phân tích chuyển động, ổn định và điều khiển của máy bay

Tác dụng quá mức của góc vểnh có thể dẫn tới hiện tượng vừa lănngiêng vừa chuyển động xoắn ốc Dutch roll, rất là khó khăn trong việc kết hợpvới cánh lái hướng để cơ động nghiêng, hay đưa

- Chương 3 khác với hai chương trước ở chương này chúng ta sẽ đi nghiêncứu phần lượng của vấn đề nghĩa là sẽ đi sâu vào các phương trình, các

mô hình toán học áp dụng cho máy bay

- Chương 4 đây là phần áp dụng những kiến thức, những lý thuyết ở phầntrên để tính toán sự ổn định của một máy bay cụ thể ở một chế độ bay xácđịnh

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ SỰ ỔN ĐỊNH VÀ

ĐIỀU KHIỂN CỦA MÁY BAY

1 Giới thiệu tổng quan về ổn định và điều khiển

Chú ý rằng máy bay có thể ổn định tĩnh nhưng không ổn định động Ổn định tĩnh

vì thế không đảm bảo cho sự ổn định động Tuy nhiên máy bay muốn ổn địnhđộng thì trước hết nó phải ổn định tĩnh

1.3 Điều khiển máy bay

Điều khiển máy bay là quá tình biến đổi các tham số chuyển động của máy baytheo ý muốn của người phi công để đạt mục đích của chuyến bay Về bản chấtthì đây là qúa trình tác động vào cơ quan điều khiển nhằm thay đổi các lực vàmômen tác dụng lên máy bay làm cho máy bay bay theo quỹ đạo mong muốn.Quá trình điều khiển gồm 4 khâu:

- Thu nhận thông tin về mục tiêu và nhiệm vụ điều khiển nghĩa là thu nhận cácthông số định trước về mục tiêu, nhiệm vụ cần đạt

- Thu nhận thông tin trong khi điều khiển tức là thu nhận các thông số tức thờixuất hiện khi điều khiển về khí tượng, sự sai lệch của máy bay

- Phân tích thông tin để đưa ra hành động điều khiển: Dựa trên cơ sở các thôngtin về mục tiêu, nhiệm vụ điều khiển và các thông tin tức thời xuất hiện trong

quá trình điều khiển, phải so sánh các sai lệch các thông số tức thời với thông sốcần đạt được để đưa ra thông tin điều khiển máy bay.

- Tác động lên cơ quan điều khiển thông tin điều khiển được biến đổi thành cáctín hiệu điều khiển cơ, điện, tác động lên các cơ quan cần thiết để đạt được ý

đồ điều khiển

Các nhóm cơ quan điều khiển:

- Nhóm các thiết bị điều khiển chúc ngóc: cánh lái độ cao, đuôi ngang

- Nhóm các thiết bị điều khiển nghiêng: cánh lái liệng, tấm cản,

- Nhóm các thiết bị điều khiển hướng: cánh lái hướng, phanh bánh,

- Nhóm các thiết bị điều khiển tốc độ bay: động cơ, tấm giảm tốc, dù giảm tốc,

2 DANH SÁCH VÀ ĐỊNH NGHĨA CÁC THUẬT NGỮ

b - sải cánh

c - dây cung trung bình

/ 2

p

l l

( / 2 )

r

l l

( / 2 )

p

n n

( / 2 )

r

n n

C C

( / 2 )

q

m m

3 Các hệ trục tọa độ:

Các hệ trục tọa độ cần xác định sử dụng khi tính toán

 Hệ tọa độ cố định Oxyz gắn cố định với mặt đất Trục z thẳng đứng

hướng xuống dưới Ox là một hướng đặc trưng thường là hướng từ máybay tới mục tiêu mà máy bay cần bay tới Trục Oy cùng với Ox, Oz tạothành một tam diện thuận

 Hệ trục chuyển động tịnh tiến cùng với máy bay Cx y z f f f có gốc ởtrọng tâm máy bay và các trục Cx Cy Cz f, f, f lần lượt song song với các trục

cố định Ox, Oy, Oz

 Hệ trục gắn cố định với máy bay Cx y z b b bcó gốc C là trọng tâm máy bay.Trục Cx bthường là trục dọc của máy bay hướng về phía mũi Trục Cz bnằmtrong mặt phẳng đối xứng của máy bay hướng xuống dưới vuông góc vớitrục O b Trục Oy bvuông góc với Ox Oz b, bvà với 2 trục này tạo thành mộttam diện thuận

 Hệ tọa độ không tốc Cx y z a a a có gốc ở khối tâm C, trục x atrùng với khôngtốc V- là vận tốc tương đối của khối tâm máy bay so với môi trườngkhông khí chưa bị nhiễu động bởi chuyển động máy bay, khác với địa tốc

Vk là vận tốc tuyệt đối của khối tâm máy bay Vk=VC (so với hệ tọa độ cốđịnh Oxyz) Mặt phẳng Cx z a a vuông góc với mặt phẳng đối xứng củamáy bay Cx z b b Trục Cz a vuông góc với mặt phẳng Cx z a a và tạo với

