Nguyên tắc cơ bản khi ứng dụng máy bay phun thuốc trừ sâu:

CHƯƠNG 2 HƯỚNG TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

2.3. Nguyên tắc cơ bản khi ứng dụng máy bay phun thuốc trừ sâu:

Mục đích của phần này là để xác định một số vấn đề và đề xuất các phương tiện để giải quyết chúng. Mặc dù số lượng máy bay được cấp phép để phun trên không đã giảm gần đây, nơi các khu vực thống nhất lớn phải được điều trị nhanh chóng, ứng dụng máy bay thường được coi là tiết kiệm nhiên liệu hơn so với phun mặt đất. Máy bay được sử dụng để áp dụng vật liệu cả chất lỏng và rắn cũng như để phát sóng giống khi điều kiện đất đai ngăn cấm việc sử dụng các thiết bị mặt đất.

2.3.1. Tốc độ bay

Tốc đợ bay có thể thay đổi 100-160 mph nhưng là khoảng 120 mph cho cây bụi và cỏ dại phun. Chiều dài cần phun khơng nên có nhiều hơn ba phần tư chiều dài sải cánh vì các xốy ở đầu cánh hỗn loạn gây ra trôi. Máy bơm phun có các van và vòi đóng ngắt phải có valves kiểm tra để tránh phun liên tục hoặc rò rỉ. Vòi phun thủy lực là loại chiếm ưu thế sử dụng trên máy bay và nhiều loại và kích cỡ có sẵn. Khi sử dụng mợt loại thuốc trừ sâu đã được phê duyệt, mục tiêu là để phân phối các liều lượng chính xác cho mợt mục tiêu được xác định với tối thiểu lãng phí do trơi dạt sử dụng thiết bị phun thuốc thích hợp nhất. Phân phối phun chấp nhận được là tương đối dễ dàng để đạt được với hầu hết trên mặt đất với chỉ đạo phun, nhưng phun áp dụng với các máy bay cánh cố định thì trình bày vấn đề phức tạp hơn.

2.3.2. Kiểu bay trường

Với ṛng hình chữ nhật, các thủ tục thông thường là để bay trở lại và ra trên các lĩnh vực trong đường song song. Hướng bay nên song song với trục dài của lĩnh

vực này vì số lần lượt được giảm. Trường hợp chéo gió xảy ra, điều trị nên bắt đầu ở phía hướng gió để lưu ý các phi công bay qua vạt cắt trước đó, như thể hiện trong biểu đồ dưới đây.

Hình 2.2 Thiết kế quỹ đạo bay phun thuốc sâu với diện tích nhỏ.

Nếu khu vực này là quá gồ ghề và dốc, các đường bay nên theo dọc theo đường viền của các sườn dốc. Nơi các khu vực chỗ quá dốc cho cơng việc đồng mức (địa hình miền núi), làm cho tất cả các phương pháp điều trị xuống dốc. Tránh bay song song với mợt dịng suối, hồ lớn nếu có mợt xu hướng trơi dạt về phía dịng suối hoặc hồ.

2.3.3. Đánh dấu đường vạt phun

Những mảng có thể được đánh dấu bằng cờ đặt trên chiều cao của cây trồng để hướng dẫn thí điểm. Phương pháp này rất hữu ích nếu cánh đồng này được điều trị nhiều lần trong một mùa. Hai người cầm cờ hiệu có thể được sử dụng để hỗ trợ các thí điểm để xếp hàng trên lĩnh vực này. Khi thí điểm đã xếp hàng trên vạt cắt của mình, các nhân viên cho dấu hiệu bằng cờ gần bắt đầu đi đi lại lại off (hay đếm các hàng cây) đến vạt cắt tiếp theo. Người cầm cờ hiệu nên tránh bị phun trực tiếp vào và họ sẽ khơng bao giờ quay lưng lại về phía mợt máy bay đang tới.

Tiêu điểm tự động (thiết bị đánh dấu vạt cắt) đang được sử dụng phổ biến hiện nay. Các thiết bị này, gắn liền với chiếc máy bay và điều khiển bởi phi công, phát hành các bộ truyền trọng. Những bợ truyền cho các phi cơng có thể nhìn thấy mợt dấu hiệu để giúp đánh giá các vạt cắt tiếp theo. Con dấu thông thường trong các lĩnh vực cũng đang được sử dụng phổ biến.

