Phòng thí nghiệm ảo về khí cụ bay tự động
Trang 1BỘ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ CHƯƠNG TRÌNH NHÀ NƯỚC VỀ _
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN CONG NGHE THONG TIN VA TRUYEN THONG
BAO CAO TONG KET KHKT DE TAI KC — 01.07
Trang 2
BỘ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CHƯƠNG TRÌNH NHÀ NƯỚC VỀ NGHIÊN CỨU KHOA HOC VA PHAT TRIEN
CONG NGHE THONG TIN VA TRUYEN THONG
BAO CAO TONG KET KHKT DE TAI KC — 01.07
NGHIEN CUU PHAT TRIEN VA UNG DUNG
CONG NGHE MO PHONG TRONG KTXH VA ANQP (QUYEN 6) Co quan chi tri Dé tai: += HOC VIEN KY THUAT QUAN SU Chủ nhiệm Đề tài: « PGS.TS NGUYEN BUC LUYEN - Học viện KTQS Phó CN, Thư ký khoa học:
* PGS TSKH NGUYEN CONG ĐỊNH - Học viện KTQS
Cơ quan quản lý Đề tài
Trang 3
DANH SÁCH CÁC THÀNH VIÊN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI KC - 01.07
Chủ nhiệm đề tài:
PGS.TS NGUYEN DUC LUYEN
Pho CN, Thu ky khoa hoc:
PGS.TSKH NGUYEN CONG ĐỊNH
Các cán bộ thực hiện đề tài:
GS.TSKH Nguyễn Đức Cương - Viện Tên lửa, TT KHKT&€CNQS
TS Lam Van Diet - Viện Tên lửa, TT KHKT&CNQS
TS Nguyễn Văn Chúc - Phân viện trưởng, Viện tên lửa
TS Phan Van Chay - Chuyên viên Viện tên lửa
TS Pham Vii Uy - PVI, Viện tên lửa
TS Mai Khánh - PVI, Viện tên lửa
TS Ngô Trọng Mại - Phòng MHH-MP, Viện tên lửa
ThS Lã Hải Dũng - Khoa KT HK, Học viện PKKQ
GS.TSKH Dương Ngọc Hải - Vién Co hac, TT KHTN&CNQG
GS.TSKH Nguyễn Văn Điệp - Viện Cơ hoc, TT KHTN&CNQG
TS Bùi Đình Trí - Viện Cơ học, TT KHTN&CNQG
TS Dang Thé Ba - Vién Co hoc, TT KHTN&CNQG TS Ha Ngoc Hién - Vién Co hoc, TT KHTN&CNQG
TS Nguyễn Thế Đức - Viện Cơ học, TT KHTN&CNQG
ThS Nguyễn Duy Thiện - Viện Co hoc, TT KHTN&CNQG
KS Nguyễn Hồng Phan - Viện Cơ học, TT KHTN&CNQG
KS Ha Cong Ti - Vién Co hoc, TT KHTN&CNQG
CN Nguyễn Tất Thắng - Viện Co hoc, TT KHTN&CNQG
CN Nguyén Thi Hing - Viện Cơ học, TT KHTN&CNQG
GS.TSKH Ngô Văn Lược - XNLD dầu khí Việt-Xô TS Trần Lê Đông - XNLD dầu khí Việt-Xô
TS Trương Công Tài ` - XNLD dâu khí Việt-Xô
TS Phạm Quang Ngọc - XNLD dau khí Việt-Xô
TS Nguyén Chu Chuyén - XNLD dau khi Việt-Xô
Trang 4KS Nguyễn Văn Út TS Đàm Hữu Nghị TS Nguyễn Ngọc Quý ThS Nguyễn Văn Quảng Th§ Hàn Vũ Hải ThS Doan Thế Tuấn KS Pham Xuan Phang KS Pham Ngoc Van PGS TS Dinh Ba Tru PGS TS Ngô Văn Quyết TS Định Văn Phong ThS Nguyễn Trọng Bản Th§ Trần Đức Cứu ThS Vũ Hữu Nam Th§ Nguyễn Văn Hoài KS Nguyễn Việt Dũng KS Đỗ Xuân Ngôi KS Nguyễn Trường An PGS.TS Bùi Văn Sáng Th§ Mai Quốc Khánh Th§ Phan Trọng Hanh TS Nguyễn Thế Long PGS.TS Nguyễn Hồng Nam ThS Ngơ Thành Long
Th§ Nguyễn Thanh Hải
ThS Nguyễn Trung Kiên
Th§ Trần Đức Tồn
Th§ Cao Hữu Tình
KS Nguyễn Văn Trường KS Nguyễn Đức Hải KS Phan Tuấn Anh _CN Chu Van Huyện
KS Nguyén Son Duong
KS Bùi Tân Chinh
- XNLD dầu khí Việt-Xô
- Bộ môn Tên lửa, Học viện KTQS - Bộ môn Tên lửa, Học viện KTQS - Bộ môn Tên lửa, HV KTQS
- Bộ môn Tên lửa, HV KTQS
- Bộ môn Tên lửa, HV KTQS - Bộ môn Tên lửa, HV KTQS - Bộ môn Tên lửa, HV KTQS
- Khoa Cơ khí, Học viện KTQS
- Khoa Cơ khí, Học viện KTQS
- Khoa Cơ khí, Học viện KTQS - Khoa Cơ khí, Học viện KTQS - Khoa Cơ khí, Học viện KTQS
- Khoa Cơ khí, Học viện KTQS
- Khoa Cơ khí, Học viện KTQS - Khoa Cơ khí, Học viện KTQS
- Khoa Cơ khí, Học viện KTQS
Trang 5BỘ QUỐC PHÒNG
TRUNG TÂM KHOA HỌC KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ QUẦN SỰ VIỆN TÊN LỬA
Phố Hồng Sảm, Nghĩa Đơ, Cầu Giấy, Hà nội
PHONG THI NGHIEM AO VỀ KHÍ CỤ BAY TỰ ĐỘNG
TÀI LIỆU THUYẾT MINH CỦA ĐỀ TÀI NHÁNH THUỘC ĐỀ TÀI CẤP NHÀ NƯỚC KC-01-07
HÀ NỘI,12-2003
Trang 62.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 MUC LUC Tom tat Phần mở đầu
Cơ sở lí thuyết xoáy rời rạc và thuật tốn mơ phỏng dòng khí bao quanh khí cụ bay ở tốc độ M<0,5
Giới thiệu chung
Cơ sở lý thuyết giải bài toán Tổ chức chương trình tính toán Hướng dẫn sử dụng chương trình Nhập đữ liệu vào "Tính toán Một số kết quả tính toán
Hệ phương trình và thuật tốn mơ phỏng chuyển động của khí
cụ bay tự động (KCBTĐ) trong không gian 3 chiều
Giới thiệu chung
Mô hình động lực học bay của KCB như một đối tượng điều khiển
Các giả thiết cơ bản
Bài toán chuyển động của KCBTĐ như một đối tượng điều khiển
Hệ phương trình chuyển động của vật rắn 6 bậc tự do
Các ngoại lực và mômen tác dụng lên khí cụ bay trong khi bay
Mô phỏng chức năng của các khâu khác trong vòng điều khiển
bay của KCBTĐ
wo
Trang 7ta G2 2 = ua be Gà Gà + G3 Gà ta uo G32 aN Q3 + G2 ws 3.5.2 3.5.3 3.5.4 3.5.5 3.5.6 3.5.7 4.1 4.1.1
Sơ đồ của vòng điều khiển bay của KCBTĐ
Mô phỏng các cảm biến quán tính Mô phỏng bộ toạ độ mục tiêu Mô phỏng các cơ cấu chấp hành Thuật toán dân đường quán tính
Thuật toán điều khiển bay của tên lửa hành trình đối hải
Giới thiệu về bộ phần mềm mô phỏng
Mô phỏng chuyển động của một tên lửa cụ thể
Mô hình tên lửa giả định như một đối tượng điều khiển
Mô phỏng ảnh hưởng của sóng và gió
Mô phỏng sai số của các tjhiết bi đo
Thuật toán xử lý các tín hiệu đo Mô phỏng cơ cấu chấp hành
Mô phỏng cả vòng điều khiển bằng MATLAB-SIMULINK Một số kết quả mô phỏng chuyển động
Phần mềm mô phỏng trạng thái ứng suất của kết cấu khí cụ bay Lý thyết tính toán chung
Đặc trưng cấu trúc của thân vỏ khí cụ bay
Trang 84.1.3 4.1.4 4.1.5 4.1.6 4.1 5.1 5.2 5.3 Những nguyên tắc cơ bản của tính toán Ngoại lực Tải trọng khí động
Phương trình chuyển động của KCB trên đoạn tích cực
Nội lực trong thân khí cụ bay
Thuật toán và phần mềm mô phỏng quá trình làm việc của
động cơ nhiên liệu rắn
Sơ đồ kết cấu của ĐCNLR
Trang 9Tóm tắt
Tài liệu này trình bày các cơ sở lí thuyết, thuật toán và thuyết mình sơ lược về các phản
mềm của phòng thí nghiệm áo về khí cụ bay tự động (tên lửa, máy bay không người lái
bom đạn “thông mình ` ) phục vụ cho quá trình nghiên cứu thiết kế, cai tiến và tiếp thu công nghệ chế tạo các khí cụ bay tự động Trong tài liệu cũng có trình bày một số ví dụ
minh hoa việc áp dụng các phần mêm của phòng thí nghiệm do nói trên