,

 Hệ tọa độ địa tốc hay là hệ tọa độ quỹ đạo Cx y z k k kcó gốc ở khối tâm C,trục Cx ktrùng với Vk Mặt phẳng Cx z k k vuông góc với mặt phẳng ngang

f f

Cx y , trục Cy kvuông góc với mặt Cx z k kvà tạo thành một tam diện thuận.Chuyển động của máy bay có thể phân tích thành hai thành phần cơ bản: Chuyểnđộng theo là chuyển động tịnh tiến của hệ trục Cx y z f f f so với hệ trục cố địnhOxyz và chuyển động tương đối là chuyển động của hệ trục Cx y z b b bso với hệ trục

f f f

Vị trí hệ trục Cx y z b b bcó thể biểu diễn bằng 3 phép quay liên tiếp nhau, cácgóc quay này gọi là góc quay Euler Từ hệ trục Cx y z f f f ta thực hiện 3 phép quaysau:

 Quay hệ trục Cx y z f f f quanh trục Cz f một góc hướng  đến trục Cx y z1 1 1

giữa trục Cx b và mặt phẳng nằm ngang, góc nghiêng  là góc giữa mặt phẳngđối xứng của máy bay Cx z b bvới mặt phẳng thẳng đứng chứa x b.

4 Các trục của máy bay

Khi máy bay thay đổi tư thế của nó trong khi bay thì nó phải xoay quanh mộthoặc nhiều hơn một trong ba trục Hình vẽ dưới đây chỉ ra ba trục, đây là cácđường thẳng tưởng tượng đi qua trọng tâm của máy bay

Hình * Ba trục của máy bay

Các trục của máy bay có thể được xem như là các trục xe tưởng tượng màmáy bay quay xung quanh như một bánh xe Tại tâm - nơi giao nhau của ba trục

và chúng đôi một vuông góc nhau Trục mở rộng chiều dài xuyên qua thân từmũi tới đuôi gọi là trục dọc Trục mở rộng theo bề ngang từ mút cánh này đếnmút cánh kia là trục ngang Còn trục đi qua tâm từ đỉnh tới đáy được gọi là trụcthẳng đứng

Chuyển động quanh trục dọc giống như lắc lư một con tàu từ cạnh nàysang cạnh kia Trong thực tế, các tên được đặt cho việc miêu tả chuyển độngquanh ba trục của máy bay xuất phát từ các thuật ngữ của ngành hàng hải Chúngđược chấp nhận làm thuật ngữ trong ngành hàng không bởi vì có sự tương tự vềchuyển động giữa máy bay và tàu thuyền

Vì vậy chuyển động quanh trục dọc được gọi là chuyển động nghiêng(roll), chuyển động dọc theo trục ngang gọi là chuyển động chúc ngóc (pitch)

Cuối cùng, một máy bay chuyển động quanh trục thẳng đứng của nó được gọi làchuyển động hướng (yaw) Đây là chuyển động trong mặt phẳng nằm ngang củamũi máy bay.

Chuyển động nghiêng, chúc ngóc, hướng các chuyển động của máy baythực hiện quanh trục dọc, ngang, thẳng đứng của nó được điều khiển bởi ba mặtđiều khiển Cánh lái liệng (aileron) điều khiển chuyển động nghiêng và được đặt

ở mép sau của các cánh Chuyển động chúc ngóc chịu tác động của các cánh lái

độ cao (elevator) là bộ phận ở phía sau của đuôi ngang Chuyển động hướngđược điều khiển bởi cánh lái hướng là bộ phận nằm phía sau của đuôi đứng

Hình * Chuyển động của máy bay quanh các trục của nó

CHƯƠNG 2 KHÁI NIỆM CHI TIẾT VỀ ỔN ĐỊNH VÀ ĐIỀU KHIỂN

Một máy bay phải có độ ổn định để duy trì một đường bay đồng nhất vàphục hồi từ các lực nhiễu tác động vào Vì thế để đạt tới hiệu quả tốt nhất máybay phải có đáp ứng thích hợp với chuyển động của điều khiển

Ba khái niệm đề cập trong bất cứ thảo luận nào về ổn định và điều khiểnlà: (1) Ổn định, (2) Tính cơ động, (3) Tính điều khiển Tính ổn định là đặc tínhcủa một máy bay có xu hướng làm cho nó bay theo một đường thẳng và đồngmức Tính cơ động là khả năng của một máy bay chuyển trực tiếp sang mộtđường bay mong muốn và chịu đựng một ứng suất đặt vào Tính điều khiển làchất lượng đáp ứng của một máy bay đối với các lệnh điều khiển từ phi côngtrong khi cơ động máy bay

Ba loại ổn định tĩnh được định nghĩa bởi đặc điểm của chuyển động kéotheo sự nhiễu loạn từ vị trí cân bằng Ổn định tĩnh tích cực tồn tại khi vật bịnhiễu loạn có xu hướng trở về vị trí cân bằng Ổn định tĩnh tiêu cực hay mất ổnđịnh tĩnh tồn tại khi vật bị kích động có xu hướng tiếp tục theo hướng của tácđộng Ổn định tĩnh phiếm định tồn tại khi vật bị nhiễu loạn hoặc không có xuhướng trở về hoặc tiếp tục theo hướng dịch chuyển, nhưng vẫn giữ trong trạngthái cân bằng theo hướng nhiễu loạn