Quỹ đạo bay

Vào cuối mỗi vạt cắt phi công nên ngừng phun thuốc và nên bay đủ xa ngoài lĩnh vực đến lượt của mình để cho phép điều chỉnh tốc độ cũng như hướng lái trước khi vào vạt cắt tiếp theo, như thể hiện trong sơ đồ sau đây:

Hình 2.3 Thiết kế quỹ đạo bay phun thuốc trừ sâu phù hợp với hướng gió

2.3.4. Xử lý hóa chất

Để giúp giữ cho máy bay phun an toàn, và tiếp xúc với nhân viên xử lý đến mức tối thiểu, nếu có thể ưu tiên phải được đưa ra để sử dụng các gói thuốc trừ sâu xử lý thơng qua hệ thống chuyển khép kín. Xử lý và tải sản phẩm hóa học chỉ được thực hiện bởi đợi ngũ nhân viên được đào tạo đầy đủ và được bảo vệ. Chỉ chất PPE được sử dụng. Chất hấp thụ để chứa tràn hóa chất phải có sẵn tại trang bị hóa học. Khoang chứa vật tư cần phải được giữ an toàn ở tất cả các lần phun và phải có mợt phần an tồn để lưu trữ sạch, thùng chứa hố chất trước khi thu thập để xử lý.

2.4. Phương án thiết kế

Phương án thiết kế máy bay cánh bằng UAV dựa trên tỉ lệ thân cánh của máy bay thật. Sau khi chọn được các tỉ lệ thân cánh phù hợp thì ta tiến hành thiết kế UAV bằng phần mềm solidworks.

CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ SƠ BỘ

3.1. Đặt vấn đề

Trong chương này em sẽ nghiên cứu tính tốn các thơng số cơ bản và đưa ra cấu hình thân, cánh, càng đáp cho máy bay. Kết quả cuối cùng là đưa ra bản vẽ thiết kế cho mợt UAV hồn chỉnh.

Cấu hình thiết kế sẽ được dựa trên mẫu máy bay phun thuốc trừ sâu thực tế, các thông số tham khảo để là chỉ số AR, góc vếch, tỉ lệ thân cánh…

Các bộ phận của máy bay (UAV) đảm bảo các yêu cầu sau:

Bảng 3.1. bảng các thông số các bộ phận của UAV

Sải cánh (m) 1-2

Chiều dài thân (m) 1-1,2

Tải trọng (kg) 1,5-2

Hoạt đợng trong cấp gió 0 - 4

Tầm cao(m) 150

Vận tốc (m/s) 30-50

3.1.1. Quy trình thiết kế

3.1.2. Các yêu cầu đặt ra cho máy bay

Loại máy bay và tầm bay

Mục tiêu thiết kế nhằm ứng dụng và phục vụ trong nông nghiệp như phun thuốc trừ sâu, phân bón hay các hóa chất trên diện tích rợng.

Thiết kế dạng máy bay UAV vì nó có tính ứng dụng cao, an tồn có thể thích nghi nhiều loại địa hình, dễ chế tạo và sản xuất hơn nữa ít xảy ra ảnh hưởng nghiêm trọng khi xảy ra sự cố, đặc biệt chi phí giá thành rẻ phù hợp với việc sử dụng trong nông nghiệp.

Máy bay được thiết kế dùng cho những nơng trại có diện tích vừa và rợng nên tầm bay khoảng R= 5km.

Tính năng kỹ thuật

- Có đặc tính khí động tốt.

- Có đặc tính STOL (Short Take Off Landing) tức là khoảng cất hạ cánh ngắn. - Tiêu thụ nhiên liệu ít.

- Vận tốc hạ cánh là thấp nhất.

- Trọng lượng kết cấu thấp nhưng độ bền kết cấu cao. - Đợ an tồn cao (gần như phải tuyệt đối).

- Đáp ứng được yêu cầu vận tốc, thời gian hoạt đợng, trần bay…

Tính kinh tế

Đây là u cầu rất quan trọng và cũng rất nhạy cảm, điều này liên quan tới tính khả thi của cơng việc thiết kế và sản xuất. Nền kinh tế của nước ta cịn cao, máy bay sử dụng trong nơng nghiệp. Vì vậy u cầu đạt ra là chi phí phải thấp nhất đến mức có thể.

Yêu cầu về giải pháp công nghệ

Phải tận dụng tất cả khả năng về cơng nghệ hiện có ở trong nước nhằm giảm chi phí trong sản xuất, thúc đẩy ngành cơng nghiệp khác phát triển…

Ngoài ra trong thiết kế phải chú ý tăng tính sản xuất hàng loạt nhằm giảm chi phí sản xuất.