Phòng thí nghiệm áo này cũng có thể phục vụ cho việc đào tạo đại học và sau đại học các chuyên ngành có liên quan
Trong khuôn khổ thời gian và kinh phí cho phép để tài nhánh này không thể tạo ra tất
cả các công cụ phần mêm cần thiết cho Phòng thí nghiệm do về khí cụ bay tự động, mà
chỉ giới hạn trong phạm vi các các nội dung chính cần và có thể làm trong điều kiện Việt
Nam hiện nay
Tài liệu này bao gôm phần mở đầu và những nội dung chính sau đây:
1-Cơ sở lí thuyết xoáy rời rạc và thuật tốn mơ phỏng dịng khí bao khi cụ bay ở tốc độ
M<0.5 (bài toán khí động lực học );
2-Hệ phương trình và thuật tốn mơ phỏng chuyển động của khí cụ bay tự động trong
không gian 3 chiêu (tính toán quỹ đạo và trợ giúp thiết kế hệ thống điều khiển);
3-Tính toán tải và trạng thái ứng suất của kết cấu khí cụ bay (trợ giúp thiết kế kết cấu);
4-Hệ phương trình và thuật tốn mơ phỏng quá trình làm việc của động cơ nhiên liệu rắn
(tro giúp thiết kế động cơ nhiên liệu rắn)
Các phần mém nói trên nhìn chung có thể ứng dụng cho các loại đối tượng khí cụ bay tự
động khác nhau, tuy nhiên riêng phần mô phỏng chuyển động đối tượng chủ yếu là tên
lừa hành trình đối hải
Trang 101.PHẦN MỞ ĐẦU
Ngày nay các khí cụ bay tự động (KCBTĐ) như tên lửa máy bay không người lái, bom đạn “thông minh” được ứng dụng rộng rãi như một loại vũ khí
chủ yếu trong tác chiến hiện đại Ngoài ra KCBTĐ cũng bắt đầu được ứng dụng ngày càng phổ biến để phục vụ các ngành kinh tế xã hội và an ninh: máy bay không người lái để quan sát môi trường, chống buôn lậu chống bạo loạn, chụp anh dia hinh
Việc nghiên cứu thiết kế chế tạo cải tiến, hiện đại hóa cũng như làm chủ
trong quá trình tiếp thu công nghệ chế tạo các loại KCBTĐ có ý nghĩa rất quan trọng cho sự nghiệp củng cố quốc phòng -an ninh và phát triển kinh tế -xã hội của
đất nước ta ,
Để có thể hình dung cụ thể vai trò và cấu trúc của dé tài nhánh "Xây dựng phòng
thí nghiệm ảo về KCBTĐ" đầu tiên cần trình bày tóm tắt về quá trình thiết kế KCBTĐ Thiết kế một sản phẩm là quá trình căn cứ theo nhiệm vụ thiết kế để xây dựng bộ tài liệu (thuyết minh, bản vẽ, sơ đồ, tiêu chuẩn kĩ thuật nghiệm thu ) đủ tỉ
mi để có thể chế tạo được sản phẩm mới đó trong những điệu kiện nhất định cho
trước
Đứng về mặt tốn học, thơng thường dây ïà bài toán có vô số nghiệm và có
nhiều yếu tố không thể trừu tượng hóa để thành các thuật toán được, ví dụ như các
yếu tố về công nghệ chế tạo, về tính thuận tiện trong sử dụng Hơn nữa, để sản phẩm mới đó có thể tồn tại trên thị trường (hoặc đưa vào trang bị) , thông thường cần có nhiều giải pháp sáng tạo Vì vậy không nên và không thể đặt ra mục tiêu tự động hóa hoàn toàn quá trình thiết kế mà chỉ nên tạo ra nhiễu công cụ để trợ giúp các nhà thiết kế,
Về mặt thông tin, quá trình thiết kế — là một guá trình lặp nhiều lần mà sau mỗi vòng lặp thông tin về sản phẩm định chế tạo ngày càng phong phú , tỉ mỉ và
Trang 11Độ bền kết cấu khí cụ bay (KCB) Thiết kế hệ thống động lực |} Thiết kế kết cấu và phối trí tổng thể khí cụ bay AUTOCAD Khí động lực học khí cụ bay Đặc trưng phân bố khối lượng Quá trình cháy trong động cơ nhiên liệu rắn «&—————— Chú thích - _ Co hoc bay > Tích hợp hệ và điều khiển
thống điều khiển khí cụbay | f©ˆ
Phân tích hiệu quả
chiến đấu l«—_————]
Là những phần có làm trong đề tài
Trang 12toán khí động lực học -> thiết kế động cơ ->tính toán quỹ đạo -> thiết kế hệ
thống điều khiển ->đánh giá hiệu quả > thiết kế kết cấu > phối trí tổng thể >
v.v (xem H.1.1)
Trước kia các kĩ sư thiết kế máy tự động thường thiết kế xong phần cơ khí rồi
mới chuyển cho các kĩ sư tự động hóa thiết kế phần điều khiển Cách làm như vậy
chỉ cho phép đạt tối ưu cục bộ Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của công nghệ thông tin đã hình thành ngành công nghệ cơ điện tử trên cơ sở gắn kết hữu cơ
các công nghệ nói trên để đạt được tính năng vượt trội cho các máy tự động- các
sản phẩm cơ điện tử
Các kỹ sư chế tạo máy thường triển khai các công việc dựa trên phương pháp thực nghiệm - chế tạo và thử nghiệm hơn là tiến hành mơ hình hố và phân tích một cách có hệ thống Phương pháp chế tạo và thử nghiệm nhiều lần, vừa tốn kém
vừa kéo dài, chắc chắn sẽ càng ngày càng giảm do nhu cầu thay đổi nhanh chóng
mẫu mã và chức năng sản phẩm của cơ chế thị trường và sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật quân sự Do vậy cần áp dụng rộng rãi các phương pháp mơ hình hố
và mô phỏng biện đại để rút ngắn và giảm chỉ phí cho quá trình thiết kế và chế tao các sản phẩm cơ điện tử
Một trong những công cụ hiện đại quan trọng bậc nhất trong quá trình thiết kế chế tạo, cải tiến, hiện đại hoá các KCBTĐ là các mơ hình tốn học và các bộ phần
mềm tương ứng cho phép mó phỏng tỉ mỉ một cách toàn diện các quá trình cơ học
của KCBTĐ trên máy tính có bộ nhớ lớn và tốc độ cao, khảo sát ảnh hưởng của các điều kiện ứng dụng, các thông số kỹ thuật của từng hệ thống con (thân cánh, động cơ, các thiết bị của hệ thống tự động v.v ) đến hệ thống lớn - cả KCBTĐ và qua đó đánh giá được ảnh hưởng đến các tính năng chiến - kỹ thuật của KCBTĐ Các mô hình trên máy tính này cho phép thử nghiệm nhiều lần trên máy tính trước khi cho chế thử, cho phép rút ngắn rất nhiều quá trình thiết kế, chế thử, hoàn thiện
KCBTD Dé có thể hình dung một cách trực quan và thuận tiện trong sử dụng, để
Trang 13Đó chính là mục đích cơ bản của Đề tài nhánh “Xây dựng Phòng thí nghiệm ảo về khí cụ bay tự động” Ngoài ra một Phòng thi nghiệm ảo như vậy còn có
thể sử dụng để phục vụ cho quá trình giảng dạy lý thuyết và thực hành cho các học
viên đại học và sau đại học các chuyên ngành tương ứng
Trong khuôn khổ thời gian và kinh phí cho phép đề tài nhánh này không thể tạo ra tất cả các công cụ phần mềm cần thiết cho Phòng thí nghiệm ảo về khí cụ bay tự động, mà chỉ giới hạn trong phạm vì các các nội dung chính cần và có thể làm trong điều kiện Việt Nam hiện nay
Theo đề cương đã đăng kí và phê duyêết để tài nhánh này bao gồm những nội
dung chính sau đây:
1-Xây dựng phần mềm mô phỏng dòng khí bao khí cụ bay ở điểu kiện số M<0.5
(bài toán khí động lực học );
2-Xây dựng bộ phần mềm mô phỏng chuyển động của khí cụ bay tự động trong
các hệ tọa độ không gian khác nhau (tính toán quỹ đạo và trợ giúp thiết kế hệ
thống điều khiển);
3-Xây dựng bộ phần mềm mô phỏng trạng thái ứng suất của kết cấu khí cụ bay (trợ
giúp thiết kế kết cấu);
4-Xây dựng phần mềm mô phỏng quá trình làm việc của động cơ nhiên liệu rắn
(trợ giúp thiết kế động cơ nhiên liệu rắn) ;
Các phần mềm nói trên nhìn chung có thể ứng dụng cho các loại đối tượng KCB
TP khác nhau, tuy nhiên riêng phần mô phỏng chuyển động, đối tượng chủ yếu là tên lửa hành trình đối hải
Dưới đây xin trình bày sơ lược về loại KCBTĐ điển hình nói trên được để cập
nhiều trong đề tài nhánh này
Tên lửa hành trình (tiếng Anh:cruise missile, tiếng Nga:krưlataya raketa) -hay còn gọi là tên lửa có cánh- ra đời từ cuối Đại chiến thế giới thứ H Đặc điểm cơ bản của tên lửa loại này là có sử dụng lực nâng khí động lực học và lực đẩy của động
cơ hành trình để duy trì quỹ đạo bay chủ yếu trên mặt nằm ngang Hỏi đó Phát Xí
Đức đã dùng rất nhiều tên lửa V-I (còn gọi là bom bay FAU-1) để tấn công nước Anh Tên lửa này có ưu điểm là có tầm bắn lớn hơn nhiều so với tên lửa đạn đạo
Trang 14(với một trọng lượng phóng và phần chiến đấu nhất định) Tuy nhiên do hồi đó tên lửa V-I tốc độ nhỏ, các thiết bị điều khiển còn thô sơ lại chưa có các biện pháp tránh hệ thống phòng không của đối phương cho nên hiệu quả ứng dụng rất thấp Vì vậy, trong một thời gian dài người ta coi hướng phát triển tên lửa này là không hiệu quả so với tên lửa đạn đạo (có tốc độ lớn hơn nhiều lần so với tên lửa hành trình hồi đó) Trong khoảng hai thập kỷ gần đây ,với sự phát triển vượt bậc của kỹ thuật điều khiển và công nghệ thông tin ,tên lửa hành trình (TLHT) đã có khả năng bay thấp trên những địa hình phức tạp và tấn công những mục tiêu đa đạng trên
mặt đất.Vì vậy TLHT đã được sử dụng rộng rãi trong các cuộc chiến tranh gần đây
và khái niệm “TLHT” thường được gắn liền với các loại tên lua Tomahawk.mac dil về nguyên lý bay thì TUHT và tên lửa có cánh chỉ là một
Ở Liên Xô ngay từ đầu thập niên 50 đã phát triển loại TLHT theo hướng sử
dụng trên mặt biển để chống tầu chiến của đối phương Sở dĩ tên lửa hành trình
được ứng dụng trước tiên làm vũ khí đối hải là vì những lý do chính sau:
- Mặt biển tương đối bằng phẳng cho nên duy trì quỹ đạo bay thấp đễ hơn nhiều so với trên đất liền
- Các mục tiêu có trường vật lý tương phản lớn so với mặt biển (độ phản xạ rađa, bức xạ hồng ngoại v.v ) cho nên tương đối dễ phát hiện và định vị để dẫn tên lửa bán trúng mục tiêu (so với các mục tiêu trên đất liền)
Do đó, Liên Xô ngay từ những năm 50-60 đã chế tạo thành công nhiều loại
tên lửa hành trình đối hải (TUHTĐH) có hệ thống dẫn đường quán tính và tự dẫn
giai đoạn cuối với tầm bắn 50 500 km
Mỹ và một số nước phương Tây khác cũng đã phát triển nhiều loại
TLHTPH, phổ biến nhất trên thế giới quãng thập kỉ 1980-1990 là Exocet (Pháp) và Harpoon (Mỹ) có tầm bần trên dưới 100 km, cũng có hệ thống dẫn đường quán tính, giai đoạn cuối tự dẫn bằng rađa Đặc biệt là trong họ các tên lửa hành trình
TOMAHAWK của Mỹ có loại tên lửa hành trình đối hải BGM-109 B tầm bắn
khoảng 500 km, đầu đạn 450 kg, hệ thống điều khiển quán tính + tự dẫn bằng rađa
bay theo quỹ đạo thay đổi độ cao từ 3-5m dén 100m trén mat bién
Trang 15TLHT noi chung va TLHTDH noi riêng có thể làm theo sơ đồ như máy bay
(có mot mat phẳng đối xứng ) hoặc sơ đỏ dấu” X” hoặc đấu ”+”(có hai mật phẳng
đối xứng) thường có 3 kênh điều khiển: kênh độ cao (kênh tầm) kênh hướng (kênh dạt sườn) và kênh nghiêng (kênh cren) Trên hình 1.2 và hình I.3 là các tên lta TOMAHAWK va X-35 (URAN )
Hình 1 2 €
Ten tla hank trink Tomahawk (thing ké ding co phing)
Frm , „` , : ,
én ida hank trìnÀ đối lạm LAN (cần gọi l2 T32)
thing ké ding co phing
C)) )
Trang 16
Dưới đây xin điểm qua nội dung tóm tất của từng phần trong đề tài nhánh 1 Xây dựng phần mêm mô phỏng dòng khí bao khí cụ bay (KCB) ở điều kiện số
M<0.5
Các đặc trưng khí động lực học của KCPB và tải phân bố trên các phần tử KCB
(thân, cánh, đuôi hoặc cánh lái) rất cần cho các tính toán quỹ đạo bay động lực
học chuyển động của KCPB và tính toán kết cấu KCB
Để có được các số liệu nói trên người ta thường phải dùng các phương pháp thực nghiệm vừa kéo dài thời gian lại vừa tốn kém Phương pháp tính toán bán thực nghiệm thường có sai số khoảng 10-20 % và chỉ áp dụng được cho các sơ đồ khí động học không khác nhiều so với các mô hình đã thử nghiệm, vì vậy chỉ đùng trong giai đoạn đầu của quá trình thiết kế Với sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ thong tin, trên thế giới đã và đang phát triển mạnh mẽ các phương pháp số cho phép mô phỏng rất chỉ tiết dòng khí bao quanh KCB trên máy tính và tính ra được các số liệu trên với độ chính xác ngày càng cao, về một số đặc trưng khí học đạt độ chính xác tương đương với thử nghiệm bay (vì vậy người ta thường nói tới thử
aon
nghiệm hoặc "thối" trên máy tính)
Các phương pháp số có xét đến cả tính nén được và tính nhớt của dòng khí trên thế giới đang được phát triển mạnh (modul CFD của ANSYS),tuy nhiên hiện nay mới chỉ giải được cho các bài tốn khơng có lực nâng (vì phương pháp thể tích hữu hạn không mô hình hóa được dòng khí xoáy bao quanh KCB khi có lực nâng)
Trang 17V> 240-270 m/s ) vì lúc này các hiệu ứng do tính nén được của dòng khí không
thể bỏ qua Phương pháp này cũng không tính đến tính nhớt của dòng khí cho nên không tính được lực cản khí động học của KCB
Trong đề tài này lần đầu tiên ở Việt Nam các tác giả Phạm Vũ Ủy và Nguyễn Đức Cương đã xây dựng phần mềm để tính tốn cho mơ hình KCB dưới dạng một tập hợp các mật nâng gần sát thực trên cơ sở phương pháp xoáy rời rạc phi tuyến
2 Xây dựng bộ phần mêm mô phỏng chuyển động của khí cụ bay tự động trong không gian 3 chiều