Hình * Các dạng ổn định tĩnh

2.1.1 Ổn định dọc trục

Khi một máy bay có xu hướng giữ một góc tấn không đổi đối với gió khi

đó nó không có xu hướng chúc mũi xuống và bổ nhào hay nâng mũi nó lên vàchòng chành mất điều khiển, ta gọi nó có tính ổn định dọc Ổn định dọc có quan

hệ tới chuyển động chúc ngóc Hoạt động của bộ ổn định phụ thuộc vào tốc độ

và góc tới của máy bay

Hình vẽ dưới đây minh họa sự phân bố của lực nâng đuôi đối với tính ổnđịnh Nếu máy bay thay đổi góc tấn, một sự thay đổi trong lực nâng thực hiện tạitâm khí động (tâm áp suất) của bộ ổn định ngang

Hình * Sự tạo thành lực nâng đuôi

Dưới một số điều kiện về vận tốc, tải trọng và góc tới, dòng không khí trên

bộ ổn định ngang tạo ra một lực đẩy đuôi lên hoặc xuống Khi các điều kiện nhưthế dòng không khí tạo ra lực cân bằng lên hoặc xuống, các lực được gọi là cân

bằng với nhau Điều kiện này thường được tìm thấy trong chuyến bay đồng mứctrong không khí tĩnh lặng.

2.1.2 Ổn định hướng

Ổn định quanh trục dọc liên quan tới ổn định hướng Máy bay có thể đượcthiết kế sao cho khi nó bay thẳng đồng mức nó duy trì hướng bay thậm chí phicông không tác động tay, chân lên các bộ phận điều khiển Nếu một máy bayphục hồi một cách tự động từ một cái sống đuôi, nó có thể được thiết kế tốt và sởhữu sự thăng bằng hướng tốt Bộ ổn định thẳng đứng là mặt chính điều khiển ổnđịnh hướng

Như minh họa trên hình vẽ sau, khi một máy bay bị trượt cạnh hoặc quayquanh trục thẳng đứng, đuôi đứng sẽ sinh ra một sự thay đổi trong góc tới với sựthay đổi lực nâng kéo theo (không nên nhầm lẫn với sự thay đổi lực nâng tạo rabởi cánh) Sự thay đổi lực nâng, hay lực cạnh, trên đuôi đứng tạo ra một mômenđặt tại trọng tâm quanh trục thẳng đứng có xu hướng đưa máy bay trở về đườngbay ban đầu

Hình * Sự ảnh hưởng của đuôi đứng tới ổn định hướng

Cánh có góc cụp giúp đỡ cho việc ổn định hướng Nếu máy bay quayquanh trục thẳng đứng từ hướng bay của nó, cánh ở xa hơn về phía trước yêu cầu

lực cản lớn hơn cánh ở phía sau Tác dụng của lực cản là giữ cho cánh ở xa hơn

về phía trước và làm cho các cánh khác đuổi theo

Ổn định hướng cũng được giúp đỡ bằng cách sử dụng một cái vây ở lưng

và một cái thân dài Số Mach lớn của máy bay trên âm làm giảm sự ảnh hưởngcủa đuôi đứng tới ổn định hướng Để sinh ra ổn định hướng yêu cầu ở số Machlớn một đuôi đứng có diện tích rất lớn có thể rất cần thiết Cánh ở sườn cũng cóthể được thêm vào như một phần phụ để gia tăng ổn định hướng

2.1.3 Ổn định cạnh

Chúng ta đã biết rằng chuyển động chúc ngóc là chuyển động quanh trụcngang của máy bay và chuyển động hướng là chuyển động quanh trục thẳngđứng của nó Chuyển động xung quanh trục dọc là chuyển động ngang haychuyển động nghiêng Xu hướng để đưa máy bay về tư thế ban đầu từ chuyểnđộng như thế được gọi là ổn định cạnh

Ổn định cạnh của một máy bay bao gồm sự xem xét mômen quanh trụcdọc do sự trượt cạnh Một sự trượt cạnh có xu hướng sinh ra đồng thời cả chuyểnđộng nghiêng và chuyển động hướng Nếu một máy bay có mômen nghiêngthích hợp một sự trượt cạnh sẽ làm cho máy bay trở về tư thế bay đồng mức

Bề mặt chính để tạo ra ổn định cạnh của máy bay là cánh Tác dụng củagóc nhị diện hình học của một cánh góp phần rất lớn vào ổn định cạnh Như chỉ

ra trên hình vẽ một cánh với góc vểnh làm gia tăng lực nâng Sự thay đổi tronglực nâng ảnh hưởng đến mômen nghiêng có xu hướng làm cánh uốn lên

Khi cánh có góc mũi tên tác dụng của góc vểnh làm gia tăng một cáchnhanh chóng với một sự thay đổi hệ số lực nâng của cánh Góc mũi tên cánh làgóc giữa một đường vuông góc với đường tâm của thân và cung ¼ của mỗi tiếtdiện cánh Góc mũi tên kết hợp với góc vểnh làm cho tác dụng của góc vểnhthêm gia tăng Như chỉ ra trên hình vẽ cánh mũi tên trong một chuyển động trượt

cạnh có cánh hoạt động trong trường gió với một sự giảm hiệu quả trong gócmũi tên, trong khi cánh không nằm trong trường gió thì đang hoạt động với một

sự gia tăng trong góc mũi tên

Hình * Tác dụng của góc mũi tên cánh lên ổn định ngang

Hình * Sự ảnh hưởng của góc vểnh tới ổn định ngang

Cánh ở trong gió làm tăng lực nâng hơn, và cánh ở ngoài trường gió thì làm giatăng ít hơn Điều này làm cho máy bay có xu hướng phục hồi một tư thế bayđồng mức

