5 TÍNH TOÁN KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỐI VỚI MÁY BAY CÓ XÉT
5.2 Tính toán khí động lực và cân bằng mômen ở chế độ bay bằng đối với máy bay VNT-
bằng đối với máy bay VNT-680
Mục tiêu của phần nghiên cứu này là đánh giá tầm quan trọng của cánh đuôi ngang khi thiết kế máy bay với sự cần thiết phải tính chính xác lực khí động trên cánh đuôi ngang. Nghiên cứu được giới hạn trong phạm vi của chế độ bay bằng ổn lập. Cấu hình khí động cánh chính và thân máy bay giữ nguyên, sự thay đổi chỉ xét đối với cánh đuôi ngang:
- Thay đổi vị trí trọng tâm máy bay (liên quan đến vị trí đặt các thiết bị giám sát, khảo sát) so với thiết kế, từ đó phải xác định góc đặt cánh đuôi ngang, xác lập trạng thái cân bằng mômen mới.
- Thay đổi diện tích và vị trí cánh đuôi ngang theo phương đứng (không thay đổi nhiều kích thước bao của máy bay), từ đó góc đặt cánh đuôi ngang và trạng thái cân bằng mômen mới của máy bay được xác lập.
Phần nghiên cứu ứng dụng này chỉ đưa ra khuyến nghị đối với người thiết kế máy bay (mà không phải là nghiên cứu để tính toán thiết kế chế tạo máy bay).
5.2.1 Tính toán khí động lực máy bay VNT-680
Các kích thướcchínhcủa máy bay VNT 680- được trình bày trên hình 5 ; .11 Khối lượng thiết kế bay bằng là 680 ; kg Kích thước của cánh chính và cánh đuôi ngang được cho trong bảng 5.2, và thân máy bay trong bảng 5 ; .3 Cánh đuôi đứng (Naca 0010) bố trí tại hai đầu mút cánh đuôi ngang Vận tốc của ; máy bay là 44,4 m/s.
Bảng 5.2. Hình học và kích thư c c a cánh chính và cánh đuôi ngang ớ ủ Đại lư ng ợ Kí hiệu Cánh chính Cánh đuôi ngang
Profile Naca 4412 0010
Sải cánh (m) b 15,4 3,3
Dây cung gốc (m) cr 1,0 0,57
Dây cung mút (m) ct 0,7 0,57
Dây cung trung bình (m) c 0,859 0,57
H s ệ ốdãn dài cánh Λ 17,6 5,0
Diện tích (m2) S 12,94 1,80
Bảng 5.3. Tọa đ c a thân ộ ủ máy bay VNT 680 (mm) -
x y (bụng) y (lưng) z x y (bụng) y (lưng) z
0 -158 -158 0 1.660 -318 318 335
130 -268 21 150 3.320 -318 318 335
280 -300 104 210 3.720 -2 34 285 286
Đường dòng qua máy bay ở hai góc tấn α = 0ovà α = 14o được trình bày trên
hình 5.12(a) và 5.12(b). Theo bảng 5.2, góc đặt cánh của cánh chính iw = 4o, nên với góc tấn của máy bay là α = 0o tương ứng với góc tới cánh chính 4o và với α = 14o
tương ứng với góc tới cánh chính 18o. Trong trường hợp α = 0o, đường dòng qua cánh và thân suôn không bị rối. Với trường hợp α = 14o, đường dòng không còn suôn nữa. Có tách thành mạnh trên lưng cánh, đặc biệt ở vùng giao nhau giữa cánh và thân, và tạo thành xoáy phía sau cánh. Góc đặt cánh chính iW = 4o được xác định theo giá trị tối ưu của hệ số chất lượng khí động (CL/CD) của cánh chính đơn. Kết quả số hệ số lực khí động trên cánh chính đơn của máy bayđược trình bày trên hình
5.13. Hệ số lực nâng của cánh chính đơn (hình .13(b)) đạt giá trị cực đại ở góc tới 5
αw = 18o và bắt đầu giảm với góc tới αw > 18o. Tuy nhiên, hệ số chất lượng khí động CL/CD đạt giá trị lớn nhất ở góc tới αw = 4o.
