Cơ học bay 1 các bề mặt điều KHIỂN BAY (flight control surfaces)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH Cơ học bay CÁC BỀ MẶT ĐIỀU KHIỂN BAY (Flight Control Surfaces) Giảng viên: PGS TS Nguyễn Thiện Tống Sinh viên: MSSV: Lớp: Lương Hữu Trọng G1103841 GT11HK TP Hồ Chí Minh, tháng 2/2014 Họ tên : Lương Hữu Trọng MSSV : G1103841 Lớp : GT11HK CƠ HỌC BAY Giảng viên : PGS TS Nguyễn Thiện Tống Ngày nộp : 10/02/2014 Mục lục Danh sách hình ảnh Danh sách bảng biểu Giới thiệu Một số khái niệm liên quan 2.1 Lực nâng cánh [3] 2.2 Hệ trục tọa độ trọng tâm máy bay [6] Bề mặt điều khiển (Main control surfaces) [7] 10 3.1 Cánh liệng (Ailerons) 11 3.1.1 Khái niệm hoạt động 11 3.1.2 Hạn chế cách khắc phục 12 3.2 Cánh lái độ cao (Elevators) 14 3.3 Cánh lái hướng (Rudder) 16 3.3.1 Khái niệm hoạt động 16 3.3.2 Hạn chế cách khắc phục 17 Bề mặt điều khiển phụ 18 4.1 Cánh trợ liệng hay cánh cản (Spoilers) 18 4.2 Cánh tà sau (Flaps) [9] 19 4.2.1 Cánh tà sau phẳng (Plain flap) 21 4.2.2 Cánh tà sau rời (Split flap) 21 4.2.3 Cánh tà sau có khe thổi khí (Slotted flap) 21 4.2.4 Cánh tà sau thả trượt (Fowler flap) 21 4.3 Cánh tà trước (Slats) [9] 22 4.3.1 Cánh tà trước cố định (Fixed slat) 23 4.3.2 Cánh tà trước di động (Movable slat) 23 4.3.3 Cánh tà mép trước (Leading edge flap) 24 4.3.4 Cánh tà trước vịng bít (Leading edge cuff) 25 –1– 4.4 Phanh khí động (Air brakes) [7] 26 Bề mặt điều khiển tinh chỉnh [12] 27 Kết luận 28 Phụ lục 29 Phụ lục A Nguyên tắc điều khiển máy bay cánh quay 29 Phụ lục B Cánh tay đòn cân (Horn balance) [13] 30 Phụ lục C Cánh nhỏ đầu mút cánh (Winglet) [15] 31 Phụ lục D Các cánh tạo xoáy (Vortex generator) [16] 32 Phụ lục E Cách bố trí bề mặt điều khiển cánh đuôi 33 Phụ lục F Các bề mặt điều khiển đa 34 Tài liệu tham khảo 36 –2– Danh sách hình ảnh Hình 1-1 Vị trí bề mặt điều khiển máy bay Airbus A380 [1] Hình 1-2 Vị trí bề mặt điều khiển dạng máy bay chiến đấu Hình 1-3 Vị trí bề mặt điều khiển máy bay T-28B [2] Hình 2-1 Hai loại biên dạng cánh bản: cánh cong (a) cánh đối xứng (b) Hình 2-2 Đường dịng khơng khí di chuyển qua biên dạng cánh [4] Hình 2-3 Hiện tượng thất tốc cánh góc lớn Hình 2-4 Phân bố áp suất biên dạng cánh góc khác [4] Hình 2-5 Minh họa đồ thị hệ số lực nâng với góc (a); Đường dịng qua cánh trường hợp cánh tà lệch (b) lệch (c) [5] Hình 2-6 Ba trục tọa độ trọng tâm máy bay [6] Hình 3-1 Vị trí thường thấy bề mặt điều khiển [8] 10 Hình 3-2 Mơ tả trường hợp đẩy cần điều khiển sang trái [6] 11 Hình 3-3 Máy bay lăn sang phải đẩy cần điều khiển sang phải [8] 11 Hình 3-4 Ảnh hưởng lực cản điều khiển cánh liệng [9] 12 Hình 3-5 Điều khiển kết hợp cánh liệng cánh lái hướng để tránh dạt máy bay [9] 12 Hình 3-6 Cánh liệng vi sai [9] 13 Hình 3-7 Cơ chế hoạt động cánh liệng dạng Frise [9] 13 Hình 3-8 Máy bay ngóc lên cánh lái độ cao gập lên [9] 14 Hình 3-9 Mơ tả trúc ngóc máy bay điều khiển cánh lái độ cao [6] 14 Hình 3-10 Ví dụ trường hợp cánh lái độ cao đặt phía trước [2] 15 Hình 3-11 Ví dụ ngang điều khiển máy bay chiến đấu [2] 15 Hình 3-12 Mơ tả chuyển hướng sang phải/trái điều khiển