của hai anh em được ghi chép kỹ trong thư từ và nhật ký, và nó thể hiện nguyên tắc tăng dần rủi ro:
- 1899 – diều thử nghiệm: một chiếc diều hai tầng cánh để thử cơ chế vặn cánh (wing warping), tức là xoắn nhẹ đầu cánh để tạo lực nâng chênh lệch hai bên và làm máy bay nghiêng. Theo lời kể của chính họ, ý tưởng đến khi Wilbur vô tình xoắn một hộp các-tông dài.
- 1900 – tàu lượn đầu tiên ở Kitty Hawk: địa điểm được chọn sau khi hỏi Cục Thời tiết Mỹ về nơi có gió mạnh và đều, cộng với cát mềm để hạ cánh. Tàu lượn chủ yếu bay như diều có dây giữ.
- 1901 – thất vọng: tàu lượn lớn hơn cho lực nâng thấp hơn tính toán rất nhiều. Theo hồi ức của Orville, Wilbur nói trên đường về rằng con người sẽ không bay được trong một nghìn năm, một câu thường được trích nhưng chỉ có nguồn từ hồi ức.
- Cuối 1901 – ống gió: thay vì bỏ cuộc, họ tự làm một ống gió nhỏ và đo khoảng hai trăm mẫu cánh với cân đo tự chế. Họ phát hiện hệ số dùng trong công thức lực nâng truyền thống, thường gọi là hệ số Smeaton, bị lấy quá cao, và bảng số liệu của Lilienthal không áp dụng được cho cánh của họ.
- 1902 – tàu lượn thứ ba: thiết kế theo số liệu ống gió, thêm bánh lái đứng điều khiển được và nối với cơ cấu vặn cánh. Họ thực hiện hàng trăm chuyến lượn và lần đầu có điều khiển đủ cả ba trục: chúc ngóc, nghiêng và lệch hướng.
- 1903 – lực đẩy: không tìm được động cơ phù hợp, họ cùng thợ máy Charlie Taylor tự làm một động cơ khoảng 12 mã lực. Họ coi cánh quạt như một cánh máy bay quay tròn và tự xây lý thuyết cánh quạt, đạt hiệu suất cao so với thời đó.
- 1904–1905 – biến thử nghiệm thành máy dùng được: tại cánh đồng Huffman Prairie gần Dayton, chiếc Flyer III năm 1905 bay vòng, quay đầu và ở trên không hơn nửa giờ.
Mỗi bậc chỉ thêm một ẩn số mới. Khi chuyến bay có động cơ diễn ra, họ đã có hàng trăm giờ kinh nghiệm điều khiển trên tàu lượn và có dữ liệu khí động học của riêng mình.
Ống gió năm 1901: khoảnh khắc đáng học nhất
Nếu chỉ chọn một chi tiết để dạy về phương pháp, đó là ống gió. Khi thực tế lệch xa tính toán năm 1901, có ba cách phản ứng: đổ lỗi cho tay nghề, sửa thiết kế bằng cảm tính, hoặc nghi ngờ chính dữ liệu đầu vào. Anh em Wright chọn cách thứ ba, dù dữ liệu đó đến từ những người họ kính trọng như Lilienthal.
Ống gió của họ là một hộp gỗ dài khoảng sáu bộ Anh, quạt chạy bằng động cơ của xưởng. Phần thông minh nhất là các cân đo làm từ nan hoa và lưỡi cưa cũ, được thiết kế để so sánh trực tiếp lực của mẫu cánh với một tấm phẳng chuẩn, nhờ vậy loại bỏ được sai số tuyệt đối khó đo. Đó là nguyên tắc đo so sánh mà kỹ sư hôm nay vẫn dùng: khi không đo chính xác được giá trị tuyệt đối, hãy đo tỉ số so với một chuẩn.
Họ thử có hệ thống các tham số như độ cong, tỉ lệ dài–rộng của cánh và hình dạng mép trước, rồi lập bảng số liệu. Kết luận quan trọng nhất là cánh dài và hẹp hiệu quả hơn cánh ngắn và rộng, điều chiếc tàu lượn 1902 áp dụng ngay. Tổng chi phí cho công cụ này rất nhỏ, nhưng giá trị của nó là biến một dự án mò mẫm thành dự án có cơ sở định lượng.