Một lượng góc vểnh cần thiết để tạo ra các chất lượng bay thỏa mãn sẽbiến đổi lớn với loại và mục đích của máy bay Nhìn chung thì góc vểnh hiệu

quả được giữ ở một góc nhỏ bởi vì rằng sự lăn tròn ở góc vểnh lớn sẽ gây ranhiều vấn đề Tác dụng quá mức của góc vểnh có thể dẫn tới hiện tượng vừa lănngiêng vừa chuyển động xoắn ốc (Dutch roll), rất là khó khăn trong việc kết hợpvới cánh lái hướng để cơ động nghiêng, hay đưa ra yêu cầu quá đáng cho côngsuất điều khiển cạnh trong suốt quá trình cất cánh và hạ cánh có gió ngang.

2.2 Ổn định động

Trong khi ổn định tĩnh đề cập tới xu hướng của một vật thể dịch chuyểntrở về vị trí cân bằng thì ổn định động lại đề cập tới kết quả chuyển động theothời gian Nếu một vật bị làm lệch ra khỏi vị trí cân bằng diễn biến thời gian củachuyển động định nghĩa ổn định động của vật đó Nói chung, một vật chỉ ra sự

ổn định động tích cực nếu biên độ của chuyển động giảm theo thời gian Nếubiên độ của chuyển động tăng theo thời gian thì vật đó không ổn định động

Bất cứ máy bay nào cũng phải chỉ ra các mức độ yêu cầu về ổn định tĩnh

và ổn định động Nếu một máy bay được thiết kế là ổn định tĩnh và một tốc độmất ổn định nhanh, máy bay như thế sẽ rất khó để bay, nếu không muốn nói làkhông thể Thông thường, ổn định động tích cực được yêu cầu trong một thiết kếmáy bay để bảo vệ các dao động tiếp tục không mong muốn của máy bay

2.3 Điều khiển

Điều khiển là hành động được thực hiện để làm cho máy bay theo đuổi bất

cứ đường bay mong muốn nào Khi một máy bay được gọi là có thể điều khiểnđược, có nghĩa là máy bay đáp ứng dễ dàng và nhanh chóng tới chuyển động củađiều khiển Các bề mặt điều khiển khác nhau được sử dụng để điều khiển máybay xung quanh ba trục của nó Sự dịch chuyển của các mặt điều khiển trên mộtmáy bay thay đổi dòng khí trên bề mặt máy bay Điều này ngược lại, tạo ra sự

thay đổi trong sự cân bằng lực tác dụng nhằm giữ cho chuyến bay là thẳng vàđồng nhất.

2.3.1 Các bề mặt điều khiển bay

Các bề mặt điều khiển bay là các cánh được gắn bản lề hay có thể chuyểnđộng được thiết kế nhằm thay đổi cư xử của máy bay trong suốt quá trình bay.Các bề mặt này có thể được chia làm ba nhóm, thường được nói đến là nhómchính, nhóm thứ cấp và nhóm trợ giúp

2.3.1.1 Nhóm chính

Nhóm chính bao gồm cánh lái liệng (aileron), cánh lái độ cao (elevator),

và cánh lái hướng (rudder) Các bề mặt này được sử dụng cho việc làm chuyểnđộng máy bay quanh ba trục của nó

Hình * Các mặt điều khiển chính của máy bay

Cánh lái liệng và cánh lái độ cao thường được vận hành từ buồng lái bởi một cầnđiều khiển trên máy bay động cơ đơn và bởi một tổ hợp bánh xe và đòn gánh

trên máy bay nhiều động cơ Cánh lái hướng được vận hành bởi bàn đạp chântrên tất cả các loại máy bay.

2.3.1.2 Nhóm thứ cấp

Nhóm thứ cấp bao gồm các tấm bình ổn và tấm đàn hồi Các tấm bình ổn

là các cánh nhỏ được gắn vào sau mép vào của các bề mặt điều khiển chính Mụcđích của tấm bình ổn là cho phép phi công làm bình ổn bất kỳ điều kiện mất cânbằng nào có thể tồn tại trong quá trình bay mà không tạo ra bất kỳ áp suất nàotrên các bộ phận điều khiển chính Mỗi tấm bình ổn được gắn bản lề tới bề mặtđiều khiển chính của nó, nhưng được vận hành một cách độc lập

Hình * Các tấm bình ổn

Các tấm đàn hồi cũng tương tự về hình dạng với các tấm bình ổn nhưng cómục đích hoàn toàn khác Các tấm đàn hồi được sử dụng nhằm giúp phi côngtrong việc dịch chuyển các bề mặt điều khiển chính

2.3.1.3 Nhóm trợ giúp

Nhóm trợ giúp bao gồm các bề mặt điều khiển bay là cánh tà cánh, tấmgiảm tốc, phanh tốc độ, slat, cánh tà và khe hở mép vào

Nhóm trợ giúp có thể chia thành 2 nhóm con Các nhóm con này thì cónhóm có mục đích chính là gia tăng lực nâng và có nhóm thì làm giảm lực nâng.Trong nhóm thứ nhất là cánh tà, cả mép ra, mép vào và các khe hở Các thiết bịlàm giảm lực nâng là phanh và tấm giảm tốc.