cánh hướng [6] 16 Hình 3-13 Máy bay chuyển hướng sang trái đạp bàn đạp bên trái [9] 16 Hình 4-1 Cánh trợ liệng (cánh cản) máy bay 18 Hình 4-2 Cánh cản - Bề mặt điều khiển giúp sinh lực cản, giảm lực nâng [2] 19 Hình 4-3 Cánh trợ liệng – Hỗ trợ liệng máy bay bay vận tốc cao [2] 19 Hình 4-4 Máy bay hạ cánh, dùng cánh tà sau 20 Hình 4-5 Các loại cánh tà sau thông thường [9] 20 Hình 4-6 Cánh tà sau thả trượt máy bay 21 Hình 4-7 Cánh tà sau thả trượt vị trí mở [2] 22 Hình 4-8 Một loại cánh tà trước 22 –3– Hình 4-9 Mơ tả ảnh hưởng cánh tà trước với dịng khơng khí qua cánh [10] 22 Hình 4-10 Mô tả cánh tà trước cố định máy bay [2] 23 Hình 4-11 Mơ tả hình dạng, vị trí mở cánh tà trước di động 23 Hình 4-12 Cơ cấu thay đổi vị trí cánh tà trước di động 24 Hình 4-13 Cơ cấu xếp – thả cánh tà mép trước 24 Hình 4-14 Hình ảnh thực tế cánh tà mép trước Boeing 737 25 Hình 4-15 Mơ tả cấu tạo cánh tà trước vịng bít [9] 25 Hình 4-16 Phanh khí động máy bay chiến đấu 26 Hình 4-17 Một loại cấu phanh khí động máy bay [11] 26 Hình 5-1 Vị trí bù khí động bề mặt điều khiển 27 Hình 5-2 Mô tả hoạt động cánh tinh chỉnh cánh lái độ cao [9] 27 Hình 0-1 Điều khiển máy bay trực thăng [9] 29 Hình 0-2 Cánh tay địn cân [13] 30 Hình 0-3 Dịng xốy hình thành phía sau máy bay [2] 31 Hình 0-4 Cánh nhỏ đầu mút cánh máy bay 31 Hình 0-5 Cánh tạo xốy mặt cánh [16] 32 Hình 0-6 Mơ tả ảnh hưởng cánh tạo xoáy lên lớp biên 32 Hình 0-7 Một số dạng bố trí cánh lái độ cao cánh lái hướng phía máy bay [2] 33 Hình 0-8 Máy bay hành khách phản lực siêu Concorde [17] 34 Hình 0-9 Máy bay Beechcraft Bonanza V35 có cánh dạng chữ V [9] 34 Hình 0-10 Điều khiển cánh lái độ cao máy bay có cánh dạng chữ V để thực thao tác bay [2] 35 Danh sách bảng biểu Bảng 3-1 Tổng hợp bề mặt điều khiển 10 –4– CÁC BỀ MẶT ĐIỀU KHIỂN BAY (Flight control surfaces) Trong này, “máy bay” hiểu theo nghĩa “máy bay cánh cố định” Giới thiệu Các bề mặt điều khiển (hay gọi cánh điều khiển) cho phép phi công điều khiển trạng thái máy bay, lái máy bay theo ý muốn Nói đến bề mặt điều khiển người ta nghĩ đến bề mặt điều khiển dùng cho máy bay cánh cố định Máy bay sử dụng bề mặt điều khiển khác nhau, vị trí đặt chúng khác nguyên tắc điều khiển bảo tồn Ví dụ bề mặt điều khiển máy bay hành khách, máy bay chiến đấu, máy bay cánh quạt tương tự Hình 1-1, Hình 1-2 Hình 1-3 Nguyên tắc điều khiển máy bay cánh quay (như trực thăng) hoàn toàn khác với nguyên tắc điều khiển máy bay cánh cố định (Xem Phụ lục A) Hình 1-1 Vị trí bề mặt điều khiển máy bay Airbus A380 [1] Hình 1-2 Vị trí bề mặt điều khiển dạng máy bay chiến đấu (Nguồn: www.emeraldinsight.com) –5– Hình 1-3 Vị trí bề mặt điều khiển máy bay T-28B [2] Bề mặt điều khiển máy bay cánh cố định gồm phần: - Bề mặt điều khiển (Main control surfaces); Bề mặt điều khiển phụ (Secondary control surfaces); Bề mặt điều khiển tinh chỉnh (Control trimming surfaces) Ngoài số bề mặt hỗ trợ ổn định bay khác cánh tay đòn cân (Horn balance), cánh nhỏ đầu mút cánh (Wingtip), cánh tạo xốy cánh (Wing vortex generator)…(Xem Phụ lục B, Phụ lục C, Phụ lục D) Trong cịn trình