Bộ tham số khí động được sử dụng để giải bài tốn tối ưu được tính tốn bằng phần mềm bán thực nghiệm MD. Mục 4.1 tiến hành so sánh kiểm chứng kết quả tính tốn bộ tham số khí động bằng MD với kết quả tính tốn mơ phỏng số CFD bằng phần mềm ANSYS CFX và thực nghiệm ống thổi khí động dưới âm. Đối tượng kiểm chứng là KCB CT14M và một phương án thiết kế KCB CT14M cải tiến.
4.1.1. Phương pháp mô phỏng số
Xây dựng và giải bài tốn mơ phỏng xác định một số hệ số khí động của KCB CT14M và một phương án KCB CT14M cải tiến bằng phần mềm ANSYS CFX theo trình tự của một bài tốn mơ phỏng CFD thơng thường, bao gồm các bước sau: Xây dựng mơ hình, Chia lưới, Định nghĩa các đặc tính
Xây dựng mơ hình Chia lưới Định nghĩa các đặc tính vật lýGiải và xử lý kết quả vật lý, Giải và Xử lý kết quả như được trình bày trên Hình 4.1.
Hình 4.1. Trình tự giải bài tốn mơ phỏng CFD
Xây dựng bài tốn mơ phỏng ở vận tốc tương ứng với số Mach và các giá trị góc tấn như khi tính tốn với phần mềm MD.
Hình 4.2. Hình ảnh cấu trúc lưới bài tốn mơ phỏng khí cụ bay CT14M
Sử dụng lưới phi cấu trúc kiểu tứ diện kết hợp với các lớp lăng trụ gần bề mặt chảy bao để chia lưới mơ hình (Hình 4.2 và Hình 4.3).
Giải bài tốn mơ phỏng nhận được kết quả phân bố áp suất trên bề mặt chảy bao của KCB (Hình 4.4 và Hình 4.5). Lực và mơ-men khí động tác dụng lên bề mặt chảy bao được xác định bằng tích phân áp suất phân bố theo diện tích bề mặt chảy bao theo các hàm tương ứng của ANSYS CFD Post [19]:
F x F y = force _ x()@body = force _ y()@body (4.1) Mx = torque _ x()@body Mz = torque _ z()@body
Hình 4.4. Phân bố áp suất bề mặt chảy bao khí cụ bay CT14M
Hình 4.5. Phân bố áp suất bề mặt chảy bao khí cụ bay CT14M cải tiến
Các hệ số khí động được xác định từ giá trị lực và mơ-men khí tương ứng theo các biểu thức: Cx = 2F x ρV 2S ;Cy = ρV 2F2yS ref ref (4.2) m = 2Mx ; m = 2Mz x ρV 2S L z ρV 2S L
ref ref ref ref
4.1.2. Thực nghiệm ống thổi khí động
Tiến hành thử nghiệm ống thổi khí động xác định hệ số khí động của KCB CT14M và một phương án KCB CT14M cải tiến bằng ống thổi khí động dưới âm tại Viện Thiết kế Khoa học Công nghệ Xây dựng /Bộ Xây dựng. Do KCB có cấu tạo đối xứng trục nên góc trượt cạnh đóng vai trị tương tự như góc tấn. Các hệ số khí động được xác định theo góc trượt cạnh để thuận lợi khi tiến hành thử nghiệm.
Thử nghiệm được tiến hành ở vận tốc ống thổi V = 30 (m/s) đối với mẫu thử có kích thước bằng với kích thước thực tế của KCB tương ứng với các giá trị các góc trượt cạnh khác nhau. Do đó, tiêu chuẩn đồng dạng về hình học được bỏ qua. Đồng thời, ở vận tốc dưới âm (tương ứng với số Mach < 0,4) khơng khí được coi là khơng nén được nên tiêu chuẩn đồng dạng theo số Mach có thể bỏ qua [56]. Bỏ qua tiêu chuẩn đồng dạng về độ nhớt của khơng khí theo số Reynolds. Khi đó, việc tiến hành thí nghiệm với mẫu thử trong ống thổi với vận tốc thấp có thể được coi là tương đồng với điều kiện bay thực tế của KCB.
