Người phát minh ra Autopilot và máy bay không người lái

[Minh Nguyệt]

Lawrence Sperry, nhà phát minh người Mỹ sinh năm 1892, là cha đẻ của hệ thống lái tự động và là người đặt nền móng cho drone hiện đại, dù ông mất khi mới 31 tuổi.

Lớn lên trong gia đình của nhà phát minh Elmer Sperry, Lawrence sớm bộc lộ tài năng cơ khí. Năm 1914, ông trình diễn hệ thống lái tự động đầu tiên trên thế giới tại cuộc thi hàng không ở Pháp bằng cách buông tay khỏi cần lái, để máy bay tự bay trong khi trợ lý đứng trên cánh. Hệ thống này dùng con quay hồi chuyển để cảm nhận đồng thời ba chuyển động của máy bay, tự động điều chỉnh mà không cần phi công can thiệp.

Năm 1916, ông cùng nhóm kỹ sư phát triển "Bug", một ngư lôi có cánh mang bom bay theo hành trình định sẵn, tiền thân trực tiếp của drone quân sự hiện đại. Thiết bị thiếu hệ thống định vị vị trí nên chưa thể triển khai thực chiến, một giới hạn mà mãi đến thập niên 1990, khi GPS ra đời, mới được giải quyết triệt để.

Tháng 12/1923, Sperry mất tích khi bay một mình qua eo biển Manche trong sương mù dày đặc. Công nghệ lái tự động ông phát minh vẫn là nền tảng của mọi máy bay thương mại và drone quân sự ngày nay.

Các bạn có tin không, vào ngày 21/11/1916, một phi công kiêm nhà phát minh tên là Lawrence Sperry đã gặp sự cố khi đang bay cùng học trò Dorothy Rice Pierce trên vịnh Great South của Long Island. Chiếc máy bay của họ bất ngờ lao thẳng xuống nước! Sau này, Sperry thú nhận rằng mình vô tình chạm vào hệ thống lái tự động – một công nghệ mà anh ấy vừa mới phát minh – khiến nó bị ngắt kết nối và gây ra tai nạn đáng tiếc đó.

May mắn là cả hai đều sống sót, dù cô Pierce bị gãy xương chậu. Vụ tai nạn này đã tạo ra những tiêu đề giật gân như "Ân ái trên không – Kết thúc bằng việc ướt sũng", một cụm từ vẫn còn được nhắc đến trong lịch sử hàng không và sự nghiệp của Sperry. Nhưng thực ra, câu chuyện không phải là một vụ bê bối trên không đâu các bạn ạ. Điều đáng nói ở đây là phát minh lái tự động của Sperry lại chính là một phi công đáng tin cậy hơn cả con người!

Thật vậy, rất lâu trước khi chúng ta có GPS, các chuyến bay được lập trình hay công nghệ thị giác máy tính, Lawrence Sperry đã giải quyết được một trong những vấn đề nan giải nhất của ngành hàng không: sự mất ổn định của máy bay. Nhưng nhà phát minh ưa mạo hiểm này không dừng lại ở đó. Anh ấy nghĩ rằng, nếu một chiếc máy bay có thể tự cân bằng trên bầu trời mà không cần phi công, thì nó cũng có thể được điều khiển từ xa và thực hiện các nhiệm vụ mà không cần người lái. Nghĩ mà xem, hàng thập kỷ trước khi những chiếc drone hiện đại bay lượn trên bầu trời, và gần một thế kỷ trước khi chúng được sử dụng trong chiến tranh, Sperry đã thiết kế và chế tạo những "tổ tiên" cơ khí của chúng rồi đó!