3.1.3. Ước tính sơ bộ khối lượng máy bay

Khối lượng khi cất cánh của máy bay:

𝑊0 = 𝑤𝑝𝑎𝑦𝑙𝑜𝑎𝑑 + 𝑊𝑓 + 𝑊𝑒 (3.1)

Với: 𝑤𝑝𝑎𝑦𝑙𝑜𝑎𝑑 : Khối lượng phân bón và hóa chất. 𝑊𝑓 : Khối lượng nhiên liệu.

Ta có: 𝑊0 = 𝑤𝑝𝑎𝑦𝑙𝑜𝑎𝑑 + 𝑊𝑓 𝑊0 . 𝑊0 + 𝑊𝑒 𝑊0 . 𝑊0 (3.2) 𝑊0 = 𝑤𝑝𝑎𝑦𝑙𝑜𝑎𝑑 1− 𝑊𝑓 𝑊0− 𝑊𝑒 𝑊0 3.1.4. Xác định Wpayload

Xác định sẽ sử dụng phương pháp ULV phun thuốc.

Khối lượng phân bón, hóa chất trong 1 lần mang theo trung bình khoảng: 𝑤𝑝𝑎𝑦𝑙𝑜𝑎𝑑 = 1-2 kg.

3.1.5. Xác định We/W0

Ở đây ta dựa vào số liệu của những loại máy bay nhỏ cùng với tính năng đã và đang sử dụng trong thực tế trong khoảng thời gian gần đây để đưa ra số liệu thiết kế. Số liệu thống kê ở hình dưới đây cho thấy, đa số máy bay có khối lượng rỗng chiếm khoảng 60% khối lượng tồn bợ máy bay.

Chọn 𝑊𝑒

𝑊0 = 0.6

Hình 3.2 Mối quan hệ giữa W0 và We

3.1.6. Xác định Wf /W0

Ta biết rằng khối lượng nhiên liệu tiêu thụ phụ thuộc chủ yếu vào suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ và hiệu suất chong chóng cũng như tỉ lệ lực nâng trên lực cản. Phương trình Brequet:

R = ɳ𝑝

𝑐.𝐿

𝐷ln𝑊0

𝑊1

(3.3)

Với: R: Tầm bay xa (5 km).

ηp: Hiệu suất chong chóng.

Lượng nhiên liệu tiêu thụ chính là tởng khối lượng nhiên liệu tiêu thụ của máy bay qua các giai đoạn từ khi nó nở máy cho đến khi cất hạ cánh và tắt máy. Một chuyến bay được phân thành các giai đoạn sau:

Hình 3.3 Lịch trình bay đơn giản.

Tỉ số nhiên liệu sử dụng trong mỗi giai đoạn là : 𝑤𝑖

𝑤𝑖−1

Với 𝑤𝑖 khối lượng máy bay ở cuối giai đoạn i.

Tỉ số nhiên liệu sử dụng trong cả chuyến bay:

𝑀𝑓 = 𝑊5 𝑊𝑜 = 𝑊1 𝑊𝑜 𝑊2 𝑊1 𝑊3 𝑊2 𝑊4 𝑊3 𝑊5 𝑊4 (3.4)

Nếu sau chuyến bay mà nhiên liệu hết thì ta có: 𝑀𝑓 = 𝑊0 - 𝑊5 => 𝑊𝑓

𝑊𝑜 = 1 - 𝑊5

𝑊𝑜

Tuy nhiên sau chuyến bay thì lượng nhiên liệu trong bình vẫn cịn lại 1 lượng để dự trữ đề phịng các trường hợp khơng thể hạ cánh đúng nơi và đúng thời gian dự định, lượng dự trữ này tầm 5-10%.

𝑊𝑓

𝑊𝑜 = 1.1(1 - 𝑊5

𝑊0)

Theo các tài liệu chuẩn, ta có bảng số liệu về khối lượng nhiên liệu của máy bay loại nhẹ trước và sau mỗi hành trình như sau:

Bảng 3.2. Tỷ lệ khối lượng nhiên liệu đầu và cuối mỗi hành trình

Loại hành trình 𝑀𝑛+1

𝑀𝑛

Cất cánh 0.970

Bay lên 0.985

Trong đó:

𝑀𝑛+1

𝑀𝑛 là tỷ số khối lượng nhiên liệu giữa cuối và đầu mỗi hành trình

+ Giai đoạn 0-1: Cất cánh

Máy bay loại nhẹ nên lượng tiêu thụ nhiên liệu không nhiều cho việc cất cánh. Theo số liệu thống kê ta chọn: 𝑊1

𝑊𝑜 = 0.97

+ Giai đoạn 1-2: Bay lên

Dựa vào số liệu thống kê ta chọn: 𝑊2

𝑊1 = 0.985

+ Giai đoạn 2-3: Bay bằng

Giai đoạn này tiêu thụ nhiên liệu lớn nhất trong quá trình bay Sử dụng phương trình Brequet:

R = ɳ𝑝 𝑐.𝐿 𝐷ln𝑊2 𝑊3 Ta có: (𝐿 𝐷)𝑚𝑎𝑥 = (𝐶𝐿 𝐶𝐷)𝑚𝑎𝑥 = √4.𝑘.𝐶1 𝐷.0

Tham khảo 1 số máy bay loại nhẹ, ta chọn sơ bộ 𝐶𝐷0 = 0.017 ; k = 0.08

(𝐶𝐿 𝐶𝐷)𝑚𝑎𝑥 = √4.𝑘.𝐶1 𝐷.0 = √ 1 4∗0.017∗0.08 = 13.55 Do đó ta chọn (𝐶𝐿 𝐶𝐷)𝑚𝑎𝑥 = 13.5

Giá trị thông dụng của nhiên liệu sử dụng cho động cơ cánh quạt trên các loại máy bay siêu nhẹ hiện nay có:

C = 0.4 lb/HP/h = 0.4 𝑙𝑏

𝐻𝑃.ℎ550𝑓𝑡.𝑙𝑏/𝑠 1ℎ

3600𝑠 = 2.02*10−7 𝑙𝑏

𝑓𝑡.𝑙𝑏/𝑠

Chọn hiệu suất động cơ chong chóng là: ɳ𝑝 = 0.85. ln𝑊2 𝑊3 = 𝑐 : ɳ𝑝 𝑅 𝐿/𝐷 = 0.036 𝑊2 𝑊3 = 0.966

+ Giai đoạn 3-4: Bay xuống

Q trình hạ đợ cao xảy ra trong thời gian ngắn nên có thể xem lượng tiêu thụ nhiên liệu trong giai đoạn này là không đáng kể.

Dựa vào các số liệu thống kê ta chọn: 𝑊4

𝑊3 = 0.993

+ Giai đoạn 4-5 Hạ cánh

Giá trị trong hành trình này cũng được ước tính thống kê:

𝑊4

𝑊5 𝑊0 = 0.97*0.985*0.966*0.933*0.955 = 0.91 Do đó ta có: 𝑊𝑓 𝑊𝑜 = 1.1(1 - 𝑊5 𝑊0) = 1*1(2-0.91) = 0.098

Từ đó ta có khối lượng cất cánh của máy bay là:

𝑊0 = 𝑤𝑝𝑎𝑦𝑙𝑜𝑎𝑑 1− 𝑊𝑓 𝑊0− 𝑊𝑒 𝑊0 = 4 (kg) Trọng lượng rỗng của máy bay: 𝑊𝑒 = 3.2 (kg)

Khối lượng nhiên liệu:

𝑊𝑓 = 0.098*4 = 0.392 (kg)

Khối lượng riêng của nhiên liệu là 0.675 kg/l, ta có thể tích của nhiên liệu: 𝑉𝑓 = 0.392/0.675 = 0.580 lit

3.1.7. Tính tốn các thơng số của máy bay

Chọn Airfoil

Để chọn được profil thích hợp thì ta phải biết được các u cầu cần thiết đối với cánh chính. Đó là yêu cầu về đặc tính khí động phải tốt, yêu cầu về độ bền kết cấu để chịu được ngoại lực và các momen uốn và xoắn do các lực khí động sinh ra… và rất nhiều yêu cầu khác.

