Máy bay cánh delta ổn định và điều khiển ở vận tốc thấp

Máy bay cánh delta ổn định và điều khiển ở vận tốc thấp

Báo cáo đồ án kĩ thuật Máy bay cánh delta LỜI CẢM ƠN Sau gần tháng nỗ lực thực hiện, đồ án thiết kế kĩ thuật nhóm hoàn thành đạt nhiều kết quả, cố gắng nhóm chúng em nhận nhiều ủng hộ giúp đỡ từ phía nhà trường, thầy cô bạn bè. Chúng em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trường ĐHBK Tp Hồ Chí Minh truyền đạt cho chúng em kiến thức quý báu. Đặc biệt chúng em xin bày tỏ long biết ơn sâu sắc đến Ts. Ngô Khánh Hiếu anh Nguyễn Trọng Thức tận tình hướng dẫn, giúp đỡ chúng em trình thực đồ án. Xin cảm ơn tấc bạn bè động viên giúp đỡ trình học tập hoàn thành đồ án. Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2011 Nhóm thực hiên Page Báo cáo đồ án kĩ thuật Máy bay cánh delta NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Page Báo cáo đồ án kĩ thuật Máy bay cánh delta ……………………………………………………… ……………………………………… NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Page Báo cáo đồ án kĩ thuật Máy bay cánh delta …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… ……………………………………………………… ……………………………………… MỤC LỤC Lời cảm ơn Nhận xét giáo viên hướng dẫn Nhận xét giáo viên phản biện I.Giới thiệu chung cánh delta II.Mô máy bay cánh delta 1.Tính toán mô hình 2.Thiết kế mô hình 3. Chế tạo mô hình 13 13 III.Ổn định điều khiển 1.Lý thuyết chung ổn định 2.Những chuyến bay mô hình thực tế 16 19 IV.Kết luận 1. Những ứng dụng mô hình 2.Những kiến thức thu trình làm mô hình Tài liệu tham khảo Page 19 20 Báo cáo đồ án kĩ thuật Máy bay cánh delta MÁY BAY CÁNH DELTA -ỔN ĐỊNH VÀ ĐIỀU KHIỂN Ở VẬN TỐC THẤP I. Giới thiệu chung cánh delta Năm 1961, công nghê chế tạo tên lửa phát triển mạnh bắt đầu đc áp dụng từ đề xuất kỹ sư quân Kazimierz Siemienowicz người Lithuania- Ba Lan. Điều khiến hệ thống đánh chặn máy bay trở nên mạnh mẽn đến đáng kể máy bay truyền thống đánh ưu chiến đấu. Những mấu thiết kế gọi mẫu không đuôi ngang cánh (tailless- delta), cánh có dạng hình tam giác nên sau đc gọi máy bay cánh delta. Alexander Lpippish Đức người tiên phong lĩnh vực với mẫu delta cánh cải tiến nó. Máy bay dạng đc cải thiện đáng kể tốc độ, khó xử lý tốc độ chậm; mặc khác loại hoạt động với góc quay lớn khó điều khiển. Từ đó, nhà kĩ thuật đưa nhiều biện pháp nhằm cải tiến mẫu máy bay dạng này. Gloster Javelin kỹ sư người Anh đưa mẫu có đuôi phẳng nhằm cải thiện tốc độ chậm tăng tính động tốc độ cao tăng tính ôn định máy bay. Các mẫu cải tiến sau cải tiến việc gắn thêm kết cấu cánh mũi canard phía trước cánh máy bay, hay thêm cánh ổn định đứng vào cánh thân máy bay. Tất cải tiến nhằm thay đổi luồng không khí qua cánh, nâng cao khả quay góc, cải thiệm xử lý tốc độ thấp làm