Lawrence Burst Sperry dường như đã được định sẵn cho ngành hàng không từ rất lâu trước khi anh ấy đặt chân vào buồng lái. Là con trai út của Elmer Ambrose Sperry, anh lớn lên trong một gia đình say mê thử nghiệm cơ khí. Năm 1928, tạp chí Popular Science từng mô tả về người cha Elmer, người đã tích lũy hàng trăm bằng sáng chế, từ con quay hồi chuyển chuyên dụng (những bánh xe quay nhanh chống lại sự nghiêng) cho đến pin ô tô điện và đèn pha cường độ cao.

Lawrence đã tiếp thu tinh thần sáng tạo của cha mình từ rất sớm. Mới 10 tuổi, anh đã mở một cửa hàng sửa xe đạp. Khi còn là thiếu niên, anh còn tự chế tạo một chiếc tàu lượn ngay trong tầng hầm gia đình – trước cả khi anh biết bay – và sau đó còn gắn động cơ cho nó nữa.

Năm 1913, khi mới ngoài 20 tuổi một chút, Sperry đã lấy được bằng phi công, trở thành một trong những phi công trẻ nhất ở Hoa Kỳ. Đó cũng là lúc anh ấy hướng tài năng cơ khí thiên bẩm của mình vào vấn đề mất ổn định của máy bay, một vấn đề nhức nhối của ngành hàng không thời kỳ đầu. Chỉ một thập kỷ sau chuyến bay lịch sử của anh em nhà Wright vào năm 1903, máy bay đã tiến bộ rất nhiều, nhưng chúng vẫn là những cỗ máy mong manh, đòi hỏi phi công phải liên tục điều chỉnh để giữ thăng bằng trên không. Sperry tin rằng mình đã tìm ra giải pháp.

Bước đột phá thay đổi ngành hàng không chính là việc Sperry đã điều chỉnh con quay hồi chuyển hải quân của cha mình, một dự án anh bắt đầu vào khoảng năm 1912. Các con tàu đã được hưởng lợi từ bộ ổn định con quay hồi chuyển của cha anh – một bánh xe khổng lồ quay nhanh được gắn trong thân tàu để chống lại chuyển động lắc lư. Nhưng máy bay thì cần một thứ gì đó nhỏ hơn, nhẹ hơn và phản ứng nhanh hơn nhiều.

Một chiếc máy bay di chuyển trên bầu trời theo ba cách cơ bản: nghiêng dọc (pitch), nghiêng ngang (roll) và lệch hướng (yaw). Nghiêng dọc là khi mũi máy bay chúc lên hoặc xuống, điều khiển việc lên cao và hạ cánh. Nghiêng ngang là khi cánh máy bay nghiêng sang trái hoặc phải, giúp máy bay vào cua. Lệch hướng là khi máy bay xoay ngang sang hai bên, giữ cho nó thẳng hàng với hướng di chuyển.

Các phi công điều khiển những chuyển động này bằng các bề mặt điều khiển khác nhau: cánh nâng (ở đuôi) nâng hoặc hạ mũi, cánh liệng (ở đầu cánh) nghiêng máy bay sang trái hoặc phải, và bánh lái (ở đuôi) chống lại chuyển động ngang không mong muốn. Bộ ổn định con quay hồi chuyển của Sperry phải cảm nhận cả ba chuyển động này cùng lúc và tự động điều chỉnh các bộ phận điều khiển – thực hiện thông qua các dây điều khiển tự động những gì một phi công làm theo bản năng. Và tất nhiên, nó cũng phải đủ nhỏ gọn để lắp vừa trên máy bay. Đến năm 1914, Sperry đã sẵn sàng công bố phát minh của mình.

Tháng 6 năm đó, ngay bên ngoài Paris, Pháp, cuộc thi an toàn máy bay đầu tiên trên thế giới đã được tổ chức dọc bờ sông Seine, với tên gọi Concours de la Sécurité en Aéroplane. Các nhà phát minh từ khắp nơi trên thế giới đã tụ họp để trình diễn hàng loạt đổi mới, từ cải thiện độ tin cậy của động cơ cho đến thiết kế càng đáp mới. Nhưng Sperry lại đến với một thứ gì đó cấp tiến hơn nhiều.