Cánh tà làm gia tăng diện tích cánh vì thế làm gia tăng lực nâng khi cấtcánh và giảm vận tốc trong quá trình hạ cánh Những cánh này có thể thu vào vàxếp thẳng vào biên dạng cánh Những cánh khác đơn giản là một phần của lớp

vỏ ở bên dưới được mở rộng vào trong dòng khí vì thế làm máy bay bay chậmlại

Các cánh tà ở mép vào là các cánh được mở rộng từ và thu vào trong mépvào của cánh chính Một số sự lắp ráp tạo ra một khe hở (một khoảng trống ởgiữa cánh được mở rộng và mép vào) Cánh tà (cũng được gọi là slat đối với một

số nhà sản xuất) và khe hở tạo lực nâng bổ sung ở tốc độ thấp của quá trình cất

và hạ cánh Các cài đặt khác có các khe hở thường trực được xây dựng trongmép vào của cánh Ở tốc độ bay bằng, các cánh tà ở mép ra và mép vào (slat)được thu vào trong cánh một cánh thích hợp

Các thiết bị làm giảm lực nâng là phanh tốc độ (các tấm giảm tốc spoilers) Trong một số sự cài đặt, có hai loại tấm giảm tốc Tấm giảm tốc đất chỉđược mở rộng chỉ sau khi máy bay ở trên mặt đất vì thế bổ sung cho hoạt độngphanh

-Tấm giảm tốc bay trợ giúp trong điều khiển cạnh bằng việc mở rộng bất

cứ khi nào cánh lái liệng trên cánh đó xoay lên Khi hoạt động như một cáiphanh tốc độ, các tấm giảm tốc trên cả hai cánh đều được bật lên - tấm ở bêncánh có cánh lái liệng xoay lên thì được mở lên nhiều hơn các tấm ở cánh cócánh lái liệng xoay xuống Điều này làm cho việc vận hành phanh tốc độ và điềukhiển được thực hiện một cách đồng bộ

Slat là các mặt điều khiển có thể dịch chuyển được liên kết với mép vàocủa các cánh Khi slat đóng lại nó trở thành mép vào của cánh Khi ở vị trí mở(mở rộng về phía trước), một khe hở được tạo ra giữa slat và mép vào của cánh.

Ở tốc độ thấp máy bay điều này làm gia tăng lực nâng và cải thiện các đặc tínhđiều khiển, cho phép máy bay được điều khiển ở các tốc độ dưới tốc độ hạ cánhbình thường

2.3.2 Điều khiển quanh trục dọc

Chuyển động của máy bay quanh trục dọc được gọi là lăn tròn và rẽ ngoặt.Các cánh lái liệng được sử dụng để điều khiển chuyển động này

Hình * Hoạt động của cánh lái liệng

Các cánh lái liệng tạo thành một phần của cánh và được đặt ở trong mép racủa cánh hướng về các đầu mút cánh Các cánh lái liệng là các mặt điều khiểncủa một bề mặt cánh cố định Cánh lái liệng ở vị trí trung lập khi thẳng hàng vớimép ra của cánh

Các cánh lái liệng phản ứng với áp suất cạnh tác dụng vào cần điều khiển

Áp suất tác dụng nhằm điều khiển cần lái hướng về phía bên phải làm cánh lái

liệng bên phải xoay lên và làm cánh lái bên trái hạ xuống, làm cho máy bay rẽsang phải Các cánh lái liệng được liên kết cùng nhau bằng các dây cáp điềukhiển sao cho khi một cánh lái hạ xuống cái còn lại nâng lên Chức năng củacánh hạ thấp là làm gia tăng lực nâng bằng việc gia tăng độ uốn cánh Trong lúc

đó cánh lái hạ xuống cũng làm tăng lực cản bổ sung bởi vì nó ở khu vực có ápsuất cao ở phía dưới cánh Cánh lái liệng vểnh lên trên phía đối diện của cánhlàm giảm lực cản tác dụng lên phần cuối của cánh Lực nâng gia tăng trên cánh

mà có cánh lái liệng hạ xuống sẽ làm nâng cánh chính lên Điều này làm chomáy bay lăn tròn xung quanh trục dọc của nó như trên hình vẽ

Hình * Hệ thống điều khiển cánh lái liệng

Do sự tác dụng của lực nâng gia tăng trên cánh với cánh lái liệng đã được

hạ xuống, lực cản cũng được gia tăng Lực cản này cố gắng để đẩy mũi theohướng của cánh cao hơn Bởi vì các cánh lái được sử dụng với cánh lái hướngkhi rẽ máy bay, lực cản gia tăng cố gắng làm cho máy bay rẽ theo hướng ngượcvới mong muốn Nhằm tránh tác dụng không mong muốn máy bay thường đượcthiết kế với sự di chuyển khác nhau của các cánh lái liệng

Sự di chuyển khác nhau của các cánh lái liệng như hình vẽ làm cho sựdịch chuyển đi lên của cánh lái liệng là nhiều hơn so với sự dịch chuyển đi

xuống đối với một chuyển động cho trước của cần điều khiển hay bánh xe trongbuồng lái.

