5 TÍNH TỐN KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỐI VỚI MÁY BAY CÓ XÉT ĐẾN CÂN BẰNG MÔMEN Ở CHẾ ĐỘ BAY BẰNG
5.2.2 Tính tốn 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
đi ngang
Điều kiện tiên quyết để máy bay bay được là máy bay phải đảm bảo cân bằng lực và mơmen. Phương dọc chính là phương chuyển động của máy bay, liên quan đến lực khí động của cánh chính và cánh đi ngang cân bằng với trọng lực của máy bay và mơmen chúc ngóc. Trong q 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.
109
Trong phạm vi nghiên cứu của luận án xét đối với máy bay khơng người lái có chức năng quan sát và giám sát, trọng lượng của máy bay khơng đổi trong q 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 đi ngang iH = 0o (lực khí động tính tốn 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, CG2 trên hình 5.16 (a), sẽ cần thiết có sự thay đổi về góc đặt cánh đi ngang để đảm bảo điều kiện cân bằng mới. Tính tốn, phân tích và so sánh kết quả của hai trường hợp vị trí trọng tâm CG1, CG2 với 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 mơmen chúc ngóc tính đối với trọng tâm của máy bay phải bằng khơng. Mơmen chúc ngóc của máy bay được xác định theo phương trình (2.13). Các thơng số cánh tay địn tính mơmen của lực nâng và lực cản (mô tả trong bảng 2.3) đối với máy bay có giá trị cho trong bảng 5.4. Trong tính tốn mơ phỏng sử dụng phần mềm Fluent, lực nâng và lực cản của máy bay và các thành phần khí động đã được tính tốn. Với giá trị các cánh tay địn trong bảng 5.4, mơmen chúc ngóc được tính tốn, nghĩa là mơmen chúc ngóc của máy bay (xác định theo phương trình (2.13)) và hệ số mơmen 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 của lực nâng và lực cản trên máy bay VNT-680
Thành phần Cánh tay đòn lực nâng (mm) Cánh tay địn lực cản (mm) Cánh chính 0 G W C l 200 G W C h Thân lF C G 300 hF C G 0 Cánh đuôi ngang lH C G 4.000 hH C G 200 Cánh đuôi đứng 4.200 G V C l 450 G V C h
Kết quả hệ số mơmen chúc ngóc trên hình 5.17 cho thấy hệ số mơmen tổng của máy bay Cm phụ thuộc chủ yếu vào hệ số mơmen chúc ngóc của cánh đi ngang Cm(H). Hệ số mơmen chúc ngóc của cánh đi đứng gần như bằng không. Đồ thị hệ số mơmen chúc ngóc của cánh chính và thân có xu hướng đi lên, vì vậy, cánh chính và thân đóng vai trị gây bất ổn định tĩnh dọc cho máy bay.
Lực nâng (và lực cản) của cánh đi ngang rất nhỏ (hình 5.15), nhưng cánh đi ngang lại tạo mơmen chúc ngóc có giá trị lớn do cánh tay địn giữa tâm khí động cánh đi ngang và trọng tâm máy bay lớn (hình 5.16). Đồ thị hệ số mơmen chúc ngóc của cánh đi ngang đi xuống (hình 5.17) và chiếm thành phần chính trong mơmen chúc ngóc tổng hợp của máy bay.
110
Hình 5.16. (a) Vị trí các trọng tâm CG0, CG1, CG2 của máy bay; (b) Các thành phần lực và mơmen khí động cho tính tốn cân bằng máy bay
(a)
(b)
Hình 5.17. Hệ số mơmen chúc ngóc của máy bay và các thành phần khí động (cánh chính, cánh đi ngang, cánh đi đứng, thân)
Hình 5.18. (a) Vị trí tương quan giữa trọng tâm máy bay và điểm trung hòa; (b) Hệ số mơmen chúc ngóc đối với điểm trung hịa NP và trọng tâm CG
(theo kết quả mô phỏng máy bay VNT-680)
Cm
Trọng tâm nằm tại điểm trung hòa Trọng tâm nằm sau điểm trung hòa
Trọng tâm nằm trước điểm trung hòa
(a) (b)
111
Tại góc tấn α = 0o, mơmen chúc ngóc tổng của máy bay (tổng hợp các mơmen chúc ngóc của các thành phần) bằng khơng. Máy bay đảm bảo điều kiện cân bằng mơmen chúc ngóc khi bay bằng (α = 0o).
Đồ thị hệ số mơmen chúc ngóc tổng của máy bay theo góc tấn có dạng đi xuống, nghĩa là đạo hàm hệ số mơmen chúc ngóc của máy bay theo góc tấn có giá trị âm:
m m dC C 0 d (2.16)
Điều kiện (2.16) được thỏa mãn, máy bay đảm bảo ổn định tĩnh dọc (hình 5.18(b)). Kết quả tính tốn mơ phỏng hệ số mơmen 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 hịa. Khi vị trí trọng tâm bị dịch chuyển, đồ thị hệ số mơmen 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 mơmen 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 hịa 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 tĩnh dọc 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 mơmen chúc ngóc khơng đổi theo góc tấn như đồ thị Cm-NP trên hình 5.18(b). Vị trí trọng tâm này (là điểm trung hịa) 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 0 322 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 , CG2 như đề cập trên hình 5.16(a). Khi trọng tâm thay đổi so với CG0, máy bay khơng cịn 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 đi ngang. Theo kinh nghiệm tính tốn mơ phỏng, có thể chọn được góc đặt cánh đi ngang tương ứng với một vị trí trọng tâm mới đảm bảo điều kiện mơmen chúc ngóc M = 0. Việc lựa chọn này có thể phải qua nhiều lần thử nghiệm tính tốn mơ phỏng số để chọn được giá trị chính xác của góc đặt cánh đi ngang mới. Bằng phương pháp
này đã xác định được giá trị góc đặt cánh đi ngang iH1 = -2o tương ứng với vị trí
trọng tâm CG1 và iH2 = 2o tương ứng với vị trí trọng tâm CG2.
112
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 hịa NP từ mũi máy bay (m) 2,623 2,628 2,624
Lượng dự trữ ổn định tĩnh dọc SM (%) 53,7% 37,5% 20,5%
Đạo hàm hệ số mômen (với α = 0o) Cm -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 tốn mơ phỏng trên bảng 5.5 cho thấy, khi vị trí trọng tâm của máy bay thay đổi, để đảm bảo cho máy bay cân bằng, cần thiết phải điều chỉnh góc đặt cánh đi 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 đi ngang làm thay đổi đơi chút lực khí động của tồn 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 sơ lực cản khơng 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 và CG2 làm thay đổi khá lớn giá trị lượng dự trữ ổn định tĩnh dọc SM. Với trường hợp góc đặt cánh đi ngang iH1 = -2o, SM (-2o) = 53,7% có giá trị quá lớn tương ứng với phản ứng quá chậm với điều khiển (tính cơ động quá thấp). Với
trường hợp góc đặt cánh đi ngang iH2 = 2o, lượng dự trữ ổn định tĩnh dọc SM (2o)
= 20,5% nằm trong khoảng khuyến nghị của loại máy bay dân dụng thông thường. Ưu điểm và hạn chế của ba trường hợp máy bay (bảng 5.5) được phân tích như sau:
- Máy bay có vị trí trọng tâm CG1, góc đặt cánh đi ngang iH1 = -2o có SM quá
lớn và đạo hàm của đồ thị hệ số mơmen chúc ngóc có giá trị tuyệt đối quá lớn, máy bay rất ổn định tĩnh dọc nhưng đáp ứng với điều khiển quá chậm.
- Máy bay có vị trí trọng tâm CG2, góc đặt cánh đi ngang iH2 = 2o có SM nằm
trong khoảng khuyến nghị và giá trị tuyệt đối của đạo hàm mơmen chúc ngóc phù hợp với một máy bay dân dụng.
- Máy bay có vị trí trọng tâm CG0, góc đặt cánh đi ngang iH0 = 0o có SM hơi
lớn tương ứng với tính cơ động hơi thấp nhưng máy bay ổn định tĩnh dọc tốt. Trong ba máy bay xét ở trên, nếu chỉ nhìn vào số liệu tính toán cân bằng và ổn định tĩnh dọc như trong bảng 5.5, người ta có thể nhận xét phương án tối ưu trong thiết kế là máy bay có góc đặt cánh iH = 2o. Tuy nhiên, đó là phương án tốt nhất trong bay bằng. Nếu xét đến điều kiện cất cánh của máy bay trên đường băng, với góc đặt cánh đi ngang dương, khi máy bay bắt đầu rời khỏi đường băng, mũi máy bay có xu hướng chúc xuống làm cho máy bay khó rời mặt đất. Với góc đặt cánh
113
đi ngang có giá trị âm (hoặc bằng khơng), thì mũi máy bay có xu hướng ngóc lên (hoặc khơng chúc xuống) sẽ hiệu quả hơn cho máy bay rời khỏi đường băng. Vì
vậy, phương án máy bay có góc đặt cánh đi ngang cánh iH0 = 0o sẽ dung hòa được
ưu điểm trong bay bằng cũng như điều kiện cất cánh tốt hơn.
Với máy bay cất cánh bằng bệ phóng cũng có hiện tượng tương tự, khi thiết kế góc đặt cánh đi ngang có giá trị dương, mũi máy bay sẽ có xu hướng chúc xuống khi rời khỏi bệ phóng. Vì vậy, để tạo điều kiện thuận lợi cho cất cánh, nên thiết kế góc đặt cánh đi ngang có giá trị âm [102].
5.2.2.2 Sự thay đổi vị trí theo phương đứng, diện tích cánh đi ngang và
phương án thay đổi góc đặt cánh đi ngang
Hình 5.19 biểu diễn sự thay đổi vị trí của cánh đi ngang theo phương đứng. Với trường hợp (A), cánh chính và cánh đi ngang được bố trí ngang nhau trên đường nối hai tâm khí động của hai cánh, đây là trường hợp thiết kế đã trình bày trong mục 5.2.2.1. Hai trường hợp (B) và (C) bố trí cánh đuôi ngang thấp hơn và cao hơn đều với khoảng cách 0,75m.
Kết quả hệ số lưc nâng cánh đuôi ngang của ba trường hợp (A), (B), (C) được trình bày trên hình 5.20(a) và hệ số mơmen chúc ngóc của máy bay trong ba trường hợp được trình bày trên hình 5.20(b). Mơmen chúc ngóc của máy bay VNT-680
khơng đạt giá trị bằng khơng tại góc tấn α = 0o đối với trường hợp cánh đuôi ngang
thấp (B) và cánh đi ngang cao (C).
Theo hình 3.11 và hình 5.20(a), cánh đi ngang đặt phía trên (z > 0) có chịu ảnh hưởng góc dịng dạt xuống có giá trị tuyệt đối lớn hơn so với đặt phía dưới (z < 0). Trong thực tế, thường chọn phương án đặt cánh đi ngang đặt cao hơn cánh chính, nhưng nếu đặt quá cao sẽ không đảm bảo độ cứng vững của kết cấu. Việc chọn phương án đặt cánh đi ngang thấp hơn cánh chính, thường chỉ thấp hơn rất ít (gá vào phần dưới của thân). Bởi vì nếu đặt cánh đuôi ngang quá thấp, sẽ cần thiết phải thiết kế càng có độ cao lớn nhằm tránh khả năng đuôi ngang quẹt xuống mặt đất khi cất và hạ cánh.
Bảng 5.6. Lượng dự trữ ổn định tĩnh dọc của máy bay với ba trường hợp vị trí ngang, thấp, cao của cánh đuôi ngang (tương ứng với sự thay đổi góc đặt cánh đi ngang)
Vị trí cánh đi ngang (A)
Ngang (B) Thấp (C) Cao Góc đặt cánh đi ngang (độ) 0 -0,3 0,3
Khoảng cách trọng tâm từ mũi máy bay (m) 2,306 2,306 2,306
Vị trí điểm trung hịa NP từ mũi máy bay (m) 2,628 2,630 2.630
Lượng dự trữ ổn định tĩnh dọc, SM (%) 37,5% 37,7% 37,7%
Để máy bay cân bằng mômen đối với trọng tâm thiết kế (Cm = 0 đối với trọng
tâm CG0 khi α = 0o), nếu cánh đi ngang ở vị trí thấp, cần giảm góc đặt cánh đi
114
ngang (so với trường hợp thiết kế iH = 0o) để giảm hệ số lực nâng CL(H), tăng hệ số mơmen chúc ngóc (đường hệ số mơmen chúc ngóc theo góc tấn dịch chuyển sang bên phải). Ngược lại, nếu cánh đuôi ngang ở vị trí cao, cần tăng góc đặt cánh đi ngang (so với trường hợp thiết kế iH = 0o) để tăng hệ số lực nâng CL(H), giảm hệ số mơmen chúc ngóc (đường hệ số mơmen chúc ngóc theo góc tấn dịch chuyển sang bên trái). Giá trị của góc cánh đi ngang cần phải thay đổi đối với các trường hợp (B) và (C) được trình bày trong bảng 5.6.
Với cấu hình máy bay (cánh chính, thân, cánh đi) đã tính tốn thiết kế, sự thay đổi vị trí cánh đi ngang theo phương đứng (phương án (B) và (C)) tương ứng với sự thay đổi góc đặt cánh -0,3o và 0,3o khi giữ nguyên vị trí trọng tâm thiết kế.
Hình 5.20. (a) Hệ số lực nâng cánh đi ngang; (b) Hệ số mơmen chúc ngóc của máy bay phụ thuộc vào vị trí khác nhau theo phương đứng của cánh đi ngang
Hình 5.19. Vị trí cánh đi ngang theo phương đứng. (a) Trường hợp thiết kế (ngang nhau); (b) Cánh đuôi ngang thấp hơn; (c) Cánh đuôi ngang cao hơn
115
Máy bay VNT-680 thiết kế có cánh đi dạng chữ H với diện tích cánh đi ngang nhỏ (so với diện tích cánh chính) và hai cánh đuôi đứng ở hai đầu mút cánh đi ngang có tác dụng giảm bớt hiệu ứng mút cánh của cánh đi ngang. Vì vậy sự thay đổi vị trí cánh đuôi ngang phối hợp với điều chỉnh góc đặt cánh đi ngang làm thay đổi khơng nhiều các đặc trưng khí động và cân bằng của máy bay (bảng 5.6). Lượng dự trữ ổn định tĩnh dọc tăng 0,2% theo phương án (B) và (C) so với phương án thiết kế (A) là khơng lớn. Vì vậy, xét cả trên phương diện kết cấu, phương án (A) bố trí tổ hợp cánh chính và cánh đi ngang nhau là tốt nhất trong ba phương án (ngang, thấp, cao) của cánh đuôi ngang.
Tuy nhiên, với cấu hình máy bay thiết kế, sự thay đổi diện tích cánh đi ngang có ảnh hưởng khá nhiều đến các đặc trưng khí động và cân bằng của máy bay. Xét trường hợp tăng diện tích cánh đi ngang (bằng cách tăng chiều dài dây cung cánh đuôi ngang) lên 1,4 lần (giữ trọng tâm của máy bay như trường hợp thiết kế). Khi
góc tấn α = 0o, với trường hợp cánh đi ngang tăng diện tích, tác dụng của dòng
dạt xuống tới cánh đi ngang tạo lực nâng âm có giá trị tuyệt đối lớn hơn, vì vậy,