Chương 3. Các lực và mô men khí động

Khi xem xét sự phụ thuộc của lực nâng vào các yếu tố khác nhau, chúng ta coi thiết bị bay là tổ hợp của các phần chính: thân, mặt chịu lực trước và sau (hình vẽ 3.1). Các mặt này hoặc các phần của chúng có thể lệch khi thực hiện các chức năng điều khiển.

CHƯƠNG III: CÁC LỰC VÀ MƠMEN KHÍ ĐỘNG Phần 1: LỰC NÂNG Khi xem xét phụ thuộc thể lệch thực chức lực nâng vào yếu tố khác nhau, điều khiển coi thiết bị bay tổ hợp phần chính: thân, mặt chịu lực trước sau (hình vẽ 3.1) Các mặt phần chúng có Vị trí tương đối thiết bị bay dịng khí chuyển động mặt phẳng xOy xác định góc ,  ngồi phụ thuộc vào sơ đồ khí động khí cụ bay (KCB) số góc trong khơng Chẳng hạn, KCB sơ đồ bình thường I=0, KCB sơ đồ vịt II=0, cịn trường hợp sơ đồ lí tưởng với cánh động =0 II=0 Trong sơ đồ khơng khơng có ổn định bề mặt khơng có phần II Hệ số lực nâng cy coi xác định hệ trục tọa độ tốc độ Oxyz Cùng với cy, sau sử dụng hệ số lực vng góc cy1, xác định hệ trục tọa độ Ox1y1z1 Công thức liên hệ chúng: c y c y1 cos   cx1 sin  (3.1) Trong khóa học khí động lực học, ta biết điều kiện góc cơng góc lệch mặt chịu lực nhỏ cy, cy1 phụ thuộc gần tuyến tính vào đại lượng , I, II Vì ta có cơng thức gần đúng: c y c y  c y   c y I  c y  II  I II  c y1 c y10  c y1  c y1I I  c y1II  II         Ở cy0 cy1 giá trị cy cy1 =I=II=0; c y , c y I , c y II , c y1, c y1I , c y1II -là đạo hàm riêng hệ số cy cy1 theo tham số , I, II, điều kiện =I=II=0 Có thể thấy, góc   lớn tính tuyến tính phụ thuộc giảm Vì phương pháp tính chưa đủ để xác định lực nâng trường hợp Để đơn giản, ta xem xét phương pháp tính sử dụng phụ thuộc tuyến tính lực nâng vào đại lượng   Sau phân tích yếu tố ảnh hưởng tới tính tuyến tính, đưa số phương pháp gần để đánh giá yếu tố Đạo hàm hệ số lực nâng theo góc Từ cơng thức (3.1): c y   c y1  cos   c y1 sin   cx1 sin   cx1 cos    Khi góc cơng nhỏ góc I=II=0, ta coi cx1=cx0, biểu thức (3.4) có dạng: cy cy1  cx Nếu  tính độ ta có cơng thức: cy cy1  cx 57,3  Lực pháp tuyến: Y1 Y1ф   Y1  I   Y1  II (3.6) Y1ф c y1ф qSф ; đó: (Y1) I (c y1)qI S I ; (Y1) II (c y1) I qII S II Chia (3.6) cho qS (S – diện tích đặc trưng) lấy đạo hàm theo , ta được:  cy1  cy1 S  ф   cy1SkT  I   cy1SkT  II , (3.7) đó: kтIтII I  qI q ; kтIтII II  II - hệ số dừng dòng bề mặt mặt chịu lực q q trước sau S ф  Sф S ; S I  SI S ; S II  II - diện tích tương đối phần S S KCB *Xem xét thành phần công thức (3.7)   - c y1ф c y1из.ф ;  I  I   - c y1  c y1из.кр K  ;  Các giá trị c y1из.кр.I , K I tính điều kiện M I M kтIтII I  -  c y1  II tương tự trên, khác chỗ tính góc cơng cho mặt chịu lực phía sau, cần xem xét đến góc nghiêng trung bình dịng khí tác động mặt chịu lực phía trước:  II   cp Khi  nhỏ cp phụ thuộc tuyến tính vào , thế:  II (1  cp ) Cho nên:  cy1  II  cy1из.кр K  II   cp  ; (3.10)  Các giá trị c y1из.кр.II , K  II tính điều kiện M II M kтIтII II Vì vậy, để xác định hệ số lực đẩy ( lực pháp tuyến) cần phải xác    định giá trị: c y1из.ф , c y1из.кр , K  , cp , kтIтII 1.1  Đạo hàm c y1из.ф Khi chảy bao thân KCB dịng khí với góc nhỏ dương xuất lực pháp tuyến, tỷ lệ thuận với góc cơng  Theo thuyết vật mỏng không đối xứng, lực pháp tuyến xuất phần mà tiết diện thay đổi Sx, dấu lực phụ thuộc vào dấu đạo hàm Ở mũi dương, S x x S x  , lực x phần S x  , lực âm, cịn x phần hình trụ lực Kinh nghiệm cho thấy tốc độ lớn phần hình trụ tạo lực vng góc đó, tỉ lệ với góc cơng Mặt khác, giảm bề dày lớp ngoại vi đứt qng dịng khí phần đuôi lực âm nhận nhỏ so với kết lý thuyết Vì coi lực vng góc tập trung phần trước  Giá trị đạo hàm c y1из.