Hai người, một bộ óc làm việc: cách anh em Wright cộng tác
Anh em Wright thường được nhắc như một đơn vị, và chính họ cũng muốn vậy: các bằng sáng chế và bài viết đều đứng tên chung. Tư liệu cho thấy một sự phân công khá rõ nhưng linh hoạt. Wilbur thường là người viết thư, trình bày lý thuyết và đối ngoại, như các bức thư dài gửi Octave Chanute hay bài thuyết trình trước Hiệp hội Kỹ sư Miền Tây ở Chicago năm 1901. Orville giỏi về chế tạo và thử nghiệm, và giữ nhiều nhật ký ghi chép chi tiết các chuyến bay. Hai người lần lượt lái để chia rủi ro, và theo thoả thuận gia đình, họ không bao giờ bay cùng nhau trong một chuyến, cho tới một lần duy nhất năm 1910.
Điểm đáng học nhất là cách họ tranh luận. Orville sau này kể rằng hai anh em có thể cãi nhau hàng giờ về một vấn đề kỹ thuật, đôi khi mỗi người đổi sang bảo vệ quan điểm của người kia. Lối tranh luận này buộc mỗi giả định phải được bảo vệ bằng lý lẽ hoặc dữ liệu, không phải bằng vị thế. Lý thuyết cánh quạt năm 1903 ra đời từ đúng những cuộc tranh luận như vậy, khi họ nhận ra không có tài liệu nào cho biết cách thiết kế cánh quạt máy bay.
Với một nhóm kỹ thuật nhỏ hôm nay, bài học là xung đột ý tưởng có cấu trúc: hai người cùng mục tiêu, cùng quyền phản bác, cùng nghĩa vụ ghi lại kết luận. Nó rẻ hơn nhiều so với một hội đồng phản biện, và hiệu quả hơn nhiều so với một trưởng nhóm quyết mọi thứ một mình.
So sánh cách tiếp cận: anh em Wright và Samuel Langley
Cùng thời điểm, Samuel Langley, thư ký Viện Smithsonian, nhận khoản tài trợ lớn từ Bộ Chiến tranh Mỹ để làm máy bay. Đặt hai cách làm cạnh nhau cho thấy phương pháp quan trọng hơn ngân sách:
| Khía cạnh | Anh em Wright | Samuel Langley |
|---|---|---|
| Nguồn lực | Tiền tự có từ tiệm xe đạp | Tài trợ công lớn và đội kỹ sư |
| Ưu tiên kỹ thuật | Điều khiển phi công trước, động cơ sau | Động cơ mạnh và mô hình bay ổn định |
| Thử nghiệm có người | Hàng trăm chuyến tàu lượn có người lái trước khi lắp động cơ | Phi công gần như không có kinh nghiệm lái trước lần thử chính |
| Cách phóng | Cất cánh từ đường ray trên mặt đất, gió ngược | Phóng bằng máy phóng từ thuyền trên sông |
| Kết quả năm 1903 | Bốn chuyến bay có điều khiển ngày 17 tháng 12 | Hai lần thử tháng 10 và tháng 12 đều rơi xuống sông |
Bảng không nhằm chê Langley, người có đóng góp với mô hình không người lái trước đó. Nó cho thấy một lỗi phương pháp phổ biến: nhảy thẳng tới bài kiểm tra cuối cùng mà bỏ qua các bậc học hỏi rẻ hơn.
Sau năm 1906: khi bằng sáng chế trở thành cái bẫy
Anh em Wright nộp đơn sáng chế năm 1903 và được cấp bằng Mỹ năm 1906, với yêu cầu bảo hộ rộng về cơ chế điều khiển nghiêng kết hợp bánh lái. Họ giữ kín và từ chối trình diễn công khai cho tới khi có hợp đồng, nên năm 1908 họ mới bay trình diễn tại Le Mans, Pháp (Wilbur) và Fort Myer, bang Virginia (Orville). Ở Fort Myer, một tai nạn làm Orville bị thương nặng và trung uý Thomas Selfridge thiệt mạng, người đầu tiên chết trong tai nạn máy bay có động cơ.