giảm tốc độ hạ cánh. II. Mô hình máy bay 1. Tính toán mô hình a. Section cánh Mô hình máy bay delta thiết kế bay vận tốc thấp nên chuẩn airfoil chọn thử nghiệm chuẩn NACA 4412. Với chuẩn airfoil lực nâng lớn đồng thời lực cản tạo tương đối lớn. Với chuẩn NACA 4412 Page Báo cáo đồ án kĩ thuật Máy bay cánh delta Đường camberline airfoil chuẩn NACA số có dạng Bề dày airfoil có phương trình Đường upper lower có dạng với : Chuẩn NACA 4412 : +Bề dày lớn 12% chiều dài airfoil : t=0.12 +Max đường camber 4% chiều dài airfoil : m=0.04 +Vị trí mã camber 40% chiều dài airfoil : p=0.4 Page Báo cáo đồ án kĩ thuật Máy bay cánh delta Dựa vào công thức ta có đoạn code viết phần mềm Maple sau: > restart;with(plots): t:=0.12; m:=0.04; p:=0.4; c:=400; n:=15; yco:=x->piecewise(x>= and xc*p and x(t*c/0.2)*(0.2969*sqrt(x/c)-0.126*x/c0.3516*(x/c)^2+0.2843*(x/c)^3-0.1015*(x/c)^4): dt2:=plot(yo(x),x=0 c): x:=array(0 n):y:=array(0 n):yc:=array(0 n):theta:=array(1 n):xu:=arr ay(0 n):yu:=array(0 n):xl:=array(0 n):yl:=array(0 n): for i from to n x[i]:=evalf(c*(1-cos(Pi*i/n/2))): y[i]:=yo(x[i]); yc[i]:=yco(x[i]) end do: for i from to n theta[i]:=arctan((yc[i]-yc[i-1])/(x[i]-x[i-1])) end do: xu[0]:=0: xl[0]:=0: yu[0]:=0: yl[0]:=0: for i from to n xu[i]:=x[i]-y[i]*sin(theta[i]); xl[i]:=x[i]+y[i]*sin(theta[i]); yu[i]:=yc[i]+y[i]*cos(theta[i]); yl[i]:=yc[i]-y[i]*cos(theta[i]); end do: Page Báo cáo đồ án kĩ thuật Máy bay cánh delta dtu:=pointplot({seq([xu[i],yu[i]],i=0 n)},style=line,color=green): dtl:=pointplot({seq([xl[i],yl[i]],i=0 n)},style=line,color=blue): Warning, the name changecoords has been redefined t := 0.12 m := 0.04 p := 0.4 c := 400 n := 15 > display(dt1,dt2,dtu,dtl); > for i from to n-1 printf("%f,%f\n",xl[n-i],yl[n-i]) end do; for i from to n printf("%f,%f\n",xu[i],yu[i]) end do; Dựa vào số liệu thu ta đưa vào AutoCAD để vẽ hình dạng airfoil cần có tiết diện cánh khác nhau. b. Lực nâng lực cản Mô phần mềm Aerofoil 3.0 ta có hình ảnh vận tốc phân bố áp suất sau Page Báo cáo đồ án kĩ thuật Máy bay cánh delta Page Báo cáo đồ án kĩ thuật Máy bay cánh delta Page 10 Báo cáo đồ án kĩ thuật Máy bay cánh delta Ta có đồ thị hệ số lức nâng, lực cản cho airfoil NACA 4412 Page 11 Báo cáo đồ án kĩ thuật Máy bay cánh delta Cánh delta thiết kế cropped delta có dạng hình bên Diện tích cánh Hệ số co(aspect ratio): Chiều dài dây cung cánh trung bình là: Với hệ số vút nhọn (taper ratio) Góc sweep (1/4 chorld line) Góc sweep (haft chorld line) Hệ số Reynolds Vận tốc bay 15m/s chiều dài dây cung cánh trung bình 280mm, khối lượng riêng không khí 1,225kg/m3 ,hệ số nhớt động học không khí 1,46x10-5 ta tính hệ số Reynolds mô hình Page 12 Báo cáo đồ án kĩ thuật Máy bay cánh delta Ta thấy đường biểu diễn Cl ứng