6. Thiết kế cabin
6.1.Ghế ngồi cho phi công
6.2. Ghế ngồi cho hành khách ... 48 6.3. Phương án bố trí chỗ ngồi trong cabin ... 50 6.4. Kích thước của cabin ... 51 7. Phác thảo cấu hình WIG ... 52
Chương III: Thiết kế sơ bộ THIẾT KẾ WIG 4 CHỖ NGỒI
Sinh viên: Phan Quốc Thiện – MS: 40802089 Trang 33
Chương III: THIẾT KẾ SƠ BỘ
Trong chương này chúng ta sẽ phác thảo một cách tổng quan cấu hình của WIG dựa trên ý tưởng thiết kế và so sánh thao khảo để lựa chọn phương án thiết kế tốt nhất phù hợp với điều kiện chế tạo và mục đích sử dụng của WIG.
1. Tham khảo thông số của các mẫu máy bay đã được thiết kế
Hình III.1. Một số mẫu máy bay tham khảo số liệu
Chương III: Thiết kế sơ bộ THIẾT KẾ WIG 4 CHỖ NGỒI
Sinh viên: Phan Quốc Thiện – MS: 40802089 Trang 34
2. Xác định khối lượng của WIG
Ta có khối lượng của tàu lúc cất cánh được tính theo công thức:
= + +
Với : Trọng lượng cất cánh : Tải trọng
: Trọng lượng nhiên liệu sử dụng : Trọng lượng rỗng
Với thiết kế này, WIG phải thỏa yêu cầu sức chứa 4 chỗ ngồi. Khối lượng trung bình một hành khách khoảng 70 kg và mỗi người có thể mang 5 kg hành lý. Do đó tải trọng tối đa sẽ được tính như sau:
= 4 × (70 + 5) = 300 = 661 Xét quá trình hoạt động của một máy bay như sau:
Hình III.2. Các giai đoạn hoạt động bay
Lượng nhiên liệu đã sử dụng trong cả quá trình hoạt động của máy bay:
= − = − . . . = 1 −
Trong đó: : Lượng nhiên liệu đã sử dụng : Lượng nhiên liệu cuối giai đoạn khởi động : Lượng nhiên liệu cuối giai đoạn chạy taxi : Lượng nhiên liệu cuối giai đoạn lấy cất cánh : Lượng nhiên liệu cuối giai đoạn lấy độ cao
: Lượng nhiên liệu cuối giai đoạn bay bằng : Lượng nhiên liệu cuối giai đoạn cất cánh : Lượng nhiên liệu cuối giai hạ cánh
Chương III: Thiết kế sơ bộ THIẾT KẾ WIG 4 CHỖ NGỒI
Sinh viên: Phan Quốc Thiện – MS: 40802089 Trang 35
Ta có:
= 0.992; = 0.99; = 0.996; = 1 Công thức Breguest:
= Hiệu suất đẩy: = 0.82
= 0.7 = 15 = 400 = 248 Tính ra ta được: = 0.958 = 1; = 0.99 Vậy: = 0.9326 = 1 − = 0.0674
Lượng nhiên liệu dự trữ ta lấy dư 25%
= 1.25 = 0.08425
Với A=0.1703 và B=1.0083, ta có:
= 0.923 − 661 = 10 = 10 . . (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Giải ra: = 2294.9 = 1040.95
Thay đổi với một số tỉ số lực / ta có các giá trị tương ứng theo bảng sau:
12 13 14 15 Khối lượng cất cánh (kg) 1080.4 1066.4 1055.0 1040.95 Khối 686.87 678.1 670.9 660.88
Chương III: Thiết kế sơ bộ THIẾT KẾ WIG 4 CHỖ NGỒI
Sinh viên: Phan Quốc Thiện – MS: 40802089 Trang 36
lượng rỗng (kg)
So sánh với các mẫu WIG đã được chế tạo:
Mẫu WIG Khối lượng
rỗng( ) (kg) Khối lượng cất cánh( ) (kg) log ( ) log ( ) Airfish-1 650 840 2.81 2.92 Airfish-2 620 860 2.79 2.97 XTW-I 720 950 2.85 3.06 X-114 1040 1600 3.01 3.17 Airfish-3 618 860 2.79 2.93 Sea-wing 02 1400 2000 3.14 3.3 Aphistar 1350 1900 3.13 3.27
Hình III.3. So sánh khối lượng ước tính với các mẫu đã chế tạo
Quan sát đồ thị ta thấy ước lượng khối lượng của WIG mà nhóm thiết kế xấp xỉ gần đường nội suy so với các mẫu đã được chế tạo. Do vậy khối lượng ước tính này là hợp lý và việc chế tạo WIG trong tầm khối lượng này là khả thi.