Trước đám đông giám khảo và khán giả, anh ấy đứng trong buồng lái của chiếc máy bay, hai tay giơ cao, trong khi trợ lý của mình, thợ máy người Pháp Emil Cachin, trèo ra ngoài cánh. Cả hai đã bay qua khán đài mà không có ai điều khiển máy bay, báo hiệu sự ra đời của hệ thống lái tự động. Tờ The Daily Mail ở London đã giật tít "Đứng trên không", tường thuật: "Những màn trình diễn ấn tượng về thiết bị ổn định máy bay... của ông Sperry". Chiếc máy bay đã thực hiện năm lần bay qua, mỗi lần Sperry và trợ lý của mình lại trèo lên cánh hoặc đuôi, không có phi công, để chứng minh khả năng ổn định của thiết bị.

Sperry chưa bao giờ mất đi niềm đam mê với những màn trình diễn ngoạn mục. Năm 1918, anh ấy thiết kế một chiếc dù ngồi, chứng minh độ tin cậy của nó bằng cách nhảy từ mái của khách sạn Garden City cao 6 tầng ở Long Island.

Năm 1922, Sperry bị một sĩ quan tuần tra hạt Nassau phạt vì đã hạ cánh máy bay xuống một con phố ở thị trấn Long Island của mình, rồi lại vui vẻ cất cánh khi sĩ quan đang truy đuổi. Cuối năm đó, vào ngày 22 tháng 3, anh ấy còn táo bạo hạ cánh máy bay ngay trước bậc thềm của Điện Capitol Hoa Kỳ như một phần của chiến dịch quảng bá cho chiếc máy bay giá rẻ mới của mình, chiếc Sperry Messenger. Tạp chí Popular Science khi đó còn dự đoán rằng chiếc máy bay này có thể sớm trở nên phổ biến như ô tô vậy.

Năm 1916, được thúc đẩy bởi nhu cầu của Thế chiến thứ nhất, Sperry đã hợp tác với cha mình và các nhà phát minh khác như Peter Hewitt (người phát minh ra đèn hơi thủy ngân) và Charles Kettering (một nhà phát minh tài năng với 186 bằng sáng chế, từ máy tính tiền điện tử đến bộ khởi động ô tô điện). Họ cùng nhau chế tạo một ngư lôi trên không, hay tên lửa dẫn đường, tận dụng bộ ổn định tự động của Sperry.

Họ đã tạo ra chiếc Kettering Liberty Eagle, hay còn gọi là "Bug", một chiếc máy bay thu nhỏ với thân hình ngư lôi và cánh lưỡng thể nhỏ, được thiết kế để mang bom trong một chuyến đi một chiều. Sperry đã đề xuất trang bị càng đáp để chiếc máy bay mini này có thể thả bom và quay trở lại – giống hệt một chiếc drone hiện đại.

Nhưng với chiến tranh đang diễn ra ác liệt, sự phức tạp kỹ thuật bổ sung cho một chuyến đi khứ hồi sẽ làm mất thêm thời gian mà nhóm không có. Chiếc "Bug" chỉ đạt được thành công hạn chế, gặp phải những trở ngại về điều khiển vô tuyến và cảm biến vị trí mà công nghệ thời đó không thể giải quyết kịp thời để cung cấp tên lửa không người lái trước khi Thế chiến thứ nhất kết thúc.

Mặc dù nguồn tài trợ quân sự giảm sau khi chiến tranh kết thúc, nhưng sự quan tâm thương mại đối với hàng không điều khiển từ xa vẫn tiếp tục cho các ứng dụng như chụp ảnh trên không và phun thuốc trừ sâu. Tháng 3 năm 1925, Popular Science đã mô tả sự tiến bộ của "radiodynamics" – hay khoa học điều khiển cơ chế chuyển động từ xa bằng sóng vô tuyến. Nói cách khác, đó là việc sử dụng tín hiệu vô tuyến để điều khiển một cỗ máy.