bày thêm số khái niệm liên quan lực nâng cánh, hệ trục tọa độ máy bay –6– Một số khái niệm liên quan Trong mục đưa số khái niệm đơn giản cách hình thành lực nâng cánh hệ trục tọa độ máy bay 2.1 Lực nâng cánh [3] Điều kiện để tạo lực nâng cánh khơng khí di chuyển bề mặt cánh phải nhanh bề mặt cánh, tạo chênh lệch áp suất bề mặt Để làm điều sử dụng cánh cong, tăng góc hay kết hợp cánh cong thay đổi góc Xét biên dạng cánh cong (Hình 2-1a), khơng khí qua bề mặt cánh di chuyển nhanh hơn, tạo phân bố áp suất thấp bề mặt cánh Sự chênh lệch áp suất mặt mặt tạo lực nâng cánh (hay máy bay) Khi tăng độ cong cánh, mở rộng diện tích cánh hay tăng góc làm tăng lực nâng, đồng thời tăng lực cản (a) (b) Hình 2-1 Hai loại biên dạng cánh bản: cánh cong (a) cánh đối xứng (b) Hình 2-2 Đường dịng khơng khí di chuyển qua biên dạng cánh [4] Đối với cánh đối xứng (Hình 2-1b), độ cong hai mặt cánh nên lực nâng xuất thay đổi góc cánh Góc tăng lực nâng tăng, góc phải nhỏ góc tới hạn để tránh tượng thất tốc (Stall) (Hình 2-3) làm lực nâng tăng lực cản Hình 2-3 Hiện tượng thất tốc cánh góc lớn –7– Ngồi ra, vận tốc khơng khí đến cánh tăng làm tăng lực nâng cánh Trên Hình 2-4, góc tăng phân bố áp suất cánh thay đổi, tăng chênh lệch áp suất mặt mặt tăng dẫn đến tăng lực nâng đặt lên cánh Hình 2-4 Phân bố áp suất biên dạng cánh góc khác [4] Cánh tà (Flap) thường dùng để thay đổi độ cong cánh, làm thay đổi lực nâng cánh nhằm số mục đích định (thực thao tác bay, cất cánh, hạ cánh…) Hình 2-5b Hình 2-5c mơ tả đường dịng khơng khí qua cố thể cánh góc gập cánh tà Đồ thị hệ số lực nâng theo góc (Hình 2-5a) cho thấy: tăng (hay giảm) góc gập cánh tà làm tăng (hay giảm) hệ số lực nâng, hệ số lực cản góc tấn, đồng thời góc tới hạn xảy tượng thất tốc (Stall) tăng (hay giảm) Góc gập cánh tà lớn thay đổi hệ số lực nâng (lực cản) nhiều Từ đó, cánh tà ứng dụng để sinh lực khí động ứng dụng vào điều khiển máy bay Cánh tà lúc trở thành bề mặt điều khiển, tùy vào công dụng cụ thể mà cánh tà có tên gọi khác Hình 2-5 Minh họa đồ thị hệ số lực nâng với góc (a); Đường dịng qua cánh trường hợp cánh tà lệch (b) lệch (c) [5] –8– 2.2 Hệ trục tọa độ trọng tâm máy bay [6] Hệ trục tọa độ máy bay (hay hệ trục tọa độ gắn với máy bay) gồm trục thành phần vng góc đơi (Hình 2-6): Trục đứng (Vertical axis), Trục ngang (Lateral axis) Trục dọc thân (Longitudinal axis) Các trục xác định sau: - - Giả sử máy bay móc vào sợi cáp treo điểm máy bay cho máy bay thăng (mặt phẳng cánh nằm ngang), lúc cáp treo xem trục đứng máy bay; Một đường thẳng qua trục đứng song song với đường thẳng nối hai đầu mút cánh (Wingtip) với nhau, đường thẳng gọi trục ngang máy bay; Một đường thẳng khác qua trục đứng song song với đường thẳng nối từ đầu mũi (Nose) đến đuôi (Tail) máy bay, đường thẳng gọi trục dọc máy bay Nếu trục cắt điểm móc cáp treo điểm móc trọng tâm (Center of gravity) máy bay Ngồi người ta cịn chọn chiều trục phù hợp với phi công Cụ thể: - Trục dọc thân hướng phía trước (hướng nhìn phi cơng); Trục ngang hướng phía tay phải phi công; Trục đứng hướng xuống (theo quy tắc tam diện