Kết luận: Trong khả năng kỹ thuật cho phép ta sẽ cố gắng chế tạo WIG có khối lượng đạt mức 1040 kg. Tuy nhiên để thỏa mãn các yêu cầu cao hơn ta sẽ tiến hành các tính toán sơ bộ với khối lượng ước tính là 1080 kg.
Chương III: Thiết kế sơ bộ THIẾT KẾ WIG 4 CHỖ NGỒI
Sinh viên: Phan Quốc Thiện – MS: 40802089 Trang 37
3. Xác định diện tích cánh và công suất động cơ 3.1. Yêu cầu về vận tốc bay bằng
Trong điều kiện bay bằng của WIG công suất được tính theo công thức: =1
2
Khi đó công suất này vào khoảng 50% công suất cực đại mà động cơ có thể cung cấp( có ước tính đến hiệu suất của chong chóng và động cơ).
Ta có mối liên hệ giữa các công suất này biểu diễn bằng chỉ số công suất(power index) . Mà theo Loftin ta có: = . Suy ra: = 0.125 ℎ ⁄ = 1.345 ℎ ⁄
Hình III.4. Quan hệ giữa W/S và W/P 3.2. Vận tốc stall
Vận tốc stall được tính theo công thức:
= 2 0 50 100 150 200 250 0 50 100 150 200 W/P W/S Cruise # Ip=0.5 Cruise # Ip=0.6 Cruise # Ip=0.4
Chương III: Thiết kế sơ bộ THIẾT KẾ WIG 4 CHỖ NGỒI
Sinh viên: Phan Quốc Thiện – MS: 40802089 Trang 38
Với : vận tốc stall
W : trọng lượng của máy bay : mật độ khối lượng không khí S : diện tích cánh
: hệ số lực nâng lớn nhất
Theo tiêu chuẩn FAR 23.51 của FAR(Federal Aviation Regulations) đối với thuyền bay một động cơ thì
- Lúc cất cánh: < 50kts = 92.52 km/h - Lúc hạ cánh: < 60kts = 111.02 km/h
Tham khảo theo Roskam, Part I, trang 91, ta có bảng giá trị sau (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình III.5. Giới hạn hệ số lực nâng cho một số loại máy bay
Dải giá trị chấp nhận được của WIG là : - = 1.6 − 2.2 ứng với lúc cất cánh - = 1.8 – 3.2 ứng với hạ cánh
Vậy ta có điều kiện sau:
- Lúc cất cánh ứng với = 92 /ℎ 66 < = 1 2 < 90 - Lúc hạ cánh = 111 /ℎ 106 < = 1 2 < 189
Chương III: Thiết kế sơ bộ THIẾT KẾ WIG 4 CHỖ NGỒI
Sinh viên: Phan Quốc Thiện – MS: 40802089 Trang 39
Suy ra
< 66 ⁄
Hình III.6. Ảnh hưởng của vận tốc stall đến khối lượng và công suất và diện tích cánh 3.3. Yêu cầu về quãng đường cất cánh
Theo yêu cầu của FAR 23 đối với các loại máy bay cánh quạt: =
= 4.9 + 0.009
Với : quảng đường cất cánh
Yêu cầu quảng đường cất cánh < 1500 ≈ 460
Khi đó ta tính được = 218.1 ⁄ ℎ = 484.3 ⁄ ℎ
Vậy ta có mối quan hệ như sau:
=484.3 ( ⁄ℎ ) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 10 20 30 40 50 60 70 W/P W/S Vùng giới hạn
Chương III: Thiết kế sơ bộ THIẾT KẾ WIG 4 CHỖ NGỒI
Sinh viên: Phan Quốc Thiện – MS: 40802089 Trang 40
Hình III.7. Ảnh hưởng của quãng đường đến khối lượng và công suất và diện tích cánh 3.4. Yêu cầu về quảng đường hạ cánh
Quảng đường hạ cánh = 0.265 Hình III.8. Quá trình hạ cánh Và = 1.938 = 0.5136 0 20 40 60 80 100 120 0 50 100 150 200 W/P W/S
Take off # Clmax=1.6 Take off # Clmax=1.8 Take off # Clmax=2 Take off #i Clmax=2.2
Chương III: Thiết kế sơ bộ THIẾT KẾ WIG 4 CHỖ NGỒI
Sinh viên: Phan Quốc Thiện – MS: 40802089 Trang 41
Qua tham khảo một số loại máy bay WIG trên thế giới ta chọn quảng đường hạ cánh là 300 m = 984 ft . Suy ra: = 0.5136= 984 0.5136 = 56.5 = 80.9 /ℎ = 1 2 Suy ra: = 21.03 C kg m⁄
Hình III.9. Ảnh hưởng của quãng đường hạ đến khối lượng và công suất và diện tích cánh 3.5. Ước tính diện tích cánh và công suất động cơ
Tổng hợp các yêu cầu trên ta có đồ thị biểu diễn như sau:
0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 10 20 30 40 50 W/P W/S Landing # Clmax=1.6 Landing # Clmax=1.8 Landing # Clmax=2
Chương III: Thiết kế sơ bộ THIẾT KẾ WIG 4 CHỖ NGỒI
Sinh viên: Phan Quốc Thiện – MS: 40802089 Trang 42
Hình III.10. Miền làm việc (tương ứng miền gạch caro) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Các phần gạch dạng # trong đồ thị chỉ khả năng mà thông số thiết kế có thể chọn mà thỏa mãn các yêu cầu về cất hạ cánh, bay bằng và không bị mất lực nâng (stall).
Điểm thiết kế được chọn ở đây là điểm màu đỏ trên đồ thị. Điểm thiết kế này tối ưu được công suất động cơ đồng thời diện tích cánh là nhỏ nhất.
Các giá trị ước lượng trên đồ thị là:
= 34 = 23
Khối lượng của WIG như đã ước tính ở trên là 1080 kg. Vậy ta có các giá trị ước lượng của công suất động cơ và diện tích cánh như sau:
= 49.1 ℎ = 30 Với diện tích cánh là 30 m2 ta có các khả năng sau:
Chương III: Thiết kế sơ bộ THIẾT KẾ WIG 4 CHỖ NGỒI
Sinh viên: Phan Quốc Thiện – MS: 40802089 Trang 43
Sải cánh b (m) Chiều dài cung cánh
c (m) Aspect ratio
15 2 7.5
10 3 3.3
7.5 4 1.9
6 5 1.2
Thiết kế của ta chọn chiều cao bay ở mức 0.5 m trên mực nước. Do đó ta chọn b = 10 m, c = 3 m để có aspect ratio cao và chiều dài cung cánh lớn để tăng hiệu ứng lực nâng.
3.6. Chọn biên dạng cánh cho WIG
Cánh cho WIG do bay ở độ cao thấp chịu ảnh hưởng của hiệu ứng mặt thoáng nên để giảm tối ưu tác động khí động không có lợi thì mặt dưới đáy biên dạng phải có độ bằng phẳng nhất định. Đồng thời biên dạng cánh phải có hệ số lực nâng lớn do vận tốc hoạt động của WIG được thiết kế ở mức trung bình.
So sánh lựa chọn nhiều biên dạng theo tiêu chí trên, nhóm chúng tôi quyết định chọn biên dạng cánh NACA 4412:
Hình III.11. Biên dạng cánh NACA 4412
Chọn góc đặt cánh khoảng 3o để lực nâng lớn. Với góc đặt cánh này WIG có thể thay đổi được góc tấn lớn khi nhảy qua vật cản mà không bị mất lực nâng do hiện tượng stall.
Chương III: Thiết kế sơ bộ THIẾT KẾ WIG 4 CHỖ NGỒI
Sinh viên: Phan Quốc Thiện – MS: 40802089 Trang 44
Chúng ta chưa có đủ các thông số của WIG do dó thiết kế của ta muốn đảm bảo độ ổn định ta dựa trên các thiết kế đã ra đời trước đó để có những ước tính thô cho quá trình tính toán và hiệu chỉnh sau này
Hình III.12. Mối quan hệ giữa chiều cao và khối lượng của một số chiêc WIG tham khảo
Với H là chiều cao của WIG, là khoảng cách từ điểm cao nhất đến điểm thấp nhất khi WIG được đặt nằm ngang trong tư thế bay bằng. Ta có hàm nội suy biểu diễn mối quan hệ giữa chiều dài thân và trọng lượng cất cánh của các mẫu thiết kế đã có:
log = −0.0934 + 0.1854 log Suy ra
≈ 3 Vậy chiều cao ước tính của WIG vào khoảng 3m.
5. Chiều dài của WIG
Tương tự ta cũng tham khảo các mẫu thiết kế trước với các số liệu thống kê cho ở đồ thị Hình III.12.
Chương III: Thiết kế sơ bộ THIẾT KẾ WIG 4 CHỖ NGỒI (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Sinh viên: Phan Quốc Thiện – MS: 40802089 Trang 45
Hình III.13. Mối quan hệ giữa chiều dài và khối lượng của một số chiêc WIG tham khảo
Gọi L là chiều dài của WIG. Ta có mối quan hệ suy ra từ các mẫu hiện có: log = 0.2187 + 0.2771 log
Suy ra
= 11.7 Vậy chiều dài ước tính của WIG là khoảng 12 m.
6. Thiết kế cabin
6.1. Ghế ngồi cho phi công
Các yêu cầu về ghế ngồi cho phi công:
- Dễ dàng điều khiển các thiết bị điều khiển một cách thoải mái - Dễ dàng quan sát bên ngoài cũng như các thiết bị thiết yếu
- Ngồi thỏa mái hạn chế tối đa cảm giác mệt mỏi và dễ dàng liên lạc Các kích thước của phi công:
Chương III: Thiết kế sơ bộ THIẾT KẾ WIG 4 CHỖ NGỒI
Sinh viên: Phan Quốc Thiện – MS: 40802089 Trang 46
Hình III.14. Kích thước của một phi công bao gồm trang phục và thiết bị trên người
Các kích thước trên được cho theo bảng sau:
Chương III: Thiết kế sơ bộ THIẾT KẾ WIG 4 CHỖ NGỒI
Sinh viên: Phan Quốc Thiện – MS: 40802089 Trang 47
Hình III.16. Các kích thước khi ngồi vào ghế điều khiển của phi công
Các kích thước cho trong bảng sau:
Hình III.17. Các giá trị kích thước ở vị trí ngồi của phi công
Ở đây ta quan tâm đến 3 kích thước chính A, B và M. Ta sẽ chọn kích thước ghế vào khoảng A = 41 in y 1 m, B = 30 in y 0.79 m, M = 34 in y 0.86 m.
Chương III: Thiết kế sơ bộ THIẾT KẾ WIG 4 CHỖ NGỒI
Sinh viên: Phan Quốc Thiện – MS: 40802089 Trang 48
Hình III.18. Đề xuất thiết kế chỗ ngồi cho mẫu homebuilt 6.2. Ghế ngồi cho hành khách
Yêu cầu ghế ngồi cho hành khách - Hạn chế được cảm giác mệt mỏi
- Có thể hoạt động tương đối thỏa mái ít bị ảnh hưởng bởi các hàng ghế trên
Hình III.19. Lỗi thiết kế mắc phải
Nguồn: http://www.popsci.com/node/34131
Chương III: Thiết kế sơ bộ THIẾT KẾ WIG 4 CHỖ NGỒI
Sinh viên: Phan Quốc Thiện – MS: 40802089 Trang 49
Hình III.20. Định nghĩa các kích thước ghế ngồi hành khách (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Các giá trị kích thước trên cho trong bảng sau
Hình III.21. Các giá trị kích thước ghế ngồi ở các hạng ghế trên máy bay dân sự
Chọn thiết kế ghế ngồi loại thường với các kích thước như sau:
Đơn vị a b l h k m n
in 17 40 2.25 42 17.75 8.5 24 28/40
15o/45o
Chương III: Thiết kế sơ bộ THIẾT KẾ WIG 4 CHỖ NGỒI
Sinh viên: Phan Quốc Thiện – MS: 40802089 Trang 50
Hình III.22. Thiết kế ghế ngồi cho WIG 6.3. Phương án bố trí chỗ ngồi trong cabin
Ta cân nhắc các phương án lựa chọn sau:
Hình III.23. Một số phương án bố trí chỗ ngồi trong cabin WIG 4 chỗ
Trong thiết kế này ta chọn phương án thứ 4 trong Hình III.21. Ưu điểm của phương án bố trí này chính là tạo được chỗ ngồi rộng rãi riêng cho phi công. Đồng thời ghế ngồi phía sau không
Chương III: Thiết kế sơ bộ THIẾT KẾ WIG 4 CHỖ NGỒI
Sinh viên: Phan Quốc Thiện – MS: 40802089 Trang 51
tách riêng ra nên ta có thể linh hoạt cho ba người ngồi hoặc một người nằm trong trường hợp sừ dụng WIG cho mục đích cứu hộ.
6.4. Kích thước của cabin
Tham khảo các mẫu thiết kế của một số máy bay có cùng số chỗ ngồi là 4:
Hình III.24. Kích thước cabin một số mẫu máy bay
Chương III: Thiết kế sơ bộ THIẾT KẾ WIG 4 CHỖ NGỒI
Sinh viên: Phan Quốc Thiện – MS: 40802089 Trang 52
Dựa trên các mẫu trên nhóm thiết kế đưa ra các kích thước sau:
Hình III.25. Kích thước cabin thiết kế
Nguồn: Airplane Design – Part III - Jane Roskam
Chương III: Thiết kế sơ bộ THIẾT KẾ WIG 4 CHỖ NGỒI
Chương III: Thiết kế sơ bộ THIẾT KẾ WIG 4 CHỖ NGỒI
Sinh viên: Phan Quốc Thiện – MS: 40802089 Trang 54
Tài liệu tham khảo
- http://www.se-technology.com/wig/index.php
- http://www.flickr.com/photos/
- WIG configuration development from component matrix – Bill Husa (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Wing in Ground Effect Craft Review – Michael Halloran and Sean O'Meara
- Wing in ground effect for recreation – James Hardy
- http://flysafe.raa.asn.au/groundschool/propeller.html
- http://footflyer.com/PPGBibleUpdates/Chapter23/PPG-Prop-Matching.html
Chương V: Ổn định và điều khiển THIẾT KẾ WIG 4 CHỖ NGỒI
Sinh viên: Phan Quốc Thiện – MS: 40802089 Trang 55
Chương IV: THIẾT KẾ CHI TIẾT ... 56
1. Lực khí động ... 57 1.1. Lực nâng khí động ... 57 1.1. Lực nâng khí động ... 57 1.2. Lực cản khí động ... 59 2. Lực thủy động ... 62 2.1. Lực đẩy Archimedes ... 62 2.2. Lực nâng thủy động ... 64 2.3. Lực cản thủy động ... 65 2.4. Lực cản ma sát nước ... 65 2.5. Lực cản sóng ... 66 3. Phân tích các tác động của lực và điều chỉnh công suất động cơ ... 67