với hai hệ số Reynolds Re=3000000 Re=250000 gần có hệ số góc tương đương nhau. Vì ứng với hệ số Reynolds Re=350000 ta lấy hệ số góc cho đường Cl airfoil NACA 4412 với hệ số góc đường ứng với hệ số Reynolds Re=250000 Áp dụng công thức Helmbold cánh 3D dạng delta Chọn hệ số e=0,9 suy Vậy ta có Chọn góc Lực nâng cánh tạo bay với vận tốc 15m/s Với góc lực nâng cánh tạo Vậy để mô hình bay cánh delta hoạt động ổn định khối lượng mô hình phải không vượt 600g. Lực cản tác động lên mô hình Dựa vào đồ thị ta xác định giá trị hệ số lực cản cho cánh 2D ứng với góc Ta tính hệ số lực cản mô hình 3D theo công thức Tỉ lệ lực cản lực nâng Page 13 Báo cáo đồ án kĩ thuật Máy bay cánh delta Đuôi đứng Để làm cho moment quay nhỏ đuôi đứng phải nghiêng góc định. Đối với mô hình nhóm đưa góc nghiêng đuôi đứng khoảng 130 2. Thiết kê mô hình Mô hình dựng 3D công cụ AutoCAD Page 14 Báo cáo đồ án kĩ thuật Máy bay cánh delta Để cánh có biên dạng mong muốn, giải pháp mà nhóm đưa đặt mặt cắt có hình dạng airfoil vị trí chia dọc theo sải cánh. Để có dạng airfoil nhóm lấy số liệu vị trí điểm upper lower line từ file Maple lập trình copy vào AutoCAD vẽ airfoil lênh ” polyline”. Các mặt cắt có khoét rỗng để giảm khối lượng tạo rãnh để gép lại với tạo nên hình dạng máy bay. Tổng khối lượng mô hình phải nhỏ 600g Khối lượng servo: 2x10g=20g Khối lượng ESC 15g Khối lượng pin 105g (pin 3cell 1000Amh) Khối lượng động 70g Suy khối lượng mô hình nguyên khoảng 390g Sau dựng mô hình 3D dùng AutoCAD ta tính khối lượng mô hình khoảng 400g Bản vẽ chi tiết đính kèm(phụ lục) 3. Chế tạo mô hình Những vật liệu dùng để chế tạo mô hình ván ép, gỗ basa, xốp đề can Công cụ chế tạo mô hình: Page 15 Báo cáo đồ án kĩ thuật Máy bay cánh delta - Máy cắt laser - Máy khoan cầm tay - Dụng cụ cắt gọt tay -Keo dán sắt Quy trình chế tạo mô hình -Dùng máy cắt laser để cắt chi tiết mô hình ván ép gô basa -Lắp ráp chi tiết theo thiết kế cố định keo dán. -Phủ decan Page 16 Báo cáo đồ án kĩ thuật Máy bay cánh delta Khối lượng khung mô hình 100g Page 17 Báo cáo đồ án kĩ thuật Máy bay cánh delta Page 18 Báo cáo đồ án kĩ thuật III. Máy bay cánh delta Sau hoàn tấc tổng khôi lượng mô hình 540g Ổn định điều khiển 1.Cơ sở lý thuyết Để máy bay ổn đinh theo chiều dọc trọng tâm máy bay phải nằm trước điểm trung lập (neutral point). Đối với máy bay có đuôi theo phương nằm ngang đơn giản để có vị trí trọng tâm nằm trước điểm trung lập giới hạn tĩnh trọng tâm điểm trung lập Đối với cánh hình chữ nhật, điểm trung lập nằm khoảng ¼ dây cung cánh . Đối với cánh delta (cánh có sweep) giá trị tính với dây cung trung bình cánh. Page 19 Báo cáo đồ án kĩ thuật Máy bay cánh delta Hệ số vút nhọn (taper ratio) ta tính vị trí điểm trung hòa (vị trí tâm lực nâng) Vậy