Chuyển động 6 bậc tự do (3 tọa độ x,y,z và 3 góc) của KCBTĐ rất cần phân tích
tỷ mỉ trong quá trình thiết kế để :
-Lập các thuật toán và phần mềm phù hợp cho máy tính trên khoang lựa chọn các
tham số phù hợp cho các cảm biến (sensors- kể cả bộ tọa độ mục tiêu hay đầu tự dẫn), các tham số của tuyến lái, lựa chọn lại phối trí tổng thể (nếu cần) nhằm nâng cao độ chính xác và các chỉ tiêu chất lượng khác của hệ thống điều khiển;
-Tính toán chính xác hơn quỹ đạo bay của KCBTĐ để đánh giá tính năng chiến kĩ thuật và hiệu quả chiến đấu (thông thường ở các giai đoạn đầu bài toán quỹ đạo chỉ
giải dưới dạng chuyển động của KCBTĐ như một chất điểm);
-Tính toán chính xác hơn các tải tác dụng lên kết cấu KCBTĐ (thông thường ở các giai đoạn đầu bài toán độ bền kết cấu chỉ giải dưới dang cho trước một số số liệu như hệ số quá tải lớn nhất theo các trục củaKCPB trong các tình huống khác nhau)
Trên thế giới có nhiều tài liệu đã công bố về từng khía cạnh cụ thể liên quan đến chuyển động của KCBTĐ (như khí động học của KCB, động lực học của KCB
như một đối tượng điều khiển, hệ thống tự động điều khiển KCB, ) Tuy nhiên,
bản thân chuyển động của KCBTĐ cùng một lúc liên quan đến tất cả các khía cạnh nói trên kể cả sai số của các cảm biến quán tính ở chế độ bay ôtônôm và sai số của
bộ tọa độ mục tiêu ở chế độ bay tự dẫn Để có thể mô hình hoá được chuyển động của KCBTĐ cần hình dung ra “bức tranh” tổng thể này Hơn nữa trong các công
trình đã công bố chưa đẻ cập đến việc mô phỏng chuyển động trong không gian 3 chiều của các KCBTĐ khi cùng một lúc điều khiển 2 hoặc 3 kênh trong số các kênh tầm , kênh hướng và kênh cren Gần đây (năm 2003) trên mạng Internet có
Trang 18công bố phần mềm Flight Dynamics, tuy nhiên một số modul chỉ có đưới dạng
"hộp đen", hơn nữa phần mềm này muốn sử dụng cho mục đích của ta thì còn
phải tìm hiểu kĩ càng và sửa đổi khá nhiều
Trong để tài này đã tập hợp các vấn để cơ bản liên quan đến việc xây dựng mô hình động lực học bay của KCB nhu một đối tượng điều khiển, và việc lập mơ hình tốn học để mô phỏng động lực học và mô phỏng sai số các khâu còn lại của vòng điều khiển KCBTĐ Trong quá trình phân tích các tác giả hạn chế phạm vi
trình bày chủ yếu trên quan điểm nguyên lý chung về cơ học, động hình học và
động lực học của quá trình điều khiển và không đề cập đến các vấn để đặc thù của thiết bị quang-điện tử, vô tuyến-điện tử, phần cứng của máy tính Trên cơ sở các phân tích nói trên các tác giả đã xây dựng phần mềm MATLAB-SIMULINK để mô phỏng chuyển động trong không gian 3 chiều của KCBTĐ Căn cứ theo 6 tọa
độ chuyển động của KCBTĐ và hình dạng cụ thể của KCBTĐ các tác giả đã sử dụng công cụ đồ họa 3D để có thể quan sát trực tiếp chuyển động của KCBTĐ từ
các vị trí tùy ý trên hệ tọa độ cố định (gắn với mặt đất) hoặc di động song song với
KCB
Ngoài ra các tác giả cũng đã khảo sát ảnh hưởng của sóng và gió đến chuyển
động khi KCBTĐ bay thấp sát mặt biển
Bộ phần mềm này do tập thể các tác giả dưới đây thực hiện:
-Nguyễn Đức Cương, chủ trì chung, trực tiếp đặt bài toán , xây dựng thuật toán động lực học bay, thuật toán điều khiển và lựa chọn cơ sở đữ liệu cho bài toán động lực học của khí cụ bay tự động
- Nguyễn Văn Chúc chủ trì xây dựng thuật toán dẫn đường lập trình MATLAB- SIMULINK phần dẫn đường và nối ghép với các phần còn lại của phần mềm -La Hải Dũng, chủ trì lập trình MATLAB-SIMULINK phần động lực học bay và
điều khiển
-Ngô Trọng Mại, chủ trì phần đồ họa không gian 3 chiều
3.Xây dựng phần mềm mô phỏng trạng thái ứng suất của kết cdu khi cu bay (KCB) Trong quá trình thiết kế KCB nói chung và KCBTĐ nói riêng, vấn để giảm trọng lượng kết cấu là hết sức quan trọng Vì vậy việc đảm bảo độ bển hợp lí
Trang 19(có hệ số an toàn vừa đủ) cho kết cấu KCB có ý nghĩa rất lớn Do đó việc tính toán độ bền và độ biến dạng của kết cấu KCPB đòi hỏi có độ chính xác cao (vì hệ số an toàn thường chỉ là 1,2-1,5)
Trước kia người ta thường tính toán theo các công thức giải tích gần đúng rồi sau đó tiến hành thử nghiệm và chỉnh sửa nhiều lần cho đến khi đảm bảo được độ bền hợp lý Ngày nay, do công nghệ thông tin phát triển mạnh mẽ , các phương pháp mô phỏng số trong cơ học kết cấu đã được hoàn thiện thành các phản mềm thương
phẩm (như ANSYS, SAP.2000) qua đó có thể "nhìn thấy” cả bức tranh toàn cảnh
trạng thái ứng suất của kết cấu trong các trường hợp chịu tải khác nhau và cho phép nhanh chóng tìm ra các giải pháp thích hợp để giảm nhẹ trọng lượng kết cấu Vi vay dé tài không phải tự lập trình để giải bài toán nói trên Tuy nhiên việc tìm
hiểu sâu để khai thác và áp dụng cụ thể cho kết cấu khí cụ bay là rất cần thiết
Đề tài lần đầu tiên ở Việt Nam đã áp dụng thành công phần mềm SAP.2000 để mô phỏng trạng thái ứng suất của kết cấu khí cụ bay
Tác giả Phan Văn Chạy đã cho các dạng tải điển hình trong một số trường hợp
điển hình ( khi vận chuyển, khi phóng , khi bay trên quỹ đạo và khi lao vào khí
quyển dầy đặc) tác dụng lên một số đạng kết cấu KCB điển hình : thân, cánh, đuôi, vỏ động cơ, giá đỡ động cơ và thu được các kết quả phù hợp Đặc biệt đã
đánh giá được thời điểm xảy ra biến dạng lớn của kết cấu vỗ mỏng (mất ổn định ),
ví dụ trong quá trình tăng dần tải quán tính dọc trục
4 Xây dựng phần mềm mô phỏng quá trình làm việc của động cơ nhiên liệu rấn
Động cơ nhiên liệu rắn (ĐCNLR) được áp dụng rộng rãi ở các KCBTĐ làm
động cơ phóng, động cơ hành trình và động cơ tăng tốc Việc thiết kế ĐCNLR là một việc phức tạp, thông thường phải tính toán theo các phương pháp bán thực nghiệm và phải thử nghiệm rất nhiều lần Việc áp dụng máy tính hiện đại để giải bằng phương pháp số hệ phương trình vi phân kinh điển của ĐCNLR chỉ có ý
nghĩa là để rút ngắn thời gian tính toán từ vài phút (trên các máy tính cũ ) xuống
còn vài giây Tuy nhiên kết quả tính vẫn không đáng tin cậy vì trong hệ phương trình vi phân kinh điển nói trên vẫn phải sử dụng một số công thức bán thực