ф phụ thuộc vào hình dạng thân, trước hết phần mũi Trong bảng 3.1 hình 3.2 – 3.4 đưa cơng thức đồ thị tính tốn đạo hàm  1.2 Đạo hàm c y1 из кр Dạng cánh phổ biến cho KCB không người lái dạng hình thang Hình dạng loại cánh đặc trưng độ dài  к , độ co thắt cánh к độ nhọn cánh, đo theo đường (chẳng hạn cho mép biên trước 0 , cho đường trung bình - 0.5 , cho mép biên sau - 1 ) Các trường hợp riêng cánh dạng hình thang dạng chữ nhật ( к 1,  1 0 ) dạng hình tam giác ( к ; 1 0 )  Để tính toán đạo hàm c y1 из.кр vận tốc âm thường ứng dụng lý thuyết mặt chịu lực, cịn vận tốc siêu âm – lí thuyết cánh tuyến tính sải cánh giới hạn Cơng thức tính có có dạng sau: c y1 из.кр к  f   к M  ;  к tg 0,5 ; к    (hình 3.5) Khi đại lượng  к M  lớn (>10) sử dụng cơng thức sau: cy1из.кр  (3.11) 57,3 M   Trong vận tốc cận âm c y1 из.кр xác định xác cơng thức nhờ sử dụng ngun lí đồng dạng Ta thấy c y1 из.кр к M 1 phụ thuộc không vào  к M  ;  к tg 0,5 ; к , mà phụ thuộc vào  к c (trong c - độ dày tương đối cánh) Trên hình 3.5 đường đậm thể quan hệ: c y1 из.кр к  f   к M   ,   Các đường cong thiết lập theo  к tg 0,5  к c Khi tiến hành tính tốn kết thí nghiệm coi độ nén cánh ảnh hưởng đến c y1 из.кр Kết khẳng định ảnh hưởng đáng kể đại lượng  к c miền cận âm Khi chuyển dần sang tốc độ âm hay siêu âm ảnh hưởng giảm dần Vì vậy, đồ thị 3.5 cơng thức 3.11 cho pháp tính tốn đạo hàm c y1 cánh dạng hình thang, lập với tham số hình học  к , к , 0,5 , c khoảng  M    Để giảm nhẹ việc tính tốn xác định c y1 из.кр , sử dụng sơ đồ trợ giúp  к M   f  M ,  к   c  f   к , c  hình vẽ 3.6 3.7 1.3 Sự giao thoa nhiễu loạn thân mặt chịu lực Xem xét tính vật lý giao thoa thân cánh điều kiện coi thân có dạng hình trụ trịn, cịn cánh gắn Cho trước к ф  Dịng khơng nhiễu loạn qua vật coi hợp dịng khí: song song với trục với vận tốc Vcos vng góc với trục với vận tốc V sin  Với  nhỏ dịng vng góc ln dịng âm Khi xem xét chảy bao phần hình trụ dịng vng góc, ta rút điểm mặt phẳng z-z vận tốc cục lớn V sin  Theo lý thuyết chảy bao hình trụ dịng khơng bị nén, vận tốc ngang dịng đường z-z tính sau:  D2  Vп V sin      z   Trong z – khoảng cách tính từ trục hình trụ Trường hợp riêng, điểm A B bề mặt mặt trụ ( z  Vп 2V sin  D ) tốc độ ngang Sự tăng lên lực ngang làm cho véc tơ lực tổng chếch lên trên, xuất góc nghiêng âm dịng: ф   D2 4z2 Nếu thân mặt phẳng z-z ta đặt cánh, góc thực tế thay đổi theo sải cánh:  D2  *   ф      Z   Tại tiết diện thân cánh * 2 , giảm dần z tăng dần Vì lực pháp tuyến cánh có thân lớn trường hợp cánh đặt độc lập Về phần mình, cánh tác động ngược trở lại chảy bao thân, chẳng hạn áp suất cao mặt cánh áp suất thấp mặt cánh chuyển qua phần tương ứng bề mặt thân Kết thân xuất lực phụ, gọi lực phụ cảm ứng thân Y1iф Tổng lực vuông góc Y1к  Y1iф Đưa vào đại lượng: Y1к k   ; K  Y1 из.кр Y1к  Y1iф   Y1 из.кр Hệ số k đặc trưng cho thay đổi lực vuông góc cánh, cịn hệ số K  đặc trưng cho thay đổi lực vng góc tổng qt, có tính đến ảnh hưởng tác dụng lẫn thân cánh Theo nguyên lý vật mỏng hệ số giao thoa phụ thuộc vào số Mach M, xác định đường kính tương đối thân D  D , (l – toàn sải cánh l mặt chịu lực) Khi D 0  k K  1 , D tăng lên hệ số giao thoa nhiễu loan tăng Theo nguyên lí vật mỏng:  K  тIтIIеор   D  10 ; (3.12)