Hệ số lực nâng của cánh chính đơn theo góc tới αw trên hình 5.13(b) được so sánh với hệ số lực nâng của cánh chính thuộc máy bay (khi cánh chính là một thành phần của máy bay) phụ thuộc vào góc tấn α của máy bay như được trình bày trên
hình 5 . .14
Hình 5.12. Đường dòng. (a) α = 0o; (b) α = 14o
(a) (b)
Hình 5.13. Hệ ố ự s l c khí động của cánh chính đơn máy bay VNT-680. (a) Hệ ố áp s suất trên n a sải ử cánh; (b) Hệ ố ự s l c nâng; (c) H s l c cệ ố ự ản; (d) Tỷ ố s C L/CD
(a)
Hình 5.15. Hệ ố ự s l c khí đ ng của máy bay và các thành phộ ần khí đ ng. ộ (a) Hệ ố ự s l c nâng; (b) Hệ ố ự s l c cản
Khi cánh chính là một thành phần thuộc máy bay, hệ số lực nâng của nó nhỏ hơn so với hệ số lực nâng của cánh chính đơn. Góc tấn của máy bay càng lớn, sự chênh lệch giá trị của hai hệ số lực nâng này cánh lớn. Như đã phân tích ở mục 5.1, hiệu ứng giao
thoa cánh - thân tạo nên sự tách thành mạnh hơn nhiều so với trường hợp cánh đơn. Góc tấn càng lớn, tách thành càng mạnh kèm theo những vùng xoáy lớn. Hiện tượng tách thành này làm sụt giảm hệ số lực nâng tại các tiết diện gốc cánh gần thân máy bay.
Với cấu hình của máy bay VNT-680 ở đây, hiệu ứng tương tác cánh thân làm giảm đáng kể hệ số lực nâng tổng ở các góc tấn lớn (khoảng 15% với α= 20o).
Hình 5.15 là kết quả tính toán hệ số lực nâng và lực cản của máy bay và các
thành phần khí động của máy bay (cánh chính, cánh đuôi ngang, cánh đuôi đứng,
thân). Hệ số lực nâng tổng của máy bay có giá trị cực đại với góc tấn α=14o, và bắt đầu sụt giảm với α >14o. Giá trị hệ số lực nâng (hình .15(a)) và hệ số lực cản (hình 5 5.15(b)) của cánh chính lớn hơn nhiều so với các thành phần khí động còn lại như cánh đuôi và thân. Hệ số lực nâng của cánh đuôi đứng bằng không và hệ số lực cản của cánh đuôi đứng gần bằng không. Hệ số lực nâng của cánh đuôi ngang và thân có giá trị gần như nhau. Tuy nhiên, hệ số lực nâng của cánh đuôi ngang có giá trị âm ở khoảng góc tấn α -4= o 2÷ o. Tại góc tấn α = 0o, hệ số lực nâng của cánh đuôi ngang có giá trị âm CL(H) -= 0,015. Giá trị của hệ số lực nâng này trên cánh đuôi ngang là do ảnh hưởng dòng dạt xuống sau cánh chính tạo ra (bởi cánh đuôi ngang có biên dạng mặt cắt đối xứng và có góc đặt cánh là iH = 0o, nếu không có cánh chính ở phía trước, hệ số lực nâng trên cánh đuôi ngang sẽ bằng không).
Hệ số lực nâng của thân tăng nhẹ và có giá trị dương. Hệ số lực cản của cánh
đuôi ngang và thân có giá trị gần như tương đương nhau. Tuy nhiên, khi góc tấn lớn, lực cản của thân và cánh đuôi ngang cũng góp một phần đáng kể tới lực cản của toàn bộ máy bay. Việc thiết kế cánh đuôi đứng đặt tại hai mút cánh đuôi ngang đã làm giảm hiệu ứng mút cánh cho cánh đuôi ngang.