Trang 20nghiệm nhất là hàm tốc độ cháy phụ thuộc theo các yếu tố áp suất và nhiệt độ ban ddu của khối thuốc
Trong các công rrình của mình đã công bố ở Nga (1999-2000).tác giả Mai
Khánh đã đi sâu vào bản chất vật lí quá trình cháy và mô hình hóa cả trường nhiệt độ không đồng đều của liều nhiên liệu rắn trong quá trình cháy
bằng hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng Từ đó tác giả đã xây dựng một phương pháp bán thực nghiệm trong đó có tính đến sự thay đổi tốc độ cháy theo
trường nhiệt độ tức thời của liều thuốc nhiên liệu rắn cho phép mô tả sát thực hơn
các quá trình cháy không dừng trong ĐCNLR Trên cơ sở các công trình nói trên
tác giả đã lập thuật toán và phần mềm cho một dạng liều thuốc nhiên liệu rắn
Phương pháp này đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm ở Trường đại học quốc gia Tula (LB Nga)
Trong đề tài này tác giả đã phát triển thuật toán và phần mềm nói trên cho bốn đạng liều thuốc nhiên liệu rắn Tác giả cũng đã cùng với TS Ngô Trọng Mại phát triển các giao điện thân thiện để sử dụng được thuận tiện, kể cả đồ hoạ 3D để có thể nhìn thấy sự thay đổi hình dạng liều thuốc nhiên liệu ran cùng với trường nhiệt
độ của nó trong quá trình cháy
Trang 212.CƠ SỞ LÍ THUYẾT XOÁY RỜI RẠC VÀ THUẬT TOÁN
MO PHONG DONG KHÍ BAO QUANH KHÍ CỤ BAY Ở
TỐC ĐỘ M<0,5
2.1 Giới thiệu chung
Các phương pháp số có xét đến cả tính nén được và tính nhớt của dòng khí trên thế giới đang được phát triển mạnh ( ví dụ modul CFD của ANSYS),tuy nhiên hiện nay mới chỉ giải được cho các bài tốn khơng có lực nâng (vì phương pháp thể
tích hữu hạn không mô hình hóa được dòng khí xoáy bao quanh KCB khi có lực nâng)
Phương pháp xoáy rời rạc là phương pháp số duy nhất hiện nay cho phép mô hình hóa được bản chất của sự hình thành lực nâng ( nói rộng hơn là các lực pháp tuyến do chênh lệch áp suất tạo ra) và lực cản cảm ứng Vì vậy phương pháp này cho phép đạt độ chính xác khá cao (khoảng 5-10%) trong các trường hợp tính toán các hệ số lực nâng, lực dạt sườn, lực cản cảm ứng ,vị trí tâm áp ,các hệ số mô men khí động lực học, kể cả do tác động của độ lệch các cánh lái Lí do là vì các tham số này chủ yếu được tạo ra bởi các lực pháp tuyến do chênh lệch áp suất Tuy nhiên vì phương pháp này giả thiết là dòng khí không nén được cho nên không tính được các hệ số khí động lực học nói trên khi số M >0,7-0,8 (tương ứng với tốc độ bay V> 240-270 m/s ) vì lúc này các hiệu ứng do tính nén được của dòng khí không thể bỏ qua Phương pháp này cũng không tính đến tính nhớt của dòng khí cho nên không tính được lực cản khí động học của KCB
Ở Việt Nam trước đây các tác giả Nguyễn Đức Cương , Phạm Vũ Ủy đã xây dựng các phần mềm tính toán các đặc trưng khí động học KCB dựa trên phương pháp xoáy rời rạc tuyến tính của nước ngoài (giả thiết góc tấn và góc trượt vô cùng bé) Các tài liệu nước ngoài công bố trước kia (1990-1997) về phương pháp xoáy rời rạc phi tuyến của các GS Bielotsercovski và Nisht chỉ mới áp dụng được cho một mặt nâng đơn giản Gần đây (2000) dựa theo các tài liệu này , các tác giả Nguyễn Đức Cương, Ngọc Anh Tuấn đã xây dựng phần mềm tính toán các đặc
Trang 22trưng khí động học của cánh quay trực thăng Năm 1999 các G§ Nisht và Gielannhicov đã công bố các thuật toán để áp dụng phương pháp nói trên cho mô hình KCB dưới dạng một tập hợp các mặt nâng gần sát thực hơn Tuy nhiên phần mềm tương ứng không được công bố và không có trên thị trường
Trong đề tài này lần đầu tiên ở Việt Nam các tác giả Phạm Vũ Uy và Nguyễn Đức Cương đã xây dựng phần mềm để tính tốn cho mơ hình KCB dưới dạng một tập hợp các mặt nâng gần sát thực hơn trên cơ sở phương pháp xoáy rời rạc phi tuyến
Bài toán đặt ra như sau:
-cho trước kích thước hình học của KCB và hướng của véc tơ vận tốc dòng không khí so với KCB (góc tấn và góc trượt) Khác với bài toán tuyến tính, góc tấn và góc trượt trong bài toán phi tuyến ở đây không được coi là vô cùng bé nhưng cũng phải hạn chế không quá lớn
-cần tính ra các đặc trưng khí động lực học của KCB, phân bố tải khí động học trên các phần tử KCB (thân, cánh, đuôi) và trường vận tốc dòng khí bao quanh
KCB
Các giả thiết chính : dòng khí không nén (số M > 0), không nhớt
(số Re > 00), diéu kién Tchaplyghin-Joukovski (vé hướng vận tốc cục bộ ở mép sau và mép ngoài của mặt nâng) Khi M > 0 nhưng Mi <0,5 - ảnh hưởng tính nén của dòng khí là không lớn nên trong chương trình đã sử dụng công thức Karman — Tzian [2.4] để đánh giá ảnh hưởng của tính nén
Dòng khí nhiễu động bao KCB được mô phỏng bởi trường vận tốc tạo ra do tập hợp các mặt nâng phẳng hình thang có phân bố các sợi xoáy rời rạc Cường độ các
sợi xoáy này được tính trên cơ sở phải thỏa mãn điều kiện không chảy thấu (véc tơ
vận tốc tương đối của dòng khí trên bề mặt KCB phải nằm theo phương tiếp tuyến)
Sau khi tính ra được cường độ của các sợi xoáy sẽ tính được trường vận tốc nhiễu động do KCP gây ra và tính được các lực tương tác cla KCB va dong khi
Phần mềm được viết bằng ngôn ngữ Visual C, sủ dụng môi trường Window 9X, giao điện đồ họa do tác giả Ngô Trọng Mại phát triển
Trang 23Phần mềm đã được kiểm chứng bằng cách đối chiếu với các kết quá đã công bố trong các trường hợp đơn giản và so sánh với các số liệu trong các Thuyết minh kĩ thuật của một số máy bay
Một khí cụ bay (KCB) trong phần tính toán này sẽ gồm các bộ phận:
1 cánh - là bộ phận có chức năng tạo phần lực nâng chính cân thiết để giữ được KCB trên không
2 Các cánh phụ gồm các bề mặt có chức nãng giữ ồn định và tạo ra các lực điều khiển chuyển động của KCB Cánh chính và các cánh phụ được lắp ghép với thân KCB
3 Thân KCB - là nơi chứa tải chính của KCB
Khi vẽ một trục chạy dọc thân KCB rồi nhìn KBC theo phương trục dọc đó sẽ thấy: với mỗi KCB đều tồn tại một mặt phẳng chứa trục dọc thân mà hầu hết các
bộ phận của KCB đêu được phân bố đối xứng về hai bên phải và trái của mặt phẳng đó Mặt phẳng đó được gọi là mặt phẳng đối xứng (hay mặt phẳng cơ sở) của KCB
đó