Hình * Bộ điều khiển vi phân các cánh lái liệng

Các tấm giảm tốc hay các phanh tốc độ được lắp ráp tương thích với bềmặt phía trên của cánh Chúng thường chuyển động lên phía trên bằng các cơcấu chấp hành thủy lực phản ứng lại chuyển động điều khiển của cần lái trongbuồng lái Mục đích của các tấm giảm tốc là làm xáo trộn dòng trơn của khôngkhí ngang qua đỉnh của cánh vì thế tạo ra một sự gia tăng lực cản và giảm lựcnâng trên cánh đó Tấm giảm tốc trên cạnh kia vẫn còn giữ một vị trí thẳng Khicác tấm giảm tốc được sử dụng như là phanh tốc độ chúng chuyển động xuốngdưới một cách đồng bộ Một cái đòn bẩy riêng biệt nhằm vận hành các tấm giảmtốc như là phanh tốc độ

Trong khi chúng ta có xu hướng nghĩ rằng một tấm giảm tốc như là mộtthiết bị được điều khiển, phức tạp, chúng ta sẽ giữ một quan điểm rằng một sốkhông thể điều khiển được Một số tấm giảm tốc hoạt động tự động chỉ khi góc

tấn là lớn Sự lắp ráp này giữ cho chúng nằm ngoài dòng ngang ở chế độ baybằng và bay ở tốc độ cao.

Một tấm giảm tốc cố định có thể là một mũi nêm nhỏ gắn vào mép vàocủa cánh như hình

Hình * Các tấm giảm tốc cố định

Loại tấm giảm tốc này làm cho bộ phận phía trong của cánh rơi vào trạngthái mất ổn định trước phần cánh ở phía ngoài mút, phần cánh ở phía ngoàiresults in aileron control right up to the occurrence of complete wing stall

Sử dụng sự chính xác cao trong sự định vị của các tấm giảm tốc ở mépvào của cánh khi lắp đặt lại chúng sau khi chúng được tháo rời để bảo dưỡng.Việc định vị không thích hợp có thể gây ra tác dụng ngược lại Luôn luôn làmtheo sự hướng dẫn của các nhà sản xuất đối với việc định vị và phương pháp lắpghép

2.3.3 Điều khiển xung quanh trục thẳng đứng

Quay mũi của máy bay làm cho máy bay quay xung quanh trục thẳngđứng của nó Việc xoay máy bay quanh trục thẳng đứng được gọi là Yawing.Chuyển động này được điều khiển vởi cánh lái hướng như minh họa trên hìnhvẽ

Hình * Hoạt động của cánh lái hướng

Cánh lái hướng là một bề mặt điều khiển có thể dịch chuyển được đượcnối với mép ra của bộ ổn định dọc Để rẽ máy bay sang phải, cánh lái hướngđược dịch chuyển sang phải Cánh lái hướng nhô ra dòng không khí chảy baoquanh máy bay sinh ra một lực tác dụng lên nó Đây là lực cần thiết tạo ramômen quay đối với trọng tâm làm cho máy bay rẽ sang phải Nếu cánh láihướng được dịch chuyển sang trái nó sẽ sinh ra một chuyển động quay ngượcchiều kim đồng hồ và máy bay sẽ rẽ sang trái Cánh lái hướng cũng được dùng

để điều khiển rẽ nghiêng trong khi bay

Chức năng chính của cánh lái hướng là đổi hướng máy bay Sự thay đổihướng bay này được duy trì bởi áp suất cạnh của dòng khí chuyển động qua các

bề mặt thẳng đứng Khi máy bay bắt đầu trượt áp suất cánh lái hướng được ápdụng để giữ cho máy bay hướng theo hướng mong muốn

Trượt hay trượt cạnh liên quan đến chuyển động bất kỳ của máy bay sangbên sườn hoặc hướng xuống dưới theo hướng đi vào trong của sự đổi hướng

Trượt cạnh liên quan tới dịch chuyển lên trên và ra phía ngoài từ tâm của sự đổihướng.

2.3.4 Điều khiển quanh trục ngang

Khi mũi của máy bay được nâng lên hay hạ xuống, nó bi xoay xung quanhtrục ngang Các cánh lái độ cao là các bề mặt có thể điều khiển và dịch chuyển

để tạo ra chuyển động này (như hình) Chúng được gắn bản lề với mép ra của bộ

ổn định ngang

Hình * Hoạt động của cánh lái độ cao

Các cánh lái độ cao được sử dụng làm cho máy bay bay lên hay bổ nhàoxuống và cũng đạt được lực nâng từ các cánh để giữ máy bay bay ở chế độ đồngmức ở bất cứ tốc độ bay nào

Các cánh lái độ cao có thể chuyển động đi lên hoặc xuống Nếu cánh láiquay lên nó làm giảm lực nâng lên đuôi làm đuôi bị hạ xuống và nâng mũi lên.Nếu cánh lái quay xuống nó làm gia tăng lực nâng tác dụng lên đuôi và làm chođuôi nâng lên, mũi hạ xuống Làm hạ thấp mũi máy bay làm tăng tốc độ tiến vềphía trước của máy bay và nâng cao mũi thì làm giảm tốc độ bay

Một số máy bay sử dụng một mặt nằm ngang có thể dịch chuyển được gọi

là một bộ ổn định (xem hình vẽ) Bộ ổn định nhằm cùng một mục đích như bộ ổnđịnh ngang và cánh lái độ cao kết hợp Khi cần điều khiển từ buồng lái chuyển

động bộ ổn định được dịch chuyển để làm nâng cao hoặc hạ thấp mép vào củacánh, vì thế làm thay đổi góc tấn và lực nâng tác dụng lên bề mặt đuôi.