để cánh delta ổn định theo chiều dọc cánh trọng tâm phải đặt trước điểm xN có vị trí tính trên. Tuy nhiên tâm quay cánh trọng tâm nên trọng mâm xa điểm xN moment quay lớn máy bay đạt tới góc cân nhanh nên máy bay nhạy khó điều khiển. Vị trí trọng tâm chưa phải điều kiện đảm bảo cân máy bay. Không ổn định theo chiều dọc máy bay muốn cân phải đảm bảo điều kiên tổng moment quanh trọng tâm không Để điều chỉnh moment quanh trọng tâm ta tạo xoắn cho cánh. Tuy nhiên việc tạo xoắn cho cánh khó xác việc chế tạo mô hình chủ yếu tay. Do việc điều chỉnh moment chủ yếu dựa vào việc điều chỉnh đuôi đứng. Đuôi đứng thiết kế nghiêng góc 130 tính toán trên. Khi lực tác dụng lên có cánh tay đòn đến trọng tâm ngắn đồng nghĩa với việc giá hợp lực tác dụng lên đuôi đứng cắt trục dọc qua trọng tâm máy bay. Thay có eleron elevator, máy bay delta có phận điều khiển elevon. Elevon làm nhiệm vụ cuẩ ruder.Máy bay cánh delta có elevon, hai elevon nghiêng phía hay phía máy bay bay lên bay xuống theo chiều hướng ngược lai. Khi hai elevon nghiêng theo Page 20 Báo cáo đồ án kĩ thuật Máy bay cánh delta hai hướng ngược máy bay chuyển hướng phía elevon nghiêng phía trên. Cơ cấu điều khiển máy bay delta đơn giản để máy bay hoạt động cách êm xui việc điều khiển trở nên khó khăn. Phân tích động học Lực kéo động - Động dùng để tạo lực kéo động điện - Lực kéo động tạo quay với vận tốc 8000 vòng/phút sử dụng chong chóng loại ACP SlowFlyer Propeller 10”x4.7” có đồ thị phụ thuộc vận tốc hình Nhìn đồ thị ta thấy lực kéo lớn mà động tạo khoảng Page 21 Báo cáo đồ án kĩ thuật Máy bay cánh delta 10N .Máy bay giả sử bay vận tốc 15m/s lực kéo động khoảng 2,5N Với vận tốc bay 15m/s : Lực nâng cánh máy bay L=10,3N Lực cản cánh D=0,72N Trọng lưc G=5,4N Gia tốc tức thời theo phương ngang động hoạt động hết công suất Do lực cản nhỏ gia tốc lớn nên máy bay tăng tốc nhanh làm cho việc điều khiển máy bay trở nên khoa khăn. Lực nâng cánh lớn nên trọng tâm xa điểm trung hòa (tâm lực nâng) moment tạo lớn phải canh chỉnh vị trí trọng tâm 2. Những chuyến bay thử mô hình thực tê Xác định trọng tâm phóng thử mô hình: -Trọng tâm mô hình thay đổi cách thay đổi vị trí ESC pin -Canh chỉnh trọng tâm vị trí lý thuyết, phóng thử mô hình mô hình lướt không khí mặt phằng cánh song song vơi mặt đất. Điều chứng tỏ trọng tâm đặt vị trí hợp lý đảm bảo điều kiện cân máy bay. Qua nhiều lần bay thử, nhóm nhận thấy mô hình đelta có độ ổn định thấp khó điều khiển. IV. Kết luận 1. Ứng dụng máy bay cánh delta Mô hình delta mô hình bay nhạy độ ổn định không cao. Việc tìm trọng tâm toán khó chủ yếu dựa vào thực nghiệm. Vì máy bay cánh delta có độ nhạy cao nên thích hợp để dùng thử nghiệm khả đáp ứng mạch điều khiển bay tự động. Khi mạch hoạt động