Với một số KCB thì các bộ của nó còn được bố trí đối xứng cả về phía trên và phía dưới một mặt phẳng thứ 2: chứa trục dọc của KCB và vuông góc với mặt
phẳng cơ sở Trường hợp này KCB có 2 mặt phẳng đối xứng
Trong quá trình bay, không phải lúc nào hướng của luồng không khí thổi tới KCB cũng nằm trong mặt phẳng cơ sở, vì vậy trong tính toán các đặc tính khí động học của KCB thường phải phân biệt hai góc thổi: góc tấn œ- là góc tạo ra giữa trục
doc than KCB và hình chiếu của véc tơ tốc độ thổi tới lên mặt phẳng cơ sở, nếu
chiếu véc tơ tốc độ lên mặt phẳng chứa trục dọc của KCB và vuông góc với mặt
phẳng cơ sở thì góc mà nó hợp với trục dọc thân KCB là góc trượt cạnh j
Như vậy tính toán các đặc tính khí động học cho KCB có hai mặt phẳng đối
xứng sẽ đơn giản hơn vì vai trò của góc tấn và góc trượt cạnh đối với dạng KCB bay đó là tương đương và các nội dung tính toán đặc tính khí động của nó chỉ cần
Trang 24xét cho các góc tấn khác nhau là đủ
Với các KCB chỉ có một mặt phẳng đối xứng (mật phẳng cơ sở) thì nội
dung tính toán các đặc tính khí động học sẽ tăng lên gấp bội vì phải xét đầy đủ các
trường hợp khi chỉ có góc tấn (thổi đối xứng) và khi có góc trượt cạnh (thổi không
đối xứng) và cả khi có đồng thời góc tấn và góc trượi cạnh
Chương trình tính toán này có thể dùng cho KCB có 1 mặt phẳng đối xứng + Tính các đặc tính khí động học cơ bản của KCB gồm: hệ số lực nâng Cy hệ số mômen chúc ngóc mz trong khoảng tốc độ nhỏ (M<0.5)
+ Khảo sát đặc điểm phân bố tải khí động trên KCB + Khảo sát đặc điểm dòng chảy quanh KCB
Chương trình có thể được sử dụng như một công cụ trợ giúp cho quá trình thiết kế sơ bộ KCB
2.2 Cơ sở lý thuyết giải bài toán 2.2.1 Giả thiết chung:
Xét dòng khí chảy bao quanh KCB:
+ Là chất khí lí tưởng
+ Không có tính nén.(vùng tốc dộ nhỏ)
+ Đồng chảy bao KCB không gây tách đòng trên nó
Chương trình tính toán được xây đựng theo phương pháp xoáy rời rạc (/XRR)
hợp:
+ KCB được xét có dạng đối xứng qua một mặt phẳng; Các mặt nâng phân bố
trong không gian (cánh có sải hữu hạn, có dạng bình đồ phức tạp, có góc vénh “xe” lớn )
Trang 25+ Các góc đòng khí thổi tới KCB trong khoảng:
- góc tấn thổi tới | œ | < 30° (thổi đối xứng)
- hoặc góc trượt cạnh thối tới |B| < 25° (thổi không đối xứng)
- hoặc đồng thời có cả góc tấn và góc trượt cạnh nhưng góc nào lớn hơn 15°
+ Trong tính toán không xét bai todn can bang momen cho KCB
2.2.2 Hệ toạ độ sử dụng
Trên KCB gắn hệ trục toa độ liên kết được xác định như sau (hinh 1): + Gốc toạ độ đặt tại đầu mũi của KCB
+ Trục Ox trùng với trục dọc của KCB và hướng về phía Sau
+ Trục Oy nằm trong mặt phẳng đối xứng của KCB và hướng lên trên
Trang 262.2.3 Các phương trình cơ bản
Trong lí thuyết cánh có sải hữu hạn (dòng chảy 3 chiều) một thành phần khí động học cơ bản là một đoạn xoáy thẳng có cường độ không đổi theo chiều dài của nó Đoạn xoáy này sẽ gây ra tại một điểm bất kì M, trong không gian bao quanh nó tốc độ cảm ứng được tính theo công thức Bio-Savard [1] Dưới dạng véc tơ cơ thể biểu điễn mối liên hệ giữa tốc độ W,(M,) tại điểm M, và cường độ I+ gây ra
được tính [3]:
W,=T, veal (vy + vy + vạ, K) (2.1)
Ve ar Vy +) Vz 4 Các thành phần của đại lượng véc tơ
Khi lấy giả trị tốc độ dòng chảy tới Uo (dòng không bị nhiễu) làm tốc độ đặc trưng và b là độ đài đặc trưng W =W,/Uo Tr =F,Uob (2.2) v=b v, thì các thanh phan cha v lav, ,, Vy , V+ déu 1a ham cua tọa độ không thứ nguyên x =x/b, y =y/b, z=z/b (2.3) Chuyển động của dòng khí trong hệ toạ độ chuyển động Oxyz liên kết với cánh Wa=Wo+W (2.4) WVa — tốc độ tuyệt đối Wo ~ tốc độ kéo theo WW* - tốc độ tương đối
Với giả thiết là dòng chảy tại mọi điểm trong không gian nằm ngoài bề mặt
Trang 27+ Thế vận tốc của dòng chảy ®(x, y, z), với chất khí lí tưởng không nén thoả mãn điều kiện
ê?®/ơx*+ơ?@®/ê y + ”®/ơz°=0 (2.5)
+ Mối quan hệ giữa thế vận tốc, tốc độ và các tham số của dòng khí được mô tả bằng tích phân Côsi-Lagrange viết cho các đại lượng không thứ nguyên:
p=2.w,.w- w’,-2.ao/at
p=p/(p.U2,/2) - p mật độ dòng khí (2.6)
@=%/U,.b
2.2.4 Mô hình tính cho cánh dạng tấm phẳng
Dạng khí cụ bay đơn giản nhất là một tấm mặt phẳng, với giới hạn bài toán chỉ xác định các hệ số khí động Cy, mz, hình dạng KCB có thể cho dưới dạng mật bình đồ với kích thước lấy theo hệ toạ độ Oxyz đã nêu
Trang 28Lư=n ven
Hình 2.2 Sơ đồ phân chia xoáy trên mặt cánh đơn giản
Với một KCB có hình dạng phức tạp thì về nguyên tắc hình dạng bình đồ của đều có thể xem như sự ghép nối liền nhau của các hình tứ giác phẳng Vì vậy cơ sở lí thuyết xây dựng chương trình tính toán dựa trên phương pháp xác định
các đặc tính khí động học của một cánh mỏng phẳng hình tứ giác
Gắn hệ toa độ Oxyz liên kết như trình bày ở phần trên với cánh hình tứ giác dang xét Dòng khí thổi tới cánh với góc tấn œ và góc trượt cạnh B,Với các điều kiện dòng chảy trượt theo mặt cánh (không chảy thấu qua cánh) và giả thiết Traplygin — Giucopxki] [2.2,2.3] về sự hữu hạn của gid tri tốc độ tại mép sau của
Trang 29cánh Sơ đồ xoáy của cánh gồm các thành phần sau (hình 2.2)
1)
2)
3)
Bề mặt nâng của cánh được thay bằng một lớp xoáy liên tục Trong tính toán, lớp xoáy này lại được rời rạc hoá và được mô tả bằng các sợi xoáy rời rạc chạy ngang theo sải cánh, để miêu tả biến thiên cường độ của sợi xoáy này theo chiều sải cánh, sời xoáy này lại được thay bằng các đoạn xoáy có lưu số vận tốc (LSVT) không đổi nằm kế tiếp nhau (về giá trị độ lớn thì các LSVT của các
đoạn xoáy kế tiếp nhau sẽ khác nhau) Các đoạn xoáy này sẽ được gọi là các
xoáy liên kết ngang Vì mỗi đoạn xoáy liên kết ngang này không thể kết thúc ở hai đầu mút của nó nên trên mỗi đầu mút, mỗi đoạn xoáy ngang sẽ được kế tiếp bởi các đoạn xoáy chạy xuôi dọc tới tận mép sau của cánh- Các đoạn này sẽ được gọi là các xoáy liên kết dọc