Mẫu thử nghiệm và hệ thống cảm biến đo được gá đặt trên bàn xoay. Điều chỉnh góc quay của bàn xoay bằng động cơ bước làm thay đổi giá trị góc trượt cạnh. Sử dụng cảm biến 6 thành phần đo ghi giá trị lực và mơ-men khí động tác dụng lên KCB. Sơ đồ bố trí thí nghiệm và thực tế gá đặt được thể
hiện như Hình 4.6. và Hình 4.7.
Hình 4.6. Sơ đồ bố trí thử nghiệm thổi khí động khí cụ bay
Hình 4.7. Thử nghiệm thổi khí động khí cụ bay
Các thử nghiệm ống thổi khí động được tiến hành để xác định một số đặc trưng khí động cơ bản: hệ số lực dọc trục, hệ số lực pháp tuyến, mơ-men chúc ngóc, vị trí tâm áp. Kết quả tính tốn các hệ số khí động theo các phương pháp được thể hiện trong các Bảng 4.1 và Bảng 4.2. Một số hệ số khí động đối với KCB CT14M cũng được công bố trong tài liệu [15].
Nhận thấy, các kết quả tính tốn và thử nghiệm xác định các hệ số khí động của KCB theo các phương pháp bán thực nghiệm sử dụng MD, mô phỏng số ANSYS CFX và thử nghiệm ống thổi là phù hợp so với nhau. Phương pháp bán thực nghiệm sử dụng phần mềm MD có nhiều ưu điểm như:
thời gian tính tốn nhanh, cho phép xác định đầy đủ bộ các hệ số khí động tĩnh và động nên được chọn để giải bài tốn tối ưu biên dạng khí động KCB.
Bảng 4.1. Bảng so sánh hệ số khí động của khí cụ bay CT14MHSKĐ α (β) MD CFD TN Tài liệu HSKĐ α (β) MD CFD TN Tài liệu Cx 0 0 0,453 0,497 0,423 0,419 50 0,456 0,442 0,375 0,395 100 0,455 0,427 0,353 0,381 Cy 0 0 0 0 0 0 50 1,329 1,358 1,448 1,230 100 2,754 2,731 2,902 2,470 mx 0 0 0,477 0,527 - - 50 0,573 0,560 - - 100 0,623 0,575 - - mz 0 0 0 0 0 0 50 -0,284 -0,263 -0,255 -0,241 100 -0,591 -0,558 -0,511 -0,484
Bảng 4.2. Bảng so sánh hệ số khí động của khí cụ bay CT14M cải tiến
HSKĐ α (β) MD CFD TN Cx 00 0,500 0,516 0,487 50 0,502 0,472 0,442 100 0,501 0,382 0,307 Cy 00 0 0 0 50 1,359 1,408 1,640 100 2,938 2,789 3,293 mx 00 0,501 0,545 - 50 0,567 0,580 - 100 0,626 0,605 - mz 00 0 0 0 50 -0,254 -0,297 -0,315 100 -0,664 -0,531 -0,632
4.2. Kiểm chứng chương trình mơ phỏng động lực học bay
4.2.1. Kiểm chứng đối với khí cụ bay CT14M
Để kiểm chứng tính đúng đắn của mơ hình tốn, luận án tiến hành giải bài tốn mơ phỏng chuyển động bay của KCB CT14M ứng với một số kịch bản tấn công mục tiêu khác nhau. Kết quả mô phỏng được so sánh với một số chỉ tiêu chiến - kỹ thuật đã được công bố như trong Bảng 4.3 [15], [58].