Trong một bài viết vào tháng 7 năm 1925 với tiêu đề "Máy bay không người lái mới bay bằng vô tuyến", Popular Science đã chia sẻ cách các kỹ sư Pháp đang phát triển máy bay điều khiển bằng vô tuyến có thể thả bom và quay trở về căn cứ, dự đoán trước chiến tranh drone hiện đại cả một thế kỷ.

Sperry và những người khác đã chứng minh rằng máy bay có thể tự ổn định, phản ứng với các lệnh từ xa, và thậm chí tuân theo các hành vi được lập trình đơn giản. Nhưng những cỗ máy tự hành này lại thiếu thông tin vị trí. Các máy bay điều khiển bằng vô tuyến thời kỳ đầu không có cách nào đáng tin cậy để biết chúng đang ở đâu, đã đi được bao xa, hay liệu chúng có đang đi chệch hướng hay không. Tín hiệu vô tuyến có thể ra lệnh chuyển động, nhưng những tín hiệu đó lại không thể xác nhận vị trí.

Lớp thông tin còn thiếu đó, ngày nay chúng ta gọi là hệ thống định vị, phải mất vài thập kỷ nữa mới xuất hiện. Ngay cả vào năm 1956, khi Popular Science mô tả sự tiến bộ của một chiếc drone không người lái, các cơ chế dẫn đường điều khiển vô tuyến cơ bản vẫn không thay đổi nhiều.

Mãi đến những năm 1990, khi các hệ thống định vị dựa trên vệ tinh trở nên phổ biến, drone mới có một bước nhảy vọt. Drone hiện đại dựa vào GPS để cung cấp dữ liệu vị trí chính xác, liên tục, cho phép máy bay đi theo lộ trình, giữ vị trí và tự động quay về nhà. Các máy tính trên bo mạch còn bổ sung thông tin vị trí đó bằng cảm biến chuyển động, máy đo độ cao và thị giác máy tính.

Khi GPS, cảm biến tự động và giao tiếp tiên tiến hội tụ, phi công cuối cùng đã trở thành tùy chọn trong thực tế, chứ không chỉ trên lý thuyết. Hầu hết các máy bay ngày nay, từ máy bay thương mại đến drone quân sự, đều có nguồn gốc từ Sperry. Công nghệ lái tự động trăm năm tuổi của Sperry vẫn giúp máy bay cảm nhận chuyển động của chính mình, tự điều chỉnh và tuân theo các lệnh mà không cần sự kiểm soát liên tục của con người.

Thế nhưng, một bi kịch đã xảy ra vào tháng 12 năm 1923. Lawrence Sperry đã cất cánh một mình trong sương mù dày đặc trên eo biển Manche, trong điều kiện mà ngay cả những phi công giàu kinh nghiệm thời đó cũng phải lo lắng. Nhưng Sperry lại đặc biệt thoải mái khi bay "mù". Ngoài bộ ổn định tự động, anh ấy còn giúp phát triển các thiết bị được thiết kế đặc biệt cho chuyến bay tầm nhìn thấp, bao gồm một chỉ báo đường chân trời con quay hồi chuyển giúp phi công biết đâu là "trên" khi đường chân trời thực biến mất. Anh ấy tin tưởng vào kim loại quay nhiều như tin vào giác quan của chính mình vậy.

Ở đâu đó trên eo biển Manche, Sperry đã biến mất. Anh ấy mới chỉ 31 tuổi. Người đàn ông đã dành cả sự nghiệp ngắn ngủi của mình để chế tạo máy bay tự bay, đã được nhìn thấy lần cuối cùng làm chính xác điều đó – một mình trong mây, dựa vào công nghệ mà anh ấy tin rằng có thể làm cho chuyến bay an toàn hơn, ổn định hơn và một ngày nào đó, không cần phi công.