Từ năm 1909, hai anh em, nhất là Wilbur, dồn sức cho các vụ kiện xâm phạm bằng sáng chế, nổi bật nhất là với Glenn Curtiss, người dùng cánh phụ (aileron) thay cho vặn cánh. Toà án Mỹ phần lớn đứng về phía họ, nhưng trong thời gian đó các nhà thiết kế châu Âu tiến nhanh, và máy bay Wright tụt hậu về kỹ thuật. Wilbur mất năm 1912 vì thương hàn; nhiều người thân cho rằng áp lực kiện tụng làm ông suy kiệt. Năm 1917, chính phủ Mỹ thúc đẩy một thoả thuận chia sẻ bằng sáng chế giữa các nhà sản xuất để phục vụ chiến tranh.
Còn một tranh chấp danh dự kéo dài: Viện Smithsonian trưng bày chiếc máy bay của Langley đã được sửa đổi như “cỗ máy có khả năng bay đầu tiên”. Phản đối điều này, Orville gửi chiếc Flyer 1903 sang Bảo tàng Khoa học London năm 1928; chỉ sau khi Smithsonian chính thức đính chính năm 1942, chiếc máy bay mới trở về Mỹ năm 1948, sau khi Orville mất. Bài học: bằng sáng chế là công cụ để thương mại hoá, không phải mục đích tự thân; dồn sức bảo vệ nó có thể làm mất chính lợi thế kỹ thuật đã tạo ra nó.
Câu hỏi thường gặp
Anh em nhà Wright có phải người đầu tiên bay không?
Họ được công nhận rộng rãi là người đầu tiên thực hiện chuyến bay có động cơ, nặng hơn không khí, có người lái, kéo dài và điều khiển được, vào năm 1903. Nhiều người khác bay bằng khinh khí cầu hoặc tàu lượn trước đó, và có những tuyên bố cạnh tranh như của Alberto Santos-Dumont năm 1906 hay Gustave Whitehead, nhưng tuyên bố của Whitehead thiếu bằng chứng đáng tin.
Vặn cánh khác cánh phụ (aileron) thế nào?
Vặn cánh làm xoắn cả cấu trúc cánh mềm để đầu cánh hai bên có góc tấn khác nhau, tạo chênh lệch lực nâng. Cánh phụ là các tấm bản lề gắn ở mép sau cánh, lệch lên xuống để đạt hiệu quả tương tự mà không cần cánh mềm. Cánh phụ phù hợp với cánh cứng và tốc độ cao hơn nên trở thành tiêu chuẩn.
Vì sao xe đạp lại giúp anh em Wright?
Tiệm xe đạp cho họ tiền, xưởng và tay nghề cơ khí chính xác. Quan trọng hơn, xe đạp dạy họ rằng một phương tiện không ổn định vẫn điều khiển được nếu người lái chủ động liên tục giữ thăng bằng. Họ cũng dùng một chiếc xe đạp gắn mẫu cánh để thử khí động học trước khi làm ống gió.
Chiếc Flyer 1903 hiện ở đâu?
Chiếc máy bay gốc được trưng bày tại Bảo tàng Hàng không và Vũ trụ Quốc gia của Viện Smithsonian ở Washington. Nó trở về Mỹ năm 1948 sau hai thập niên nằm ở Bảo tàng Khoa học London, theo thoả thuận ra đời sau khi Smithsonian chính thức thừa nhận vị trí của anh em Wright trong lịch sử hàng không.
Phương pháp của anh em Wright áp dụng cho dự án phần cứng hiện nay thế nào?
Ba nguyên tắc dùng được ngay: xác định nút thắt thật sự trước khi tối ưu; khi dữ liệu thực tế lệch với tính toán thì kiểm tra lại dữ liệu đầu vào, kể cả từ nguồn uy tín; và xây thang thử nghiệm với rủi ro tăng dần, mỗi bậc chỉ thêm một ẩn số. Một nhóm làm thiết bị bay không người lái nông nghiệp có thể áp dụng trực tiếp.
Anh em Wright có học đại học không?
Không ai trong hai người có bằng đại học. Wilbur đã chuẩn bị vào Yale nhưng bỏ kế hoạch sau một chấn thương và giai đoạn sức khoẻ kém; Orville bỏ trung học để làm nghề in. Họ tự học qua đọc tài liệu, trao đổi thư từ với các kỹ sư như Octave Chanute và thực nghiệm có hệ thống.