Bảng 4.3. Một số chỉ tiêu cơ bản của khí cụ bay CT14M
STT Tên chỉ tiêu Đơn vị Giá trị
1 Tầm bắn hiệu quả lớn nhất m 3.000
2 Tầm bắn hiệu quả nhỏ nhất m 500
3 Vận tốc trung bình giai đoạn hành trình m/s 120 4 Vận tốc góc trung bình giai đoạn hành trình vịng/s 8,3
Coi KCB là đối xứng trục hồn tồn, khi đó tọa độ trọng tâm nằm trên trục dọc Oxb. Các đặc trưng về khối lượng, quán tính, trọng tâm của KCB thay đổi theo thời gian hoạt động của KCB do việc tiêu hao nhiên liệu của động cơ và dây vi cáp liện tục được tời ra khỏi thân KCB được xác định dựa trên kết quả khảo sát KCB CT14M (Bảng 4.4).
Bảng 4.4. Bảng khối lượng, quán tính, trọng tâm khí cụ bay CT14Mt (s) m (kg) xT (m) Jxx (kg.m2) Jyy = Jzz (kg.m2) Ghi chú t (s) m (kg) xT (m) Jxx (kg.m2) Jyy = Jzz (kg.m2) Ghi chú
0 10,9 0,498 0,0308 0,3163 Bắt đầu phóng
0,65 10,2 0,494 0,0291 0,313 Hết ĐCP
27,1 7,3 0,468 0,0247 0,2771 Hết ĐCHT
Các hệ số khí động dùng để mơ phỏng của KCB được tính tốn xác định bằng phần mềm MD theo giá trị của góc tấn. Kết quả tính tốn các hệ số khí
động được trình bày trong Bảng 4.5. Lực đẩy ĐCP, ĐCHT cũng như thời gian cháy phụ thuộc vào nhiệt độ được cho như Phụ lục 8 [15].
Bảng 4.5. Hệ số khí động khí cụ bay CT14Mα (độ) -10 -5 0 5 10 α (độ) -10 -5 0 5 10 Cx 0,455 0,456 0,453 0,456 0,455 Cy -2,754 -1,329 0 1,329 2,754 mx0 0,623 0,573 0,477 0,573 0,623 mz0 0,591 0,284 0 -0,284 0,591 mxωx -0,696 -0,652 -0,543 -0,652 -0,696 mzωz -0,420 -0,398 -0,383 -0,398 -0,420
Sử dụng chương trình mơ phỏng quỹ đạo ở Chương 2 tiến hành mô phỏng chuyển động KCB CT14M với một số kịch bản cự ly mục tiêu khác nhau. Kết quả mô phỏng được tổng hợp ở Bảng 4.6.
Bảng 4.6. Kết quả mơ phỏng chuyển động khí cụ bay CT14M STT Tầmbắn (m) Vận tốc MT (km/h) Toạ độ MT ban đầu zMT0 (m) Hướng chuyển động của MT
Thời gian bay (s) Kết quả mô phỏng 1 1500 10 0 Ra xa 12±0,9 Đạt 2 1500 20 0 Ra xa 12±0,9 Đạt 3 1500 40 70 Từ biên 12±0,9 Đạt 4 1500 50 87 Từ biên 12±0,9 Đạt 5 2000 60 140 Từ biên 16,5±1,2 Đạt 6 2500 50 195 Từ biên 20,3±1,5 Đạt 7 3000 70 246 Từ biên 24,5±1,8 Đạt 8 1000 30 0 Từ tâm 7,8±0,8 Đạt 9 750 20 0 Từ tâm 5,8±0,7 Đạt 10 500 10 0 Từ tâm 3,9±0,6 Đạt
Từ kết quả mô phỏng nhận thấy, ở tất cả các phương án KCB đều bay trúng mục tiêu với các tham số phù hợp với các chỉ tiêu chiến kỹ thuật của
KCB CT14M [15]. Dưới đây trình bày kết quả 2 trường hợp ở cự ly xa nhất (kịch bản số 7) và cự ly gần nhất (kịch bản số 10).
4.2.1.1. Kết quả mô phỏng ở cự ly 3.000 m
Tham số mục tiêu: xMT0 = 3.000 (m); yMT0 = 2 (m); zMT0 = 246 (m); VMT0
= 70 (km/h); ΨMT0 = 900. Kết quả mô phỏng nhận được quỹ đạo chuyển động bay của KCB trong mặt phẳng đứng và ngang như thể hiện trên Hình 4.8 và Hình 4.9. Đồ thị thay đổi vận tốc của KCB được thể hiện trên Hình 4.10. Đồ thị thay đổi vận tốc góc như trên Hình 4.11.
Hình 4.8. Quỹ đạo khí cụ bay trong mặt phẳng đứng khi mục tiêu ở cự ly 3.000 m
Hình 4.10. Đồ thị vận tốc khí cụ bay khi mục tiêu ở cự ly 3.000 m
Hình 4.11. Đồ thị vận tốc góc khí cụ bay khi mục tiêu ở cự ly 3.000 m Phân tích kết quả ta nhận được các thơng số sau:
- Vận tốc hành trình của KCB: 116,4÷125,9 (m/s); - Tốc độ góc quay: 7,8 ÷8,4 (vịng/s);
- Thời gian bay: 25,38 (s); - Độ chính xác dẫn: 0,4 (m); - Vận tốc trung bình: 120,7 (m/s);
4.2.1.2. Kết quả mô phỏng ở cự ly 500 m
Các thông số mục tiêu là: xMT0 = 500(m); yMT0 = 2(m); zMT0 = 0(m);VMT0
bay của KCB trong mặt phẳng đứng và ngang như thể hiện trên Hình 4.12 và Hình 4.13. Đồ thị thay đổi vận tốc theo thời gian của KCB được thể hiện trên Hình 4.14. Đồ thị thay đổi vận tốc góc như trên Hình 4.15.
Hình 4.12. Quỹ đạo khí cụ bay trong mặt phẳng đứng khi mục tiêu ở cự ly 500 m
Hình 4.13. Quỹ đạo khí cụ bay trong mặt phẳng ngang khi mục tiêu ở cự ly 500 m
Hình 4.15. Đồ thị vận tốc góc khí cụ bay khi mục tiêu ở cự ly 500 m Phân tích kết quả ta nhận được các thơng số sau: m Phân tích kết quả ta nhận được các thông số sau:
- Vận tốc hành trình của KCB: 126÷127,2 (m/s); - Vận tốc góc quay: 7,8 ÷8,4 (vịng/s);
- Thời gian bay: 4,3 (s)
- Độ chính xác dẫn: 0,63 (m); - Vận tốc trung bình: 120 (m/s);
Như vậy, ở các cự ly xa nhất và gần nhất, KCB đều được điều khiển bắn trúng mục tiêu với độ chính xác dẫn dưới 0,63 m. Kết quả mơ phỏng cho thấy KCB CT14M đáp ứng các chỉ tiêu chiến – kỹ thuật cơ bản về tầm bắn, tốc độ và tốc độ góc như cơng bố.
4.2.2. Kiểm chứng đối với một phương án khí cụ bay CT14M cải tiến
Một phương án KCB được cải tiến từ KCB CT14M với phần thân trước là đầu nổ xuyên lõm kiểu tandem đã được bắn thử nghiệm với mục tiêu cố định ở cự ly 1.800 m. Biên dạng phối trí khí động của phương án như được trình bày trong Phụ lục 4. Luận án tiến hành kiểm chứng tính đúng đắn của mơ hình lực căng dây vi cáp điều khiển.
Các tham số khối lượng, quán tính, trọng tâm của phương án KCB cải tiến được xác định bằng đo đạc khảo sát thực tế (Bảng 4.7) [1].
Bảng 4.7. Các tham số khối lượng, quán tính khí cụ bay cải tiếnt (s) m (kg) xT (m) Jxx (kg.m2) Jyy = Jzz (kg.m2) t (s) m (kg) xT (m) Jxx (kg.m2) Jyy = Jzz (kg.m2)
0 13 0,632 0,031 0,667
0,65 12,17 0,633 0,029 0,663
26,1 9,27 0,594 0,025 0,611
Bộ hệ số khí động của KCB CT14M cải tiến được xác định bằng phần mềm MD. Kết quả tính tốn được trình bày trong Bảng 4.8.
Bảng 4.8. Hệ số khí động khí cụ bay CT14M cải tiến
α (độ) -10 -5 0 5 10 Cx 0,504 0,505 0,502 0,505 0,504 Cy -2,975 -1,396 0 1,396 2,975 mx0 0,626 0,564 0,476 0,564 0,626 mz0 0,475 0,181 0 -0,181 -0,475 mxωx -0,668 -0,620 -0,541 -0,620 -0,668 mzωz -1,393 -1,590 -1,546 -1,590 -1,393
Phương án KCB cải tiến này đã được bắn thử nghiệm thành cơng bắn trúng mục tiêu. Trong q trình thử nghiệm đã tiến hành đo ghi lực căng dây vi cáp điều khiển. Lực căng dây vi cáp được đo bằng cảm biến kiểu áp điện tại bệ phóng. Sơ đồ gá đặt cảm biến đo lực căng dây vi cáp như Hình 4.16.
Hình 4.16. Sơ đồ gá đặt cảm biến đo lực căng dây cáp
phỏng chuyển động của phương án KCB cải tiến ở cự ly mục tiêu cố định 1.800 m. Kết quả nhận được đồ thị so sánh lực căng dây vi cáp (Hình 4.17).
Hình 4.17. Đồ thị so sánh lực căng dây vi cáp ở cự ly 1.800 m
Từ đồ thị so sánh lực căng dây vi cáp nhận thấy: lực căng dây vi cáp đo được từ thử nghiệm bắn bay phù hợp với kết quả tính tốn mơ phỏng động lực học bay KCB. Như vậy, chương trình tính tốn mơ phỏng chuyển động KCB và mơ hình lực căng dây vi cáp được xây dựng đúng đắn. Do đó, có thể dùng chương trình này để mơ phỏng khảo sát chuyển động của các KCB điều khiển một kênh kiểu CT14M sử dụng dây vi cáp.
4.3. Tối ưu tham số thiết kế bộ cánh trước cho khí cụ bay điều khiển mộtkênh cải tiến kiểu CT14M kênh cải tiến kiểu CT14M
Khí cụ bay điều khiển một kênh sử dụng dây vi cáp được cải tiến từ KCB CT14M với phần chiến đấu sử dụng đầu nổ xuyên lõm kiểu tandem. Phần thân bay bao gồm động cơ, hệ thống điều khiển trên khoang và đài điều khiển mặt đất được giữ nguyên như KCB CT14M. Điều này làm thay đổi các tham số phân bố khối lượng, trọng tâm và quán tính của KCB. Để đảm bảo khả năng điều khiển và ổn định của KCB khi đó cần giải bài tốn tối ưu biên dạng khí động của KCB. Do các tham số phối trí khí động phần thân và cánh
ổn định không đổi nên các tham số tối ưu là các tham số thiết kế bộ cánh trước của KCB.
Ứng dụng phương pháp tối ưu ở Chương 3 giải bài toán tối ưu tham số thiết kế bộ cánh trước cho KCB điều khiển một kênh cải tiến từ KCB CT14M với các hàm ràng buộc của lớp KCB điều khiển một kênh với hàm mục tiêu là hệ số chất lượng khí động, tính ổn định và tính điều khiển được của KCB.
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