Hình * Bộ ổn định ngang có thể chuyển động được

Các bộ phận được lắp để làm máy bay ổn định được thiết kế bao gồm bộ

ổn định thẳng đứng và ngang Các bộ ổn định được điều chỉnh tại một góc như hình vẽ Sự sắp xếp này được gọi là đuôi hình cánh bướm hay hình chữ V

Hình * Đuôi hình cánh bướm hay hình chữ V

Các mặt điều khiển được gắn bản lề với các bộ ổn định ở mép ra của cánh.Phần ổn định của sự sắp xếp này được gọi là bộ ổn định, và phần điều khiểnđược gọi là bánh lái hay là cánh lái hướng Các cánh lái hướng này có thể vậnhành có thể đồng thời lên hoặc xuống cùng một thời điểm Khi được sử dụng

theo cách này kết quả thu được tương tự như với bất cứ loại cánh lái độ cao nào.Hoạt động này được điều khiển bởi cần lái hay thanh điều khiển.

Các cánh lái hướng có thể được làm để dịch chuyển mỗi cái ngược chiềunhau bằng việc đẩy bàn đạp cánh lái hướng sang trái hoặc sang phải Nếu bànđạp cánh lái hướng bên phải bị đẩy thì cánh lái hướng bên phải chuyển độngxuống dưới và cánh lái hướng bên trái chuyển động lên trên Điều này làm sinh

ra mômen đẩy mũi máy bay hướng sang phải

Hình * Cánh lái hướng A có chức năng như một cánh lái độ cao,

B thì như một cánh lái hướng

2.4 Tấm lái phụ

Thậm chí một máy bay có sự ổn định vốn có thì nó cũng không luôn luôn

có xu hướng bay thẳng và đồng mức Khối lượng tải trọng và sự phối trí ảnhhưởng tới tính ổn định Vận tốc biến thiên cũng ảnh hưởng tới đặc tính bay của

nó Nếu nhiên liệu trên một thùng ở cánh được sử dụng trước nhiên liệu ở thùngcủa cánh kia, máy bay sẽ có xu hướng lăn tròn theo hướng của thùng đầy hơn.Tất cả các biến đổi này yêu cầu sự sử dụng áp suất không đổi lên sự điều khiển

để hiệu chỉnh Trong khi bay leo lên hoặc bay lượn điều cần thiết là tác dụng ápsuất lên bộ phận điều khiển nhằm giữ cho máy bay ở tư thế mong muốn

Để bù đắp các lực có xu hướng làm mất cân bằng máy bay trong khi bay,cánh lái liệng, cánh lái độ cao và cánh lái hướng được cung cấp với các bộ phận

điều khiển trợ giúp được biết như là tabs Chúng là các bề mặt điều khiển nhỏđược gắn bản lề với mép ra của các mặt điều khiển chính Tabs có thể dịchchuyển lên hoặc xuống bằng một cái tay quay hay được di chuyển bằng điện từbuồng lái Tabs này có thể được sử dụng để cân bằng các lực trên các bộ phậnđiều khiển sao cho máy bay bay thẳng và đồng mức hay có thể được đặt sao chomáy bay duy trì hoặc một tư thế bay leo hoặc bay lượn.

Hình * Các loại tab điều khiển bay

2.4.1 Các tấm lái phụ bình ổn

Trim tabs làm bình ổn máy bay trong khi bay Để bình ổn có nghĩa là hiệuchỉnh bất kỳ xu hướng nào của máy bay mà làm cho nó chuyển động tới một tưthế bay không mong muốn Trim tabs điều khiển sự cân bằng của máy bay saocho nó giữ đường bay thẳng và đồng mức mà không có áp suất tác dụng lên cần,bánh lái điều khiển hay bàn đạp cánh lái hướng Hình *A minh họa một trim tab.Chú ý rằng tab có một sự liên kết có thể thay đổi được được điều chỉnh từ buồng

lái Chuyển động của tab theo một hướng gây ra một sự lệch của mặt điều khiểntheo hướng ngược lại Hầu hết các trim tab đều được lắp đặt trên máy bay đượcvận hành bằng cơ khí từ buồng lái thông qua một hệ thống dây cáp riêng biệt.Tuy nhiên, một số máy bay có trim tab được vận hành bằng một cơ cấu chấphành hoạt động bằng điện Trim tab được điều khiển hoặc từ buồng lái hoặcđược hiệu chỉnh trên mặt đất trước khi cất cánh Trim tab được lắp đặt trên cánhlái độ cao, cánh lái hướng và cánh lái liệng.

2.4.2 Các tấm lái phụ trợ động

Các servo tab tương tự trong vận hành và có hình dạng giống với trim tabnhư đã đề cập ở trên Servo tab thỉnh thoảng còn gọi là flight tab được sử dụngchủ yếu trên các mặt điều khiển lớn chính Chúng giúp đỡ trong việc làm dịchchuyển bề mặt điều khiển và giữ cho nó ở một vị trí mong muốn Chỉ có servotab mới chuyển động phản ứng lại chuyển động điều khiển từ buồng lái (Cáiservo tab horn quay tự do xung quanh trục bản lề của mặt điều khiển chính) Lực

mà dòng khí tác dụng lên servo tab làm chuyển động mặt điều khiển chính Vớiviệc sử dụng một servo tab thì ta chỉ cần một lực nhỏ cũng có thể làm mặt điềukhiển chính hoạt động

2.4.3 Các tấm lái phụ cân bằng

Một blance tab được chỉ ra trên hình *C Bộ phận liên kết được thiết kếtheo cách mà khi mặt điều khiển chính chuyển động, thì tab chuyển động theohướng ngược lại Vì thế, các lực khí động tác dụng lên tab giúp phần làm chuyểnđộng bề mặt điều khiển chính

2.4.4 Spring tabs

Spring tab cũng có hình dạng tương tự như trim tab, nhưng có mục đíchhoàn toàn khác Chúng được sử dụng với cùng mục đích với các cơ cấu chấphành thủy lực, có nghĩa là nhằm làm cho mặt điều khiển chính chuyển động Córất nhiều sự lắp đặt lò xo được dùng trong liên kết các spring tab.

Trên một số máy bay, một spring tab được gắn bản lề với mép ra của mỗicánh lái liệng và được hoạt động bằng một cần kéo - đẩy lò xo có tải trọng cũngđược liên kết với bộ phận liên kết điều khiển cánh lái liệng Bộ phận liên kết nàyđược nối theo cách tương tự sao cho chuyển động của cánh lái liệng theo mộthướng làm cho spring tab bị lệch theo hướng ngược lại Điều này tạo ra trạngthái cân bằng vì thế làm giảm lực yêu cầu để điều khiển cánh lái liệng

Độ lệch của spring tab tỷ lệ thuận với tải trọng khí động áp đặt lên cánh láiliệng; vì thế khi tải trọng khí động là lớn tab có chức năng như là một sự trợ giúptrong việc làm chuyển động mặt điều khiển chính

Để làm giảm lực yêu cầu trong việc vận hành các mặt điều khiển chungsthường được cân bằng tĩnh và khí động Cân bằng khí động thường đạt đượcbằng cách mở rộng một phần mặt điều khiển về phía trước của trục bản lề

Hình * Ba dạng cân bằng khí động

Điều này tận dụng dòng khí quanh máy bay để giúp cho việc làm chuyểnđộng các mặt Phương pháp biến thiên để đạt được sự cân bằng khí động như chỉ

ra trên hình

Cân bằng tĩnh được hoàn thành bằng cách thêm khối lượng cho phần phíatrước của trục bản lề cho tới khi khối lượng của phần trước bằng với phần saucủa nó Khi sữa chữa mặt điều khiển thì một điều hết sức lưu ý là không đượclàm mật cân bằng tĩnh Một bề mặt mất cân bằng có xu hướng rung động khi códòng khí chuyển động qua nó

CHƯƠNG 3 LÝ THUYẾT VỀ TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH

3.1 Sự ổn định tĩnh của máy bay

Tổng hệ số momen các lực khí động tác dụng lên máy bay bằng

C mcg C mw C mt C mf (3-1)Các hệ số momen Cmw, Cmt, Cmf được tính từ trên

Nên ta có

C mcg C moC mw (3-2)Trong đó

L H f m ac cg w L m

d

d C

V C

c

x c

x C C

Giả thiết máy bay bị một cơn gío giật làm tăng góc tấn α đến điểm C Khi

đó máy bay 1 sẽ có momen âm có khuynh hướng quay máy bay về vị trí cânbằng ban đầu làm giảm góc tấn

Với máy bay 2, momen tác dụng lên máy bay dương và có khuynh hướnglàm tăng góc tấn và máy bay càng lệch xa khỏi vị trí cân bằng ban đầu

Vậy điều kiện để máy bay ổn định tĩnh là

dC dC d

dC C

L

L m m

dC

8)

(3-Khi bỏ qua ảnh hưởng của đưôi và thân máy bay thì

x C

w L

m  (3-9)

Do đó điều kiện ổn định dọc tĩnh của máy bay trong trường hợp này là xcg

< xac, tức là tâm khí động phải nằm sau trọng tâm của máy bay

x C C

C

Low macw

mow

3.2 SỰ ỔN ĐỊNH ĐỘNG CỦA MÁY BAY

3.2.1 Các phương trình chuyển động cơ bản

Xem máy bay là một vật rắn tuyệt đối thì phương trình chuyển động củamáy bay bao gồm phương trình chuyển động của khối tâm C, và phương trìnhbiến thiên mômen động lượng:

C e

  (3-12)Trong đó:

 F e là tổng vectơ ngoại lực tác dụng lên máy bay

 M e là tổng vectơ mômen ngoại lực đối với C.

 VC là vận tốc khối tâm C

 M là khối lượng máy bay

 H là vectơ mômen động của máy bay đối với C

Mômen quán tính đối với trục Ix Iy Iz