Các xoáy liên kết dọc cũng không thể kết thúc trên mép sau của cánh và vì vậy chúng sẽ được tiếp tục bằng các xoáy tự do thoát ra phía mép cánh sau (hệ xoáy 1) Vì mỗi xoáy tự đo này là sự kếo dài tiếp của cả hệ thống các xoáy liên kết chạy dọc trên cánh cùng thoát ra tại cùng một vị trí trên cánh nên cường độ xoáy của nó sẽ là tổng hợp của cường độ tất cả các xoáy liên kết chạy đọc trên cánh cùng thoát ra tại cùng một vị trí đang xét; và vì vậy nên cường độ của các xoáy tự do thoát ra sau cánh cũng khác nhau Khi góc tấn œ=0 các xoáy này nằm trong mặt phẳng cánh Khi œ0 chúng tạo thành hệ thống các sợi xốy
trong khơng gian Trong tính toán các sợi xoáy này cũng được mơ hình hố
bằng các đoạn xoáy thẳng kế tiếp nhau nhưng LSVT của chúng đều bằng nhau,
không biến đổi theo suốt chiều dài của mơi sợi xốy Hướng trong không gian của những đoạn xoáy đó được xác định bởi hướng của véc tơ tốc độ cảm ứng từ
tất cả các đoạn xoáy khác tính tại điểm đầu của mỗi đoạn
Cũng như các xoáy liên kết chạy dọc, các đoạn xoáy liên ngang tại mép ngoài của cánh cũng không thể chấm dứt tại đố mà được kế tiếp bởi các đoạn xoáy tự do thoát ra trên đầu mút cánh Hệ thống các sợi xốy này khơng cịn nằm trong mật phẳng cánh mà ln tạo ra hệ xốy khơng gian (hệ xốy 2) Trong tính toán, mỗi sợi xoáy của hệ 2 được mơ hình hố bằng một chuỗi các đoạn xoáy
Trang 30thẳng kế tiếp nhau, LSVT của chúng đều bằng nhau, không biến đổi theo suốt
chiều dài của mỗi sợi xốy và hướng khơng gian của mỗi đoạn cũng được xác
định bởi tốc độ cảm ứng tính tại vị trí điểm bất đầu của mỗi đoạn
Cách đánh dấu các điểm đặc trưng trên cánh và trên màn xoay:
Các xoáy liên kết ngang trên cánh được ký hiệu bằng chỉ số h theo thứ tự tang dan tir mép trudc canh ra phia sau (1 < up SN —N là số lượng các xoáy liên kết ngang tại mỗi thiết dién z = const)
Các điểm bắt đầu của xoáy tự do thoát từ mép sau cánh (hệ xoáy 1) nằm
phía sau mép cánh được ký hiệu bằng chỉ sốm (m= 1, , M- M là số lượng đoạn xoáy thẳng thay thế cho mỗi sợi xoáy Phần sợi xoáy tự do phía sau đoạn cuối M- được thay bằng đoạn xoáy kéo dài ra vô tận theo hướng dòng khí thổi tới cánh
Ký hiệu k dùng để chỉ các xoáy liên kết chạy dọc cánh Cách đánh số tăng dần từ gốc cánh (k = 0) ra mút ngoài (k= N) N- số lượng xoáy liên kết chạy dọc cánh
Các điểm đầu của các xoáy tự do thoát ra từ đầu mút cánh nằm ngay trên
tiết diện mút cánh Chúng được ký hiệu bằng l (1 = 0 trên mút cánh, | = 1, ,L- L là số lượng đoạn xoáy thẳng trong mỗi sợi xoáy hệ 2 Phần sợi xoáy còn lại sau đoạn L được thay bằng đoạn xoáy thẳng kéo dài ra vô tận theo hướng dòng khí thổi
tới cánh
Toạ độ các điểm giao nhau của các xoáy liên kết ngang (H) và các xoáy liên kết dọc (k) được ký hiệu bởi cụm chỉ số uk Như vậy toạ độ của các điểm đầu (và cuối) của các đoạn xoáy liên kết sẽ là xpk, ypk, zuk (1 <p <N,O<k<N)
Các điểm tính toán là các điểm tại đó sẽ tiến hành kiểm soát điểu kiện
không chảy thấu mặt cánh (Các điểm này nằm xen giữa các xoáy liên kết ngang Hi = const kế nhau và giữa các xoáy liên kết dọc k=const kể sát nhau Toa độ các
-1
điểm kiểm tra sẽ là x /⁄~" y "#~! z8 ~! (1<v<n, I<p<N (Chỉ số v để chỉ số
Trang 31để chỉ các hiết diện cánh)
2.2.5 Tính tốc độ tại một điểm bát kỳ
Khi tính toán tải khí động cần biết tốc độ tại các điểm giữa của các đoạn xoáy liên kết ngang và liên kết dọc
Toạ độ của chúng sẽ được ký hiệu:
ép-i £p-]Ì £p~l
Xếp > ep v2 £p (1<e<n,i<p<N)
` etlp-l ce+lp-l e+lp-l
va X ep v9 ép ep (lse<n, 1 sp<N)
chỉ số ø ở đây để cùng chỉ số thứ tự của điểm kiểm tra ứng với các xoáy liên kết
(cùng giá trị với w liên kết ngang)
Cường độ của các đoạn xoáy liên kết dọc và ngang trên cánh được ký hiệu
+ l# Hk-l
bang Dy ng 1, ue , cường độ của các xoáy tự do thoát ra từ mép sau cánh
(hệ 1) ký hiệu I_ a (nó không phụ thuộc vào H), còn của hệ xoáy 2- thốt ngồi
Trang 32Vị trí các xoáy rời rạc và vị trí các điểm tính toán được xác định như sau: Trên mỗi thiết diện cánh —- dây cung bự được chia đều thành n đoạn bằng nhau (n — số lượng xoáy liên kết ngang) Trên mỗi đoạn, vị trí của xoáy liên kết nằm chính
giữa còn điểm kiểm tra nằm tại điểm cuối của mỗi đoạn
Xác định các thành phần tộc độ tại điểm C bất kỳ trong không gian bao quanh cánh : (x*, y$, z*)
Ký hiệu w,„` là thành phần tốc độ tổng hợp bởi các tốc độ sau: w,° - Thành phần tốc độ xoáy liên kết ngang gảy ra
w,°, - Thành phần tốc độ do các xoáy liên kết dọc gây ra W,°, W¿“n - Thành phần tốc độ do màn xoáy hệ Ì và hệ 2 gây ra
wa = Wa + wit Wat + wan (2.8)
Trang 33Ms N-l (1) we =(2m) DA, k=l m+tke mka sy - Và từ xoáy tự do đầu mút cánh " + Watt = (12.3) > A (°) x YW ute Hel /=] Ha
Tốc độ tương đối không thứ nguyên và các thành phần của nó trong trường hợp cánh chuyển động với góc tấn œ và góc trượt cạnh § sẽ là:
2 2 2
weal )? + Oe, P+ OHS, (2.10)
Trong đó
Woax = Wa, + COS Œ.CoSB
Way = Way + sin a cosh
C
Woz = Wa, - SinỒ
2.2 6 Hinh dang man xody tu do
Trong chương trình, khi xác định hình dạng của vết xoáy sau cánh cần xác định trạng thái không gian của từng đoạn xoaý thẳng trong mỗi hệ xoáy I và hệ xoáy 2 Cách làm như sau:
Trang 34tại điểm m p
> malp
Ly mp là độ dài tương đối của các đoạn xốy hệ Ì
Toạ độ điểm cuối của các đoạn xoáy tự do trong hệ xoáy 2 (đầu mút cánh) ae oe oe eo ee > mr} eyo (X,9) Duet ee Ze ty” cos s(x 9,2) (2.12) 1<l<L, l<v<n cOS Š¡(x, y, Z)=Wuu(x, y, Z)⁄/W„¡ là giá trị cosin của các góc hướng tốc độ vở ; mtlp ủy: wt sz ss taidiém vl J, 4 là độ dài tương đối của các đoạn xoáy hệ 2 2.2.7 Hệ phương trình cơ bản
Cân thiết phải xác định cường độ của các đoạn xoáy Để dẫn ra hệ phương trình cần sử dụng điều kiện về không chảy thấu bể mặt cánh Điều kiện này được
tiến hành kiểm soát tại các điểm kiểm tra Với hệ toạ độ của cánh phẳng đang xét
thì điều kiện này là giá trị tốc độ tương đối theo hướng pháp tuyến với bề cánh tại
các điểm kiểm tra phải bằng không; hay nói cách khác, hình chiếu của tốc độ tuyệt
đối theo phương pháp tuyến phải chính bằng hình chiếu của tốc độ kéo theo theo
hướng đó
Trang 35Đây là một hệ phương trình đại số tuyến tính có n N, ẩn là các giá trị cần
uk—-i
phải tìm của LSVT T „¿ của các xoáy liên kết