thuận) Hình 2-6 Ba trục tọa độ trọng tâm máy bay [6] –9– Hình 4-7 Cánh tà sau thả trượt vị trí mở [2] 4.3 Cánh tà trước (Slats) [9] Cánh tà trước (hay cánh đệm trước) bề mặt điều khiển tạo hệ số lực nâng lớn lắp mép trước cánh (Hình 4-8) Khi bay chế độ bình thường không cần dùng đến cánh tà trước, bay góc lớn (cất cánh, hạ cánh…) cần dùng để uốn dịng khơng khí thổi qua cánh nhằm đẩy lùi điểm tách rời lớp biên phía sau để tăng góc tới hạn (Hình 4-9), đồng nghĩa với việc máy bay bay với vận tốc thấp hơn, góc lớn bình thường Cánh tà trước không ảnh hưởng đến hệ số lực nâng làm tăng lực nâng, làm quãng đường cất cánh hạ cánh ngắn lại Kết cấu cánh tà trước phức tạp cánh tà sau Hình 4-8 Một loại cánh tà trước (Nguồn: www.stolspeed.com) Hình 4-9 Mơ tả ảnh hưởng cánh tà trước với dịng khơng khí qua cánh [10] – 22 – Có loại cánh tà trước: - Cánh tà trước cố định (Fixed slat) tạo khe khí cố định (Fixed slot); Cánh tà trước di động (Movable slat) tạo khe khí di động (Movable slot); Cánh tà mép trước (Leading edge flap); Cánh tà trước vịng bít (Leading edge cuff) 4.3.1 Cánh tà trước cố định (Fixed slat) Cánh tà trước cố định (Hình 4-8 ví dụ) gắn cố định vào cánh, có tác dụng hướng dịng khơng khí lên bề mặt cánh làm chậm tượng tách rời lớp biên góc lớn Cánh tà không làm tăng độ cong cánh tạo điều kiện để lực nâng đạt giá trị lớn cánh đạt giá trị góc cực tới hạn lớn Hình 4-10 Mơ tả cánh tà trước cố định máy bay [2] 4.3.2 Cánh tà trước di động (Movable slat) Cánh tà trước di động (Hình 4-11) bao gồm số đoạn mép trước cánh (gần đầu mút cánh), di chuyển rãnh trượt Khi góc nhỏ cánh tà giữ khơng cho khơng khí tràn từ mặt cánh lên mặt cánh Khi góc lớn , cánh tà đẩy phía trước để khơng khí từ mặt cánh chảy theo khe hở lên mặt cánh, đẩy điểm tách rời lớp biên phía sau, làm tăng góc giới hạn Cơ cấu đóng mở cánh tà di động mơ tả Hình 4-12 Hình 4-11 Mơ tả hình dạng, vị trí mở cánh tà trước di động (Nguồn: l1011project.blogspot.com) – 23 – Hình 4-12 Cơ cấu thay đổi vị trí cánh tà trước di động (Nguồn: students.iitk.ac.in) 4.3.3 Cánh tà mép trước (Leading edge flap) Cánh tà mép trước cấu cánh nằm mép trước cánh chính, gần gốc cánh Nó thả để tăng độ cong cánh xếp lại vào bên (Hình 4-13) Cánh tà trước thả lúc máy bay cất cánh – hạ cánh giúp tăng lực nâng lực cản ứng với giá trị vận tốc tương đối nhỏ Tùy yêu cầu lực nâng lực cản mà cánh tà mép trước có góc mở khác Hình 4-13 Cơ cấu xếp – thả cánh tà mép trước (Nguồn: www.pprune.org) – 24 – ... - Bề mặt điều khiển (Main control surfaces); Bề mặt điều khiển phụ (Secondary control surfaces); Bề mặt điều khiển tinh chỉnh (Control trimming surfaces) Ngồi cịn số bề mặt hỗ trợ ổn định bay. .. hướng – 17 – Bề mặt điều khiển phụ Ngồi bề mặt điều khiển chính, máy bay lắp đặt thêm số bề mặt điều khiển phụ nhằm giúp máy bay động hơn, dễ điều khiển, tăng hiệu cánh… Một số bề mặt điều khiển. .. Giới thiệu Các bề mặt điều khiển (hay gọi cánh điều khiển) cho phép phi cơng điều khiển trạng thái máy bay, lái máy bay theo ý muốn Nói đến bề mặt điều khiển người ta nghĩ đến bề mặt điều khiển dùng