Sự phân tách và định lượng giá trị hệ số lực khí động của các thành phần cánh
chính, cánh đuôi và thân là cần thiết cho tính toán cân bằng và ổn định tĩnh dọc trong phần tiếp theo.
5.2.2 Tính toán cân bằng máy bay ở chế độ bay bằng
5.2.2.1 Thay đổi vị trí trọng tâm và phương án thay đổi góc đặt cánh đuôi ngang
Điều kiện tiên quyết để máy bay bay được là máy bay phải đảm bảo cân bằng lực
và mômen. Phương dọc chính là phương chuyển động của máy bay, liên quan đến lực khí động của cánh chính và cánh đuôi ngang cân bằng với trọng lực của máy
bay và mômen chúc ngóc. Trong quá trình bay, lực khí động có thể thay đổi theo vận tốc, theo góc tấn của máy bay, theo các chế độ điều khiển và tác động của môi trường; trọng lượng của máy bay cũng có thể bị thay đổi về giá trị và vị trí điểm đặt.
Trong phạm vi nghiên cứu của luận án xét đối với máy bay không người lái có chức năng quan sát và giám sát, trọng lượng của máy bay không đổi trong quá trình bay. Việc thao tác tự động các dụng cụ quan sát và khảo sát của máy bay được coi không làm thay đổi vị trí trọng tâm của máy bay.
Vị trí trọng tâm của máy bay liên quan đến cân bằng và ổn định tĩnh dọc của máy
bay. Thiết kế khí động ban đầu của máy bay VNT-680 có vị trí trọng tâm CG0 với góc đặt cánh đuôi ngang iH = 0o (lực khí động tính toán trong mục 5.2.1 tương ứng với vị trí này và khi đó trọng tâm các thiết bị khảo sát trùng với trọng tâm của máy bay).
Giả sử với phân bố khối lượng khi thiết kế tương ứng với các vị trí khác của trọng tâm của máy bay như CG1, CG2trên hình 5.16 (a), sẽ cần thiết có sự thay đổi về góc đặt cánh đuôi ngang để đảm bảo điều kiện cân bằng mới. Tính toán, phân tích và so sánh kết quả của hai trường hợp vị trí trọng tâm CG1, CG2với kết quả của trường hợp vị trí trọng tâm CG0 sẽ được trình bày ở phần sau.
Với máy bay cân bằng trong chế độ bay ổn lập, tổng hợp mômen chúc ngóc tính
đối với trọng tâm của máy bay phải bằng không. Mômen chúc ngóc của máy bay
được xác định theo phương trình (2.13). Các thông số cánh tay đòn tính mômencủa lực nâng và lực cản (mô tả trong bảng 2.3) đối với máy bay có giá trị cho trong bảng .4. Trong tính toán mô phỏng sử dụng phần mềm Fluent, lực nâng và lực cản 5
của máy bay và các thành phần khí động đã được tính toán. Với giá trị các cánh tay đòn trong bảng 5.4, mômen chúc ngóc được tính toán, nghĩa là mômen chúc ngóc
của máy bay (xác định theo phương trình (2.13)) và hệ số mômen chúc ngóc (xác
định theo phương trình (2.14)) đã được giải và trình bày trên đồ thị 5.17.
Bảng 5.4. Cánh tay đòn c a lự nâng và lực cản trên máy bay VNT-ủ c 680 Thành phần Cánh tay đòn lực nâng (mm) Cánh tay đòn lực cản (mm) Cánh chính lW C− G =0 hW C− G = 200 Thân lF C− G =300 hF C− G =0 Cánh đuôi ngang lH C− G =4.000 hH C− G = 200 Cánh đuôi đứng lV C− G =4.200 hV C− G =450
Kết quả hệ số mômen chúc ngóc trên hình 5.17 cho thấy hệ số mômen tổng của
máy bay Cmphụ thuộc chủ yếu vào hệ số mômen chúc ngóc của cánh đuôi ngang
Cm(H). Hệ số mômen chúc ngóc của cánh đuôi đứng gần như bằng không. Đồ thị hệ số mômen chúc ngóc của cánh chính và thân có xu hướng đi lên, vì vậy, cánh chính và thân đóng vai trò gây bất ổn định tĩnh dọc cho máy bay.
Lực nâng (và lực cản) của cánh đuôi ngang rất nhỏ (hình .15), nhưng cánh đuôi 5
ngang lại tạo mômen chúc ngóc có giá trị lớn do cánh tay đòn giữa tâm khí động cánh đuôi ngang và trọng tâm máy bay lớn (hình 5.16). Đồ thị hệ số mômen chúc
ngóc của cánh đuôi ngang đi xuống (hình 5.17) và chiếm thành phần chính trong
Hình 5.16. (a) Vị trí các trọng tâm CG0, CG1, CG2 của máy bay; (b) Các thành phần lực và mômen khí động cho tính toán cân bằng máy bay
(a)
(b)
Hình 5.17. H s ệ ố mômen chúc ngóc của máy bay và các thành phần khí động (cánh chính, cánh đuôi ngang, cánh đuôi đứng, thân)
Hình 5.18. (a) Vị trí tương quan gi a tr ng tâm máy bay và đi m trung hòa; ữ ọ ể (b) Hệ ố s mômen chúc ngóc i v i đi m trung hòa Nđố ớ ể P và trọng tâm CG
(theo k t quế ả mô ph ng ỏ máy bay VNT-680)
Cm
α Trọng tâm nằm tại
điểm trung hòa Trọng tâm nằm sau điểm trung hòa
Trọng tâm nằm trước điểm trung hòa
Tại góc tấn α = 0o, mômen chúc ngóc tổng của máy bay (tổng hợp các mômen
chúc ngóc của các thành phần) bằng không. Máy bay đảm bảo điều kiện cân bằng
mômen chúc ngóc khi bay bằng (α = 0o).
Đồ thị hệ số mômen chúc ngóc tổng của máy bay theo góc tấn có dạng đi xuống, nghĩa là đạo hàm hệ số mômen chúc ngóc của máy bay theo góc tấn có giá trị âm:
= m < m dC C 0 d α α (2.16)
Điều kiện (2.16) được thỏa mãn, máy bay đảm bảo ổn định tĩnh dọc (hình 5.18(b)).
Kết quả tính toán mô phỏng hệ số mômen chúc ngóc của máy bay theo góc tấn như trên hình 5.18(b) (hoặc hình 5.17) có hướng đi xuống tương ứng với trường hợp trọng tâm nằm trước điểm trung hòa. Khi vị trí trọng tâm bị dịch chuyển, đồ thị hệ số mômen chúc ngóc sẽ thay đổi (với ba dạng như trên hình 5.18(a)).
Nếu xác định được một vị trí trọng tâm mà hệ số mômen chúc ngóc theo góc tấn nằm ngang (Cmα=0), thì vị trí trọng tâm đó chính là điểm trung hòa. Xác định điểm trung hòa đối với máy bay là cần thiết vì nếu trọng tâm trùng với điểm trung hòa sẽ tương ứng với trạng thái cân bằng phiếm định (máy bay sẽ ổn định tĩnh dọc khi
trọng tâm ở bên trái điểm trung hòa và máy bay sẽ bất ổn định tĩnh dọc khi trọng tâm ở bên phải điểm trung hòa). Độ chênh khoảng cách giữa trọng tâm và điểm trung hòa của máy bay là lượng dự trữ ổn định tĩnhdọc của máy bay.
Từ kết quả mô phỏng đối với máy bay VNT-680, có thể xác định được vị trí trọng tâm tương ứng với hệ số mômen chúc ngóc không đổi theo góc tấn như đồ thị Cm-NP
trên hình 5.18(b). Vị trí trọng tâm này (là điểm trung hòa) cách vị trí trọng tâm cũ về
phía phải là 322 mm, nghĩa là xNP= 322 mm (gốc tọa độ tại trọng tâm cũ). Khoảng cách này xác định lượng dự trữ ổn định tĩnh dọc của máy bay với vị trí trọng tâm thiết kế. Theo công thức (2.17 lượng dự trữ ổn định tĩnh), dọc của máy bay bằng:
W 322 0 0,375 37,5% 322 0 0,375 37,5% 859 − − = NP CG = = = M x x S c
Giá trị lượng dự trữ ổn định tĩnh dọc này của máy bay VNT-680 tương ứng với
máy bay có tính ổn định tĩnh dọc cao nhưng tính cơ động thấp (đáp ứng với tín hiệu điều khiển chậm) [100, 101]. Điều này cũng phù hợp với chức năng quan sát, giám sát của máy bay không người lái.
*
Trở lại với vấn đề dịch chuyển trọng tâm sang vị trí CG1 , CG2như đề cập trên
hình 5.16(a). Khi trọng tâm thay đổi so với CG0, máy bay không còn cân bằng nữa nếu giữ nguyên cấu hình cũ (M ≠ 0). Giả thiết các kích thước thiết kế khí động của
máy bay VNT-680 không đổi, phần thay đổi khi thiết kế là góc đặt cánh đuôi ngang.
Theo kinh nghiệm tính toán mô phỏng, có thể chọn được góc đặt cánh đuôi ngang tương ứng với một vị trí trọng tâm mới đảm bảo điều kiện mômen chúc ngóc M = 0.
Việc lựa chọn này có thể phải qua nhiều lần thử nghiệm tính toán mô phỏng số để chọn được giá trị chính xác của góc đặt cánh đuôi ngang mới. Bằng phương pháp này đã xác định được giá trị góc đặt cánh đuôi ngang iH1 -2= o tương ứng với vị trí trọng tâm CG1 và iH2 = 2o tương ứng với vị trí trọng tâm CG2.
Bảng 5.5. Các kết quả khí động và cân bằng máy bay VNT-680 tại ba vị trí trọng tâm CG0 (iH2=0o), CG1 (iH2=-2o), CG2 (iH2=2o) (các khoảng cách tính so với mũi máy bay) Vị trí trọng tâm CG1 CG0 CG2
Góc đặt cánh đuôi ngang (độ) -2 0 2
Khoảng cách trọng tâm từ mũi máy bay (m) 2,162 2,306 2,448
Vị trí điểm trung hòa NP từ mũi máy bay (m) 2,623 2,628 2,624
Lượng dự trữ ổn định tĩnhdọc SM(%) 53,7% 37,5% 20,5%
Đạo hàm hệ số mômen (với α = 0o) Cmα -3,28 -2,26 -1,25
Lực nâng của máy bay (với α = 0o) (N) 6.422 6.654 6.918
Thay đổi lực nâng máy bay (%) -3,5% 0% 4,0%
Lực cản của máy bay (với α = 0o) (N) 315 319 317
Kết quả tính toán mô phỏng trên bảng .5 cho thấy, khi vị trí trọng tâm của máy 5
bay thay đổi, để đảm bảo cho máy bay cân bằng, cần thiết phải điều chỉnh góc đặt cánh đuôi ngang (với sự thay đổi trọng tâm của máy bay còn trong giai đoạn thiết kế thử nghiệm). Nếu sự thay đổi vị trí trọng tâm của máy bay xảy ra trong quá trình bay, để đảm bảo cho máy bay cân bằng, cần thiết phải điều chỉnh góc bẻ cánh lái độ cao.
Sự thay đổi vị trí trọng tâm kèm theo sự thay đổi góc đặt cánh đuôi ngang làm thay đổi đôi chút lực khí động của toàn máy bay (như trường hợp xét đối với vị trí trọng tâm CG1, hệ số lực nâng giảm -3,5%, và đối với vị trí trọng tâm CG2, hệ số lực nâng tăng 4%); hệ sô lực cản không có thay đổi đáng kể).
Tuy nhiên, về phương diện cân bằng, sự chuyển vị trí trong tâm từ CG0 sang hai
vị trí mới CG1 Cvà G2làm thay đổi khá lớn giá trị lượng dự trữ ổn định tĩnh dọc SM.