tốt may bay cánh delta hoạt động tốt may bay cánh bằng. Page 22 Báo cáo đồ án kĩ thuật Máy bay cánh delta 2. Kiến thức thu trình tính toán thiết kế mô hình - Tìm hiểu cách sử dụng máy cắt laser công cụ khác -Sử dụng phần mềm AutoCAD để thiết kế tính toán khố lượng mô hình máy bay -Hiểu rõ thêm số tính chất vật liệu dùng để chế tạo mô hình biết cách lựa chọn vật liệu phù hợp. -Canh chỉnh mô hình, sử dụng số thiết bị điều khiển máy bay mô hình Page 23 Báo cáo đồ án kĩ thuật Máy bay cánh delta TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]Flight Stability And Automatic Control___Robert C.Nelson [2]RC Model Aircraft Design___Andy Lennon [3]Aircraft Performance and design____Jonh D. Anderson [4] Bài giảng Ts. Ngô Khánh Hiếu [5]www.wikipedia.com/NACA/ Page 24 [...]... thuật Máy bay cánh delta 10N Máy bay giả sử đang bay ở vận tốc 15m/s thì lực kéo của động cơ là khoảng 2,5N Với vận tốc bay 15m/s : Lực nâng của cánh máy bay L=10,3N Lực cản của cánh là D=0,72N Trọng lưc G=5,4N Gia tốc tức thời theo phương ngang khi động cơ hoạt động hết công suất là Do lực cản khá nhỏ gia tốc lớn nên máy bay tăng tốc nhanh làm cho việc điều khiển máy bay trở nên khoa khăn Lực nâng cánh. .. này chứng tỏ trọng tâm được đặt ở vị trí hợp lý đảm bảo điều kiện cân bằng của máy bay Qua nhiều lần bay thử, nhóm nhận thấy mô hình đelta có độ ổn định rất thấp và khó điều khiển IV Kết luận 1 Ứng dụng của máy bay cánh delta Mô hình delta là một mô hình bay nhạy và độ ổn định không cao Việc tìm trọng tâm là bài toán khó và chủ yếu được dựa vào thực nghiệm Vì máy bay cánh delta có độ nhạy khá cao nên... bộ khung mô hình là 100g Page 17 Báo cáo đồ án kĩ thuật Máy bay cánh delta Page 18 Báo cáo đồ án kĩ thuật III Máy bay cánh delta Sau khi hoàn tấc tổng khôi lượng mô hình là 540g Ổn định và điều khiển 1.Cơ sở lý thuyết Để máy bay ổn đinh theo chiều dọc thì trọng tâm của máy bay nào cũng phải nằm trước điểm trung lập (neutral point) Đối với máy bay có đuôi theo phương nằm ngang thì rất đơn giản để có... của máy bay Thay vì có cả eleron và elevator, máy bay delta chỉ còn có bộ phận điều khiển là elevon Elevon làm luôn cả nhiệm vụ cuẩ ruder .Máy bay cánh delta có 2 elevon, khi cả hai elevon cùng nghiêng về phía trên hay phía dưới thì máy bay sẽ bay lên hoặc bay xuống theo chiều hướng ngược lai Khi hai elevon nghiêng theo Page 20 Báo cáo đồ án kĩ thuật Máy bay cánh delta hai hướng ngược nhau thì máy bay. .. xN có vị trí đã tính ở trên Tuy nhiên vì tâm quay của cánh cũng chính là trọng tâm nên nếu trọng mâm quá xa điểm xN thì moment quay sẽ rất lớn máy bay đạt tới góc cân bằng rất nhanh nên máy bay rất nhạy và rất khó điều khiển Vị trí của trọng tâm chưa phải là điều kiện đảm bảo sự cân bằng của máy bay