4.3. Tối ưu tham số thiết kế bộ cánh trước cho khí cụ bay điều khiển một
4.3.1. Xác định các ràng buộc tham số thiết kế
Biên dạng cánh trước của KCB được giới hạn bởi các điểm A3, A4, A5 và A6. Các tham số thiết kế cánh trước là: Sải cánh L; Vị trí lắp cánh xa; Góc mũi tên χ; Dây cung gốc cánh b0 và dây cung mút cánh bk (Hình 4.18).
Hình 4.18. Các tham số thiết kế cánh trước
Một phương án cải tiến KCB điều khiển với bộ tham số thiết kế cánh trước đã được chế tạo và thử nghiệm thành công là:
[L χ b b
x ]*
= [170 0 60 45 2] (4.3) Bản cánh có chiều dày khơng đổi là 2mm. Phương án thiết kế này được lựa chọn làm phương án cơ sở giải bài tốn tối ưu.
Để xác định vùng tìm kiếm phương án thiết kế tối ưu, luận án tiến hành khảo sát ảnh hưởng của các tham số thiết kế tới các hàm mục tiêu và ràng buộc. Mỗi tham số thiết kế được thay đổi trong vùng khảo sát trong khi các tham số khác giữ nguyên như phương án cơ sở. Giải bài tốn mơ phỏng động lực học bay cho từng phương án khảo sát với mục tiêu cố định ở cự ly 2.500
k
m và tính tốn giá trị các hàm mục tiêu, ràng buộc tương ứng. Giả thiết các tham số khối lượng, quán tính, động cơ của KCB được giữ nguyên không thay đổi trong tất cả các phương án khảo sát.
4.3.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của vị trí lắp cánh
Cụm cánh trước được bố trí lắp ráp trên đoạn cơn của phần chiến đấu. Vị trí lắp cụm cánh trước được xác định bởi giá trị của tham số xa, là khoảng
cách của điểm bắt đầu dây cung gốc cánh tới đáy nhỏ của hình cơn. Vùng khảo sát của tham số xa trong khoảng 0 mm đến 40 mm với mỗi bước khảo sát là 10 mm. Bảng 4.9 tổng hợp kết quả các tham số mô phỏng động lực học KCB tương ứng với các phương án khảo sát tham số vị trí lắp cánh.
Bảng 4.9. Bảng phụ thuộc các tham số vào vị trí cánh
xa (mm) 0 10 20 30 40 Cx0 0,515 0,514 0,514 0,513 0,512 Cy 0,308 0,307 0,306 0,305 0,304 Φ1 0,955 0,962 0,971 0,979 0,988 Φ2 4,115 3,472 3,003 2,646 2,353 Φ3 0,876 0,997 1,116 1,245 1,377 fz (Hz) 1,918 2,036 2,151 2,262 2,375 fx/fz 3,819 3,593 3,402 3,240 3,108 nyVmin 1,978 1,622 1,365 1,172 1,015 R (m) 593,0 725,3 867,8 1018,4 1186,8 αp.cb (độ) 5,9 5,9 5,8 5,7 5,5 Vtb (m/s) 116,3 116,4 116,8 117,3 117,8 Dmin (m) 0,418 0,900 1,441 1,877 2,377
tần số dao động riêng và tính ổn định của KCB tăng. Tuy nhiên, tính điều khiển được, tính cơ động và quá tải pháp tuyến cho phép của KCB bị giảm xuống. Nguyên nhân là do tâm áp của KCB bị dịch về phía sau làm tăng khoảng cách khối tâm - tâm áp, từ đó làm tăng tính ổn định của KCB. Hệ số chất lượng khí động giảm 3,5% giữa phương án lớn nhất và phương án nhỏ nhất. Góc tấn khơng gian của KCB ở giai đoạn hành trình giảm khoảng 11% giữa phương án có giá trị lớn nhất và nhỏ nhất. Góc tấn khơng gian giảm làm cho lực cản khí động tác dụng lên KCB giảm và làm tăng vận tốc hành trình của KCB. Tỉ số giữa tần số quay của KCB và tần số dao động riêng kênh chúc ngóc giảm nhưng vẫn nằm trong giới hạn cho phép. Khi tăng dần khoảng cách lắp đặt cánh tới giá trị xa = 40 mm thì quá tải pháp tuyến nhỏ hơn giới hạn tối thiểu cho phép (ny.Vmin = 1,1). Khí cụ bay khi đó khơng thể duy trì quỹ đạo bay bằng, có xu hướng hạ thấp độ cao (Hình 4.19).
Hình 4.19. Ảnh hưởng vị trí cánh tới quỹ đạo khí cụ bay
Như vậy, khi dịch dần vị trí lắp cánh về phía đi KCB thì có một số tham số có xu hướng tốt hơn như: tần số dao động riêng kênh chúc ngóc, độ ổn định, góc tấn khơng gian và vận tốc bay trung bình của KCB. Tuy nhiên, một số tham số khác lại bị kém đi là tỉ số tần số quay và tần số dao động riêng
y, m
kênh chúc ngóc, hệ số chất lượng khí động, hệ số quá tải pháp tuyến, tính điều khiển được và khả năng bắn trúng mục tiêu của KCB. Khi tăng xa đến một giá
trị nhất định thì KCB khơng cịn khả năng điều khiển được tới mục tiêu.
4.3.1.2. Khảo sát ảnh hưởng của sải cánh
Sải cánh được đặc trưng bởi khoảng cách từ trục đối xứng của KCB tới dây cung mút cánh. Giả thiết các tham số hình học khác của cánh trước không thay đổi. Cận dưới của sải cánh phụ thuộc vào đường kính thân KCB. Cận trên được giới hạn do kích thước hịm hộp bảo quản. Đồng thời, giá trị này không được quá lớn do phải đảm bảo điều kiện bền của cánh. Tham số sải cánh được khảo sát biến thiên trong khoảng từ 60 mm đến 95 mm.
Nhận thấy khi tăng sải cánh, do diện tích bản cánh tăng nên (Bảng 4.10): - Hệ số lực nâng và hệ số lực cản tăng; Hệ số chất lượng khí động tăng; - Hệ số quá tải pháp tuyến, tính điều khiển được và khả năng cơ động của KCB
tăng;
- Tần số dao động riêng và độ dự trữ ổn định giảm;
- Góc tấn cân bằng tăng, hệ số lực cản khí động tăng làm cho vận tốc hành trình trung bình giảm;
- Tỉ số giữa tần số quay của KCB và tần số dao động riêng tăng;
Như vậy, việc tăng sải cánh có một số lợi thế theo các tiêu chí về tính điều khiển, tính cơ động, hệ số chất lượng khí động. Tuy nhiên khi đó tính ổn định của KCB, hệ số lực cản khí động giảm; góc tấn tăng và vận tốc trung bình hành trình giảm là những điều khơng mong muốn. Trong giới hạn khảo sát, khi sải cánh quá nhỏ (L = 60 mm) thì KCB có hệ số q tải pháp tuyến khơng đủ duy trì quỹ đạo bay bằng của KCB tới mục tiêu. Khi sải cánh quá lớn (L = 95 mm), KCB có độ dự trữ ổn định thấp, bị rơi sau khi ra khỏi bệ phóng (Hình 4.20).
Hình 4.20. Ảnh hưởng sải cánh tới quỹ đạo khí cụ bay Bảng 4.10. Bảng phụ thuộc các tham số vào sải cảnh Bảng 4.10. Bảng phụ thuộc các tham số vào sải cảnh
L (mm) 60 65 70 75 80 85 90 95 Cx0 0,510 0,511 0,512 0,513 0,514 0,515 0,516 0,517 Cy 0,302 0,303 0,303 0,304 0,306 0,307 0,309 0,312 Φ1 1,002 0,990 0,982 0,975 0,967 0,959 0,951 0,943 Φ2 1,773 1,953 2,188 2,532 3,021 3,759 5,000 7,299 Φ3 1,781 1,572 1,427 1,279 1,111 0,950 0,800 - fz (Hz) 2,639 2,560 2,443 2,300 2,145 1,974 1,787 1,170 fx/fz 2,851 2,899 3,021 3,209 3,425 3,709 4,081 6,570 nyVmin 0,691 0,802 0,927 1,111 1,375 1,781 2,481 4,157 R (m) 1956 1520 1301 1076,2 860,9 655,2 464,2 307,7 αp.cb (độ) 5,4 5,4 5,4 5,5 5,7 5,8 5,9 - Vtb (m/s) 122,3 118,3 117,9 117,3 116,8 116,0 115,3 116,725 Dmin (m) 828,291 39,624 2,648 1,983 1,347 0,704 0,086 1823,997 y, m
4.3.1.3. Khảo sát ảnh hưởng của góc mũi tên
Khảo sát ảnh hưởng của góc mũi tên cánh tới các tham số khí động và tham số động học của KCB. Vùng khảo sát từ 00 đến 300 với bước khảo sát là 50 . Kết quả mô phỏng khảo sát thể hiện trên Bảng 4.11.
Bảng 4.11. Bảng phụ thuộc các tham số vào góc mũi tên
χ (độ) 0 5 10 15 20 25 30 Cx0 0,515 0,514 0,514 0,514 0,513 0,513 0,512 Cy 0,307 0,306 0,305 0,304 0,303 0,303 0,302 Φ1 0,959 0,965 0,971 0,978 0,983 0,990 0,996 Φ2 3,759 3,378 3,049 2,786 2,551 2,353 2,169 Φ3 0,950 1,036 1,126 1,200 1,293 1,389 1,478 fz (Hz) 1,974 2,052 2,136 2,212 2,293 2,371 2,450 fx/fz 3,709 3,570 3,433 3,319 3,203 3,111 3,009 nyVmin 1,781 1,571 1,390 1,247 1,121 1,015 0,917 R (m) 655,2 746,0 850,0 951,8 1066,4 1186,0 1316,3 αp.cb (độ) 5,8 5,8 5,7 5,6 5,5 5,5 5,4 Vtb (m/s) 116,0 116,2 116,7 117,0 117,4 117,7 117,9 Dmin (m) 0,704 1,024 1,344 1,684 2,063 2,428 2,893 Nhận thấy, khi tăng góc mũi tên cánh, do diện tích bản cánh bị giảm nên: - Hệ số lực cản khí động và hệ số lực nâng giảm.
- Tâm áp bị dịch về phía đi nên độ ổn định của KCB tăng, tính điều khiển được, tính cơ động và quá tải pháp tuyến cho phép của KCB bị giảm.
- Tần số dao động riêng của KCB có xu hướng tốt hơn nhưng tỉ số giữa tần số quay và tần số dao động riêng bị kém đi.
- Góc tấn khơng gian cân bằng giảm, vận tốc hành trình của KCB tăng; - Khả năng bắn trúng mục tiêu của KCB giảm;
Tuy nhiên, sự phụ thuộc của các tham số trên vào góc mũi tên cánh là trong giới hạn vùng khảo sát là không nhiều.
4.3.1.4. Khảo sát ảnh hưởng của dây cung gốc cánh
Khảo sát ảnh hưởng của chiều dài dây cung gốc cánh tới các tham số khí động và động học của KCB. Chiều dài dây cung gốc cánh được giới hạn trên bởi chiều cao nón cụt của đầu nổ là 80 mm. Chiều dài nhỏ nhất lấy bằng 45 mm. Bước khảo sát là 10 mm. Kết quả mô phỏng khảo sát ảnh hưởng của dây cung gốc cánh tới các tham số quỹ đạo của KCB tương ứng được thể hiện như trên Bảng 4.12.
Bảng 4.12. Bảng phụ thuộc các tham số vào dây cung gốc cánh
b0 (mm) 45 50 55 60 65 70 75 80 Cx0 0,515 0,515 0,515 0,515 0,515 0,515 0,515 0,515 Cy 0,308 0,307 0,307 0,307 0,307 0,307 0,307 0,307 Φ1 0,958 0,958 0,958 0,959 0,960 0,961 0,961 0,962 Φ2 3,817 3,802 3,802 3,759 3,731 3,676 3,650 3,610 Φ3 0,999 0,977 0,961 0,950 0,968 0,976 0,981 0,984 fz (Hz) 1,978 1,976 1,971 1,974 1,982 1,984 1,989 1,990 fx/fz 3,713 3,715 3,719 3,709 3,699 3,680 3,659 3,645 nyVmin 1,811 1,804 1,804 1,781 1,765 1,735 1,720 1,699 R (m) 655,7 655,1 650,9 655,2 663,6 668,5 674,1 677,5 αp.cb (độ) 5,75 5,76 5,80 5,81 5,80 5,80 5,85 5,81 Vtb (m/s) 117,0 116,7 116,4 116,0 116,2 115,6 115,6 115,2 Dmin (m) 0,753 0,689 0,635 0,704 0,698 0,816 0,817 0,872
Nhận thấy, chiều dài dây cung gốc cánh trong khoảng khảo sát ảnh hưởng không nhiều đến các tham số khí động và động học của KCB do diện tích bản cánh thay đổi khơng nhiều.
4.3.1.5. Khảo sát ảnh hưởng của dây cung mút cánh
Chiều dài dây cung mút cánh được lấy trong khoảng từ 10 mm đến 60 mm. Điều này đảm bảo dây cung mút cánh có chiều dài khơng lớn hơn dây cung gốc cánh. Tiến hành giải bài tốn mơ phỏng động lực học KCB. Kết quả mô phỏng được thể hiện trong Bảng 4.13.
Bảng 4.13. Bảng phụ thuộc các tham số vào dây cung mút cánh
bk (mm) 10 20 30 40 50 60 Cx0 0,515 0,515 0,515 0,515 0,515 0,515 Cy 0,308 0,307 0,307 0,307 0,307 0,307 Φ1 0,958 0,958 0,958 0,959 0,960 0,961 Φ2 3,817 3,802 3,802 3,759 3,731 3,676 Φ3 0,999 0,977 0,961 0,950 0,968 0,976 fz (Hz) 1,978 1,976 1,971 1,974 1,982 1,984 fx/fz 3,713 3,715 3,719 3,709 3,699 3,680 nyVmin 1,811 1,804 1,804 1,781 1,765 1,735 R (m) 655,7 655,1 650,9 655,2 663,6 668,5 αp.cb (độ) 5,75 5,76 5,80 5,81 5,80 5,80 Vtb (m/s) 117,0 116,7 116,4 116,0 116,2 115,6 Dmin (m) 0,753 0,689 0,635 0,704 0,698 0,816
Kết quả mô phỏng khảo sát các phương án nhận thấy: khi tăng dần chiều dài dây cung mút cánh trong vùng khảo sát, các tham số khí động và động học của KCB ít bị thay đổi do diện tích cánh thay đổi khơng nhiều. Trong vùng khảo sát của dây cung mút cánh, giá trị các hàm ràng buộc đều nằm trong giới hạn cho phép.
Như vậy, dựa vào kết quả khảo sát ảnh hưởng của các tham số có thể rút ra một số kết luận sau:
- Khi thay đổi các tham số thiết kế cụm cánh làm thay đổi các đặc trưng khí động và động học của KCB. Tuy nhiên, tham số vị trí cánh và tham số sải cánh có ảnh hưởng đáng kể hơn cả. Các tham số khác của cánh khơng ảnh hưởng nhiều đến diện tích cánh nên ít ảnh hưởng đến các đặc trưng khí động và động học của KCB.
- Khi tăng độ ổn định sẽ làm giảm tính điều khiển của KCB và ngược lại. - Tần số dao động riêng kênh chúc ngóc và hệ số quá tải pháp tuyến cho phép có
chiều biến thiên ngược nhau. Giá trị giới hạn dưới của hệ số quá tải pháp tuyến cho phép và tần số dao động riêng kênh chúc ngóc có thể được dùng để giới hạn cho bài tốn thiết kế KCB có đủ độ ổn định và có khả năng điều khiển tới mục tiêu. Khi vượt ra ngoài phạm vi giới hạn của 2 tham số này KCB có thể bị gục hoặc khơng đủ khả năng duy trì quỹ đạo bay bằng.
- Tính điều khiển được và khả năng cơ động của KCB có chiều biến thiên giống nhau nên có thể chọn một trong hai tham số làm đại diện là hàm mục tiêu cho bài toán tối ưu.
Do tham số sải cánh và vị trí lắp cánh có ảnh hưởng nhiều đến các đặc trưng khí động và động học của KCB, các tham số cịn lại có ảnh hưởng khơng nhiều nên khi xác định giới hạn vùng tìm kiếm tham số tối ưu ta ưu tiên vùng tìm kiếm rộng hơn cho 2 tham số là sải cánh và vị trí lắp cánh. Điều này đảm bảo khả năng tìm được nghiệm tối ưu tốt nhất. Các tham số còn lại
được lấy dựa theo điều kiện thỏa mãn các ràng buộc hình học cịn lại.
Các ràng buộc và giới hạn đối với các tham số thiết kế bộ cánh trước khi đó được xác định như sau:
- Vị trí lắp cánh được xác định bằng khoảng cách từ đáy nhỏ của hình cơn tới đáy lớn của hình cơn. Theo kết quả khảo sát, giới hạn tìm kiếm của tham số vị trí lắp cánh xa = [0 mm; 40 mm].
- Cận dưới của sải cánh khơng nhỏ hơn bán kính thân KCB, cận trên khơng vượt quá giới hạn cho phép của hòm chứa và đảm bảo bền khi chịu uốn nhất định. Dựa theo kết quả khảo sát ảnh hưởng sơ bộ ta chọn vùng giới hạn của tham số thiết kế sải cánh là L = [65 mm; 95 mm].
- Chiều dài dây cung gốc cánh b0 được xác định sao cho cánh nằm trong đoạn côn của đầu nổ. Giới hạn chiều dài dây cung gốc cánh được chọn trong khoảng
b0 = [30 mm; 90mm].
- Chiều dài dây cung mút cánh được lấy trong khoảng bk = [10 mm; 90 mm]. Dây cung mút cánh có chiều dài nhỏ hơn dây cung gốc cánh. Điểm cuối dây cung mút cánh khơng vượt q đáy lớn của hình nón.
- Góc mũi tên cánh được lấy trong khoảng χ = [00; 300].
- Điểm kết thúc dây cung gốc cánh và dây cung mút cánh không vượt quá đáy lớn phần nón của đầu nổ.