Yêu cầu về khí động học

Khi cất, hạ cánh:

Để máy bay cất cánh nhanh tức là quãng đường cất cánh phải ngắn hoặc vận tốc cất cánh phải nhỏ 𝑉𝑚𝑖𝑛

Trước tiên ta phải hiểu quá trình cất cánh là chia thành các giai đoạn như sau: Chạy đà – trong giai đoạn này máy bay luôn tiếp xúc với mặt đất, công suất của động cơ sinh ra là để thắng sức cản ma sát giữa mặt đất với bánh xe và lực cản khí đợng của tồn máy bay. Chính trong giai đoạn máy bay bắt đầu rời khỏi mặt đất ta có:

𝐿𝑤 = W

W là trọng lượng máy bay 𝐿𝑤 là lực nâng của cánh chính:

𝐿𝑤 = ρ.𝐶𝐿.S.𝑉2/2 (3.5)

Vậy ta có: V = √2.𝑊

ρ.𝐶𝐿𝑆

Trong đó W/S là ứng lực trên đơn vị cánh và có thể coi khơng đởi vì tỷ số này phụ thuộc vào kết cấu và độ bền cánh. Vậy muốn có 𝑉𝑚𝑖𝑛 thì C phải lớn hay 𝐶𝐿𝑚𝑎𝑥 cũng phải lớn

Khi bay bằng:

Công suất yêu cầu:

Pr = Dr.V/750 = (Dw + Dp).V/750 (3.6)

Trong đó:

Dr, Dw, Dp là lực cản toàn phần của máy bay, lực cản cánh và lực cản ký sinh do các bộ phận kết cấu khác của máy bay như: càng, đuôi, thân… đơn vị là N.

V là vận tốc máy bay m/s Công suất sử dụng:

Pa = ɳ.MH.⍵ (3.7)

Với: ɳ: là hiệu suất cánh quạt

MH là momen hãm của động cơ ứng với vận tốc bay tối đa. Ta có: Pa=Pr

Dr.V/750 = ɳ.MH.⍵

Trong đó: CD, CDp là hệ số lực cản cánh và hệ số lực cản ký sinh

Với mỗi loại máy bay CDp, S, ɳ, MH là khơng đởi.Vậy để có Vmax lớn thì CD phải nhỏ.

Khi bay trượt (Động cơ có sự cố hay lực kéo của động cơ T=0):

Lw/(Dt – T) = cotg β

Muốn có đợ an tồn thì máy bay đó phải có khả năng bay trượt hay góc bay trượt β nhỏ, tức cotg β lớn. vậy tỷ số 𝐶𝐿/𝐶𝐷 lớn.

Khi bay leo:

𝐶𝐿.S.ρ.𝑉2/2 = W.𝑐𝑜𝑠𝜃 với 𝜃 là góc leo Nên V = √2.𝑊

ρ.𝐶𝐿𝑆.√cos𝜃 Do √cos𝜃 là gần bằng 1 nên ta có : V.sin𝜃 = √ 𝑊2

𝐶𝐿.𝑆.𝜌.tg𝜃 V.sin𝜃 = 𝑉𝑧 là vận tốc leo

Mà 𝐶𝐷/𝐶𝐿 =f=tg𝜃 là hệ số chất lượng của máy bay

Nên: 𝑉𝑧 = √𝑊

𝑆.𝐶𝐷

𝐶𝐿. 4

√𝐶𝐿

Vậy để có vận tốc leo lớn thì aerofoil lựa chọn phải có tỷ số 𝐶𝐷2/𝐶𝐿3 lớn.

Phương pháp lựa chọn

Việc lựa chọn các airfoil cánh được thực hiện bằng cách sử dụng một chương trình tính toán 2D được gọi là Xfoil. Các Xfoil bao gồm một cơ sở dữ liệu rất rộng cho airfoil và các dữ liệu đặc tính Cl, Cd và Cm của airfoil có thể dễ dàng xác định.

Đợ tin cậy và tính chính xác của Xfoil đã được xác minh và được coi là chính xác. Vì vậy, việc sử dụng Xfoil tăng tốc quá trình lựa chọn airfoils là thích hợp cho

thiết kế UAV.

Qua nhiều nghiên cứu, và thống kê trên thế giới khi nghiên cứu về biên dạng cánh cho lực nâng lớn ở giải vận tốc thấp, có các dự án nghiên cứu về các dạng airfoil như: Selig 1223, Eppler 423, NACA 8414, Naca 4415, Spica và Wortmann FX 63- 137.

Hình 3.4: Đặc tính khí động.

Dựa vào đặc tính khí động và khả năng dễ chế tạo. Ta lựa chọn 3 airfoil chính để thực hiện nghiên cứu so sánh là: Eppler, Naca 4415, Naca 8814

Các thông tin của tương ứng airfoils lựa chọn được vẽ bằng cách sử dụng Xfoil và đồ thị được như hình dưới đây.

Hình 3.5 Cơ sở dữ liệu Airfoil.

Đặc tính khí động các aerofoil được thể hiện dưới đồ thị: