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

Lời mở đầu Việc phân tích chuyển động, ổn định và điều khiển của máy bay là một bài toán rất quan trọng trong quá trình thiết kế sơ bộ máy bay. Đồ án này đưa ra những kiến thức cơ bản về tính toán sự cân bằng, ổn định và chuyển động của máy bay, giúp cho việc đánh giá ban đầu về sự ổn định và chất lượng máy bay. Đồ án này gồm có các phần sau: - Chương 1 nêu ra các định nghĩa, thuật ngữ giúp ta có thể hiểu được một cách cơ bản kiến thức về ổn định và điều khiển máy bay. - Chương 2 ở chương thứ hai này chúng ta sẽ đi sâu vào chi tiết tức là đi phân loại các loại ổn định, các khả năng điều khiển quanh các trục mà một máy bay thông thường có thể có đồng thời cũng mô tả các bộ phận quan trọng góp phần điều khiển máy bay như là các cánh lái hướng, cánh lái độ cao, cánh lái liệng - Chương 3 khác với hai chương trước ở chương này chúng ta sẽ đi nghiên cứu 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 phần trên để tính toán sự ổn định của một máy bay cụ thể ở một chế độ bay xác định. 1 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 1.1Ổn định tĩnh Ổn định là thuộc tính của một trạng thái cân bằng - là trạng thái bay bình ổn đồng nhất tổng các lực và mômen đối với trọng tâm máy bay đều bằng 0. Ổn định tĩnh là xu hướng đầu tiên của máy bay trở về trạng thái cân bằng của nó sau khi bị kích động. 1.2 Ổn định động Trong nghiên cứu ổn định động chúng ta xem xét diễn biến thời gian của chuyển động của máy bay sau khi nó bị nhiễu tác động từ điểm cân bằng của nó. 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 định động 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 bay theo ý muốn của người phi công để đạt mục đích của chuyến bay. Về bản chất thì đây là qúa trình tác động vào cơ quan điều khiển nhằm thay đổi các lực và mômen 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 các thông 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 thời xuất 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 thông tin về mục tiêu, nhiệm vụ điều khiển và các thông tin tức thời xuất hiện trong 2 quá trình điều khiển, phải so sánh các sai lệch các thông số tức thời với thông số cần 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 các tín 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 3 c - dây cung trung bình x I - mômen quán tính đối với trục dọc của máy bay x y I - mômen quán tính đối với trục ngang của máy bay y z I - mômen quán tính đối với trục thẳng đứng của máy bay z xz I - mômen quán tính ly tâm đối với mặt phẳng của máy bay xz M - số Mach Q - áp suất động S - diện tích cánh 0 u - vận tốc tham chiếu của máy bay α - Góc tấn β - Góc trượt cạnh 4 L L C QS = y Y C QS = M L L C C M ∂ = ∂ 1 ( ) y y C C rad β β − ∂ = ∂ 1 ( ) e L L e C C rad δ δ − ∂ = ∂ l L C QSb = D D C QS = 1 ( ) r y y r C C rad δ δ − ∂ = ∂ 1 ( ) D D C C rad α α − ∂ = ∂ ( ) 1 0 ( ) / 2 p l l C C rad pb u − ∂ = ∂ 1 ( ) L L C C rad α α − ∂ = ∂ 1 ( ) l l C C rad β β − ∂ = ∂ 1 0 ( ) 2 L L C C rad u c α α − ∂ =   ∂  ÷   & & 1 0 ( ) ( /2 ) r l l C C rad rb u − ∂ = ∂ 1 ( ) a l l r C C rad δ δ − ∂ = ∂ 1 0 ( ) ( / 2 ) p n n C C rad pb u − ∂ = ∂ 1 ( ) r l l r C C rad δ δ − ∂ = ∂ 1 0 ( ) ( /2 ) r n n C C rad rb u − ∂ = ∂ n N C QSb = 1 0 ( ) ( / 2 ) m m C C rad c u α α − ∂ = ∂ & & 1 ( ) n n C C rad β β − ∂ = ∂ M m m C C M ∂ = ∂ M D D C C M ∂ = ∂ 1 0 ( ) ( / 2 ) q m m C C rad qc u − ∂ = ∂ 1 ( ) e D D e C C rad δ δ − ∂ = ∂ 1 ( ) a n n a C C rad δ δ − ∂ = ∂ m M C QSc = 1 ( ) r n n r C C rad δ δ − ∂ = ∂ 1 ( ) m m C C rad α α − ∂ = ∂ 5 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 máy bay tới mục tiêu mà máy bay cần bay tới. Trục Oy cùng với Ox, Oz tạo thành một tam diện thuận. • Hệ trục chuyển động tịnh tiến cùng với máy bay f f f Cx y z có gốc ở trọng tâm máy bay và các trục , , f f f Cx Cy Cz lần lượt song song với các trục cố định Ox, Oy, Oz . • Hệ trục gắn cố định với máy bay b b b Cx y z có gốc C là trọng tâm máy bay. Trục b Cx thường là trục dọc của máy bay hướng về phía mũi. Trục b Cz nằm trong mặt phẳng đối xứng của máy bay hướng xuống dưới vuông góc với trục b O . Trục b Oy vuông góc với , b b Ox Oz và với 2 trục này tạo thành một tam diện thuận. 6 • Hệ tọa độ không tốc a a a Cx y z có gốc ở khối tâm C, trục a x trùng với không tốc V- là vận tốc tương đối của khối tâm máy bay so với môi trường không khí chưa bị nhiễu động bởi chuyển động máy bay, khác với địa tốc V k là vận tốc tuyệt đối của khối tâm máy bay V k =V C (so với hệ tọa độ cố định Oxyz). Mặt phẳng a a Cx z vuông góc với mặt phẳng đối xứng của máy bay b b Cx z . Trục a Cz vuông góc với mặt phẳng a a Cx z và tạo với , a a Cx Cy một tam diện thuận. • Hệ tọa độ địa tốc hay là hệ tọa độ quỹ đạo k k k Cx y z có gốc ở khối tâm C, trục k Cx trùng với V k . Mặt phẳng k k Cx z vuông góc với mặt phẳng ngang f f Cx y , trục k Cy vuông góc với mặt k k Cx z và tạo thành một tam diện thuận. Chuyển động của máy bay có thể phân tích thành hai thành phần cơ bản: Chuyển động theo là chuyển động tịnh tiến của hệ trục f f f Cx y z so với hệ trục cố định Oxyz và chuyển động tương đối là chuyển động của hệ trục b b b Cx y z so với hệ trục f f f Cx y z . Chuyển động tương đối là chuyển động quanh khối tâm C. Vị trí hệ trục b b b Cx y z có thể biểu diễn bằng 3 phép quay liên tiếp nhau, các góc quay này gọi là góc quay Euler. Từ hệ trục f f f Cx y z ta thực hiện 3 phép quay sau: • Quay hệ trục f f f Cx y z quanh trục f Cz một góc hướng ψ đến trục 1 1 1 Cx y z . • Quay hệ trục 1 1 1 Cx y z quanh trục 1 Cy một góc chúc ngóc θ để đến hệ trục 2 2 2 Cx y z . • Quay hệ trục 2 2 2 Cx y z quanh 2 Cx một góc nghiêng hoặc góc xoắn φ để đến hệ trục 3 3 3 Cx y z . Hệ trục này chính là hệ trục b b b Cx y z . Các góc , , ψ θ φ gọi là các góc quay Euler: góc hướng ψ là góc giữa trục f Cx và hình chiếu của b Cx lên mặt phẳng nằm ngang, góc chúc ngóc θ là góc 7 giữa trục b Cx và mặt phẳng nằm ngang, góc nghiêng φ là góc giữa mặt phẳng đối xứng của máy bay b b Cx z với mặt phẳng thẳng đứng chứa b x . 8 4 Các trục của máy bay Khi máy bay thay đổi tư thế của nó trong khi bay thì nó phải xoay quanh một hoặc nhiều hơn một trong ba trục. Hình vẽ dưới đây chỉ ra ba trục, đây là các đường 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 mà máy 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 từ mũi tới đuôi gọi là trục dọc. Trục mở rộng theo bề ngang từ mút cánh này đến mút cánh kia là trục ngang. Còn trục đi qua tâm từ đỉnh tới đáy được gọi là trục thẳng đứng. Chuyển động quanh trục dọc giống như lắc lư một con tàu từ cạnh này sang cạnh kia. Trong thực tế, các tên được đặt cho việc miêu tả chuyển động quanh ba trục của máy bay xuất phát từ các thuật ngữ của ngành hàng hải. Chúng được chấp nhận làm thuật ngữ trong ngành hàng không bởi vì có sự tương tự về chuyển 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). 9 Cuối cùng, một máy bay chuyển động quanh trục thẳng đứng của nó được gọi là chuyển động hướng (yaw). Đây là chuyển động trong mặt phẳng nằm ngang của mũi máy bay. Chuyển động nghiêng, chúc ngóc, hướng các chuyển động của máy bay thực hiện quanh trục dọc, ngang, thẳng đứng của nó được điều khiển bởi ba mặt điều 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 hướng được 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 10 [...]... VỀ ỔN ĐỊNH VÀ ĐIỀU KHIỂN Một máy bay phải có độ ổn định để duy trì một đường bay đồng nhất và phục hồi từ các lực nhiễu tác động vào Vì thế để đạt tới hiệu quả tốt nhất máy bay 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 khiển là: (1) Ổn định, (2) Tính cơ động, (3) Tính điều khiển Tính ổn định là đặc tính của một máy bay. .. máy bay được thiết kế là ổn định tĩnh và một tốc độ mất ổn định nhanh, máy bay như thế sẽ rất khó để bay, nếu không muốn nói là không thể Thông thường, ổn định động tích cực được yêu cầu trong một thiết kế máy 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. .. có thể điều khiển được, có nghĩa là máy bay đáp ứng dễ dàng và nhanh chóng tới chuyển động của điều khiển Các bề mặt điều khiển khác nhau được sử dụng để điều khiển máy bay xung quanh ba trục của nó Sự dịch chuyển của các mặt điều khiển trên một máy bay thay đổi dòng khí trên bề mặt máy bay Điều này ngược lại, tạo ra sự 16 thay đổi trong sự cân bằng lực tác dụng nhằm giữ cho chuyến bay là thẳng và đồng... nó bay theo một đường thẳng và đồng mức Tính cơ động là khả năng của một máy bay chuyển trực tiếp sang một đường bay mong muốn và chịu đựng một ứng suất đặt vào Tính điều khiển là chất lượng đáp ứng của một máy bay đối với các lệnh điều khiển từ phi công trong khi cơ động máy bay 2.1 Ổn định tĩnh Một máy bay ở trạng thái cân bằng khi tổng tất cả các lực và mômen tác dụng lên nó bằng không Một máy bay. .. xuống và bổ nhào hay nâng mũi nó lên và chòng 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 ổn định Nếu máy bay thay đổi góc tấn, một sự thay đổi trong lực nâng thực hiện tại tâm khí động (tâm áp suất) của bộ ổn định. .. chuyển động theo thời gian Nếu một vật bị làm lệch ra khỏi vị trí cân bằng diễn biến thời gian của chuyển 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 Nếu biên 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. .. bay về vị trí cân bằng ban đầu làm giảm góc tấn 32 Với máy bay 2, momen tác dụng lên máy bay dương và có khuynh hướng làm 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 C mα = dC m 0, do đó đường thẳng Cmcg phải cắt... và máy bay tiếp tục ở trạng thái ổn định Một cơn gió mạnh hay một sai lệch điều khiển làm nhiễu loạn sự cân bằng, và máy bay có gia tốc vì sự mất thăng bằng của mômen hay lực Ba loại ổn định tĩnh được định nghĩa bởi đặc điểm của chuyển động kéo theo sự nhiễu loạn từ vị trí cân bằng Ổn định tĩnh tích cực tồn tại khi vật bị nhiễu loạn có xu hướng trở về vị trí cân bằng Ổn định tĩnh tiêu cực hay mất ổn. .. cánh lái độ cao kết hợp Khi cần điều khiển từ buồng lái chuyển 25 động bộ ổn định được dịch chuyển để làm nâng cao hoặc hạ thấp mép vào của cánh, 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... và một cái thân dài Số Mach lớn của máy bay trên âm làm giảm sự ảnh hưởng của đuôi đứng tới ổn định hướng Để sinh ra ổn định hướng yêu cầu ở số Mach lớn một đuôi đứng có diện tích rất lớn có thể rất cần thiết Cánh ở sườn cũng có thể 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 trục ngang của máy bay và chuyển . một chế độ bay xác định. 1 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 1. 1Ổn định tĩnh Ổn định là thuộc tính của một trạng. không ổn định động. Ổn định tĩnh vì thế không đảm bảo cho sự ổn định động. Tuy nhiên máy bay muốn ổn định động thì trước hết nó phải ổn định tĩnh. 1.3 Điều khiển máy bay Điều khiển máy bay là. luận nào về ổn định và điều khiển là: (1) Ổn định, (2) Tính cơ động, (3) Tính điều khiển. Tính ổn định là đặc tính của một máy bay có xu hướng làm cho nó bay theo một đường thẳng và đồng mức.