Không chỉ ổn định theo chiều dọc máy bay muốn cân bằng còn phải đảm bảo điều kiên tổng moment quanh trọng... tâm và điểm trung lập Đối với một cánh hình chữ nhật, điểm trung lập nằm ở khoảng ¼ dây cung cánh Đối với cánh delta (cánh có sweep) giá trị này được tính với dây cung trung bình của cánh Page 19 Báo cáo đồ án kĩ thuật Máy bay cánh delta Hệ số vút nhọn (taper ratio) ta tính được vị trí của điểm trung hòa (vị trí tâm lực nâng) Vậy để cánh delta ổn định theo chiều dọc cánh thì trọng tâm phải đặt ở trước... kĩ thuật Máy bay cánh delta Ta có đồ thị hệ số lức nâng, lực cản cho airfoil NACA 4412 Page 11 Báo cáo đồ án kĩ thuật Máy bay cánh delta Cánh delta thiết kế là cropped delta có dạng như hình bên dưới Diện tích cánh Hệ số co(aspect ratio): Chiều dài dây cung cánh trung bình là: Với hệ số vút nhọn (taper ratio) Góc sweep (1/4 chorld line) Góc sweep (haft chorld line) Hệ số Reynolds Vận tốc bay là 15m/s... các mạch điều khiển bay tự động Khi mạch hoạt động tốt đối với các may bay cánh delta thì nó cũng sẽ hoạt động tốt đối với các may bay cánh bằng Page 22 Báo cáo đồ án kĩ thuật Máy bay cánh delta 2 Kiến thức thu được trong quá trình tính toán thiết kế mô hình - Tìm hiểu cách sử dụng máy cắt laser và các công cụ khác -Sử dụng phần mềm AutoCAD để thiết kế tính toán khố lượng một mô hình máy bay -Hiểu... gỗ basa, xốp và đề can Công cụ chế tạo mô hình: Page 15 Báo cáo đồ án kĩ thuật Máy bay cánh delta - Máy cắt laser - Máy khoan cầm tay - Dụng cụ cắt gọt bằng tay -Keo dán sắt Quy trình chế tạo mô hình -Dùng máy cắt laser để cắt các chi tiết của mô hình bằng ván ép và gô basa -Lắp ráp các chi tiết theo thiết kế và cố định bằng keo dán -Phủ decan Page 16 Báo cáo đồ án kĩ thuật Máy bay cánh delta Khối lượng... dụng công thức Helmbold đối với cánh 3D dạng delta Chọn hệ số e=0,9 suy ra Vậy ta có Chọn góc tấn Lực nâng cánh tạo ra khi bay với vận tốc 15m/s Với góc tấn lực nâng cánh tạo ra là Vậy để mô hình bay cánh delta hoạt động ổn định thì khối lượng của mô hình phải không vượt quá 600g Lực cản tác động lên mô hình Dựa vào đồ thị ta xác định được giá trị hệ số lực cản cho cánh 2D ứng với góc tấn là Ta tính . đồ án kĩ thuật Máy bay cánh delta MÁY BAY CÁNH DELTA - N ĐỊNH VÀ ĐIỀU KHIỂN Ở VẬN TỐC THẤP I. Giới thiệu chung về cánh delta Năm 1961, công nghê chế tạo tên lửa phát triển mạnh và bắt đầu đc. kĩ thuật Máy bay cánh delta Page 18 Báo cáo đồ án kĩ thuật Máy bay cánh delta Sau khi hoàn tấc tổng khôi lượng mô hình là 540g III. Ổn định và điều khiển 1.Cơ sở lý thuyết Để máy bay ổn đinh. cánh, nâng cao khả năng quay góc, cải thiệm xử lý ở tốc độ thấp và làm giảm tốc độ hạ cánh. II. Mô hình máy bay 1. Tính toán mô hình a. Section cánh Mô hình máy bay delta được thiết kế bay