,Ä 1 pp —Ì NA LA CÁ LAI QUY 2! ma ba ` ` “TA ĐA
a pkey , là các hệ số bên vế trái của hệ phương trình này nó là hàm
của các thành phần tốc độ không thứ nguyên tại các vị trí kiểm tra
#0 pp -1 Holl pp -l m+tl pp -1 Hitt pp —] W vạtl0 v3 Ụ v10 > 10 > Wor 09w >
- 7+1 -]
HO pp -1 +11 øp -l m+l11 pp —-t a pp
View l0 + > su 10 v >Vem lov »Vaov [2,3]
chúng sẽ được chiếu về phương pháp tuyến của mặt nâng đang xét
b 4l pp -Ì
By =Vy cosực - Vz sinxe
b uk~-t pp -1
why = sina cosB cosx¢ + sinB sinyc (2.14)
Trong đó: xc là góc vềnh của bề mặt nâng đang xét
Vy = sina cosB
Vz = - sinB là các thành phần tốc độ kéo theo không thứ nguyên
tính tại điểm kiểm tra
Sau khi giải hệ phương trình cơ bản sẽ tìm được giá trị của các LSVT a
khôngthứ nguyên: Ï „+ “Trong lí thuyết các bề mặt nâng phi tuyến thì không
chỉ các đọn xoáy liên kết ngang mà cả hệ thống các xoáy liên kết chạy dọc cũng tham gia tạo lực nâng của cánh Với các đoạn xoáy liên kết ngang, nghiệm của hệ phương trình này chính là độ lớn của LSVT không thứ nguyên của chúng Còn với các xoáy liên kết chạy dọc - độ lớn của LSVT trên mỗi đoạn sẽ bằng tổng đại số - của LSVT của các xoáy liên kết ngang nằm trước nó trên hai dải cánh liền nhau —
Trang 36nA
"¬ "nh 2.15)
1<k<n, 1<k<N-I
2.2.8 Tính tải khí động trên cánh
Để tính toán tải khí động sẽ sử dụng đính lý Guicopxky đối với mỗi phần tử của cánh Trong lý thuyết phi tuyến định lý này áp dụng cả với xoáy liên kết ngang và liên kết dọc Chênh áp trên phần tử cánh - ep-l 1 1 ép-l Apm =Apm ((2Uj2/2)#2Wotm đe - erlp p8 £+lp £c+lp Ap ga =Ap /(PoU,/2)=2 Wotes | Yep (2.16) l<e<n, I<p<N-1 ở đây: p„ - Mật độ dòng khí (không nhiều) thổi tới £p-l c+l z ` R - - 5 ˆ
Wot » Wot ep ” _ Các thành phần tốc độ không thứ nguyên tại trung
điểm của mỗi đoạn xoáy dọc và đoạn xoáy ngang — Chúng nằm trong mat phẳng cánh vuông góc với các đoạn xoáy có xét đến ảnh hưởng của dòng thổi tới cùng các thành phần tốc độ gây bởi cánh và các màn xoáy hệ 1 & 2
ep-letlp yy ^ Ben 14 z ¬ so làn LÃi
Yeo ›Yzø — là cường độ phân bố của lớp xoáy — gây bởi các xoáy liên kết
ngang và dọc, chúng liên hệ với lưu số vận tốc của các xoáy đó như sau:
! 1
Yep “lap [ppt cosy 2) (2.17)
Ye Te /A]®
Trang 37bạạ4¡— - Độ đài dọc của đoạn (theo trục Ôx) phần tử cánh
ep 2 " eyes = a
% ep — - Góc hợp giữa doan xody lién két ngang vdi truc Oz A/® > ~ Bé rong cua doan phan tử cánh (theo truc Oz)
2.2.9 Xác định các hệ số khí động của cánh
„ - sp-l - es] =
Chênh áp không thứ nguyên Ap sp ,Ap m ” tác dụng lên diện tích
— FM ok gay ee Ri ye tờ ‘ căn T
ASep = Dp pi Al"? SE gay ra trong mỗi phần tử lực phấp tuyến ÿ „»ị
Cũng tương rự, mỗi thành phần lực pháp tuyến trên phần tử cánh sẽ gây ra
momen quay quanh truc Oz Và tổng mômen gây ra trên mỗi giải là VW jon Tính tổng hợp trên toàn bộ cánh: N n - - ép-l - €+tlp y= ¬ À CA? ep +AD sp }.ASu pal e= Non - M: =>, *, Y sat AXep (2.18) Trong đó : Ax¿„ là khoảng cách trọng tâm phần tử cánh AS;, tới truc Oz Dựa và định nghĩa các hệ số khí động Cy = Y/(pU,2.8) mz = Mz/(pU,2.S.b) (2.19) Trong đó : Y - lực nâng của cánh
Trang 38Các hệ số khí động cần tính sẽ bằng: Cy=b/S ¥ mz= bŸ/ § VM: (2.20) Toa độ tâm áp X.„của khí cụ bay sẽ là Xy =-mz.b/Cy (2.21)
2.2.10 Chuyển đổi theo sé M
Trong quá trình tính toán đã giả thiết dòng chảy là khí ly tưởng và không nền được Trong khoảng biến đổi của số M < 0,5 - ảnh hưởng tính nén của dòng khí là không lớn nên ttong chương trình đã sử dụng công thức Karman — Tzian [4] để đánh giá ảnh hưởng của tính nén Theo đó chênh áp không thứ nguyên của đồng
của dòng không nén Á ? w-¿ và dòng chảy có nén A p (M >0) là:
- _ y Mộ -
Ấp =Ä PP M=o (( vn Mộ + — ——====:Â 7 vao) (2.22)
2 1+.1-2
2.2.11 Xác định các đặc tính khí động học (Cy, mz) của toàn bộ khí cụ bay Trên cơ sở coi dạng bình đồ KCB được ghép nối từ nhiều tứ giác đơn giản,
nhìn chung cách xác định các đặc tính khí động học được phát triển từ cách tính
cánh dạng tứ giác cơ bản có kết hợp với thuật toán ghép nối (thuật toán cộng) LSVT của các xoáy liên kết nằm trên các tứ giác tiếp giáp nhau
Trên hình vẽ 2.3 thể hiện dạng bình đồ của một KCB được tạo nên từ các giác 1, 2 10 Các tứ giác 3&5 (cánh và đuôi) được ghép vào tứ giác 2 (thân)
Để xây dựng thuật toán ghép nối cần xác định rõ đặc điểm của hệ thống
xoáy tự do thoát ra từ các tứ giác
Với tứ giác 1: ngoài các xoáy liên kết chạy ngang và dọc — các xoáy tự do thoát ra từ mép sau hoàn toàn giống trường hợp cánh đơn Hệ xoáy thoát ra từ mút
Trang 39ngoài chỉ có trên các đoạn AB và CD Đặc điểm này phải được chú ý khi xác định LSVT của các xoáy liên kết chạy dọc theo mép nối các tứ giác
Việc xây dựng hệ phương trình cơ bản dựa trên việc kiểm sốt điều kiện
khơng chảy thấu bề mặt KCB tại các điểm kiểm tra trên tất cả các tứ giác Hệ phương trình cơ bản sẽ có dạng Hị “eal uk ~1 pp -t “&# =løp ~] > lì uk ainky =-2.T.bl uky wal (2.23) Trong đó:
1— số lượng các tứ giác cơ bản
N; - số lượng các dải chạy dọc trong tứ giác thứ ¡ n,- số lượng xoáy trong mỗi dải của tứ giác ¡
eon we HEAL pp!
Các hệ số a ¡ „¿+ như đã trình bày trên đều phải được tính quy về
phương pháp tuyến với bề mặt nâng (tứ giác đang xét), côn các giá trị
k~lpjpp-l „ a 1 ˆ „ co goớ =2 2 4
piety tốc độ kéo theo không thứ nguyên tính tại điểm kiểm tra v của tứ
giác thứ ¡ và cũng được chiếu theo phương pháp tuyến với mặt nâng đó
Sau khi giải hệ phương trình cơ bản (2.23) sẽ tìm được giá trị LSVT của các xoáy liên kết ngang, việc xác định độ lớn của LSVT của các xoáy liên kết chạy đọc trên các mép nối giữa các tứ giác có sự khác biệt so với trường hợp đã xét:
Trang 40LE 10 5 Hình 2.3 Sơ đồ ghép nối các bể mặt nâng Ví dụ trên đoạn AB H+iN +10 Cav, | si=(T uo )>a= IME Ta HN, HMelN,-l - Tụ xo ) I (2.24) Trong đó: Các chỉ số 3 1, >2 — chỉ LSVT tổng hợp của các đoạn xoáy liên kết chạy dọc mép AB thuộc tứ giác 1 và 2 :
Các chỉ số (1) và (2) để phân biệt giá trị LSVT tương ứng của các xoáy liên kết ngang thuộc tứ giác I&2