CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẶC ĐIỂM PHỐI TRÍ, KHÍ ĐỘNG LỚP TÊN LỬA PHÒNG KHÔNG TẦM THẤP
1.3. Vấn đề xác định các hệ số khí động học của lớp TLPKTT nói chung và tên lửa TLPKTT kiểu I nói riêng
1.3.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới
Đối với các nước tiên tiến trên thế giới, quá trình thiết kế, chế tạo thiết bị bay nói chung và tên lửa nói ri ng đ phát triển thành một nền công nghiệp từ rất lâu. Do đó, các quy trình thiết kế, chế tạo, thử nghiệm... kể cả việc nghiên cứu xác định các đặc trƣng khí động học đ đƣợc nghiên cứu kỹ lƣỡng, đầy đủ.
Những tiến bộ trong động lực học chất lỏng (Phương pháp CFD) mô hình tính toán trên máy tính kỹ thuật số tốc độ cao đ hỗ trợ đáng kể quá trình thử nghiệm. Tuy nhiên, kết quả của phương pháp CFD vẫn không hoàn toàn đáng tin cậy v cho đến nay, trên thế giới vẫn sử dụng công cụ thực nghiệm là
thổi mẫu trong ống khí động, phương pháp n y tỏ ra hiệu quả và có thể sử dụng kết quả thực nghiệm để hiệu chỉnh các hệ số khí động đối với những kết quả nhận được bằng phương pháp tính toán lý thuyết.
Có nhiều tài liệu tính toán thiết kế thiết bị bay đ đƣợc xuất bản, nội dung chính vẫn là lý thuyết tính toán cơ sở và nguyên tắc thiết kế chung [1-7].
Các công trình nghiên cứu đối với TLPKTT thông thường thuộc lĩnh vực quân sự quốc phòng nên rất ít công trình nghiên cứu chuy n sâu đƣợc công bố và phổ biến rộng r i nhƣ các ng nh khoa học khác, đặc biệt là công nghệ, thuật toán, giải pháp, phương pháp áp dụng và những kỹ thuật riêng...
Hướng nghiên cứu về xác định các đặc trưng khí động đ được thực hiện và áp dụng đối với một số loại TLPKTT nói chung và TLPKTT kiểu I nói riêng có thể được tóm tắt thực hiện theo một số hướng nghiên cứu cơ bản sau đây:
1.3.1.1. Phương pháp giải tích
Tr n cơ sở các phương trình mô tả chuyển động của dòng khí chảy bao qua vật thể, phương pháp giải tích đ giải chính xác các phương trình đó. Đây l phương pháp cổ điển và chỉ áp dụng được cho các b i toán khí động đơn giản, trong khi đó thì quá trình tính toán khá phức tạp. Tuy nhi n, phương pháp n y đ phát triển đến mức không thể áp dụng đƣợc cho các bài toán khí động phức tạp hiện nay mà phải thực hiện bằng các phương pháp khác.
1.3.1.2. Phương pháp sử dụng ống khí động
Nguy n lý cơ bản của phương pháp thực nghiệm xác định các đặc trưng khí động học là nguyên tắc về dòng chảy ngƣợc dòng, nguyên tắc n y đƣợc phát biểu nhƣ sau: mối quan hệ giữa dòng chảy bao và vật thể không thay đổi khi vật thể đứng yên trong dòng chảy động hoặc khi vật thể chuyển động trong môi trường không chuyển động. Thiết bị thí nghiệm để khảo sát đặc
trưng dòng chảy bao quanh vật thể rắn người ta gọi l ―Ống khí động học‖
[17], [26].
Do dòng chảy bao có các vùng vận tốc khác nhau n n để phù hợp với bản chất vật lý của dòng, người ta phân ra l m các loại ống khí động khác nhau cho từng vùng vận tốc: ống khí động dưới âm (vận tốc dòng từ 0 – 0,8 M, M l đơn vị vận tốc âm thanh đƣợc tính theo công thức M = );
ống khí động cận âm (0,8 – 1,2 M); ống khí động trên âm (1,2 – 5 M); ống khí động siêu âm (M > 5).
Do đối tƣợng nghi n cứu của luận án n y l lớp TLPKTT kiểu I, nên ta đi sâu nghi n cứu dòng ống khí động tr n âm, tìm hiểu cách thức tiến h nh thí nghiệm v các giải pháp về mặt toán học, từ đó thấy đƣợc những thuận lợi v khó khăn khi sử dụng phương pháp n y.
Hiện nay trên thế giới có nhiều nước đ sở hữu ống khí động trên âm, ví dụ nhƣ trung tâm NASA Langley của Mỹ với ống khí động ―9x7 SWT‖ có khả năng tạo dòng khí chảy bao vật thể với vận tốc l n đến 2.55 M, hoặc ống khí động lạnh ETW (cho môi chất chảy bao nhƣ khí Nito, không khí v đảm bảo các ống khí động có khả năng thay đổi áp suất) của Đức, Pháp, Anh [22].
Trung tâm TSAGI của Nga với nhiều loại ống khí động khác nhau nhƣ: T- 106, T-109, T-116, T-117, T-128 có khả năng tạo dòng khí chảy bao vật thể với vận tốc từ Mach từ 1 đến 1.7. Đặc biệt là hiện nay tại trung tâm TSAGI đ có ống khí động T-131 có thể tạo dòng chảy với vận tốc Mach từ 2-10; áp suất tổng lên tới 11 (Mpa); nhiệt độ hãm dòng lên tới 2350 (K) [30].
Nhiều công trình nghiên cứu đ sử dụng phương pháp thử nghiệm bằng ống khí động xác định các đặc tính khí động để kiểm chứng các nghiên cứu lý thuyết, [6], [11], [18]. Tuy nhiên, các công trình này không công bố giải pháp đồng dạng giữa điều kiện thử nghiệm v điều kiện trên thực tế.
Do việc thử nghiệm trong ống khí động học thường gặp khó khăn trong việc đảm bảo sự đồng dạng về hình học giữa mô hình và vật thật (có thể đảm bảo được tỷ lệ đồng dạng về kích thước nhưng khó đảm bảo được tỷ lệ hình học về độ nhám bề mặt, khe hở [18]…, trong khi lý thuyết thường coi bề mặt chảy bao l trơn nhẵn tuyệt đối thì thực tế rất khó đạt đƣợc một mô hình thực nhƣ vậy). Vì vậy rất khó để có thể tránh khỏi có sự sai lệch giữa kết quả nghiên cứu và kết quả thử nghiệm. Từ đó, có thể thấy là kết quả phép đo bị ảnh hưởng do sai số của thiết bị v điều kiện thử nghiệm. Cụ thể như: sai số của thiết bị đo, sai số khi đọc số liệu, ảnh hưởng do có các lỗ đo áp suất, các vị trí có đồ gá cố định, các đường dây dẫn điện, các đường ống dẫn các tín hiệu đo, ảnh hưởng của hiệu ứng của tường bao ống khí động đến kết quả đo…
Kết luận về phương pháp sử dụng ống khí động học:
- Ƣu điểm: Có độ chính xác tốt, sử dụng đƣợc cho nhiều loại mô hình
v thiết bị bay khác nhau;
- Nhƣợc điểm: Chi phí lắp đặt thiết kế cao; chi phí vận h nh cao; giải quyết b i toán đồng dạng về số Reynolds (Re) v số Mach phức tạp về mặt kỹ thuật, công nghệ; đặc biệt đối với ống khí động tr n âm rất tốn kém n n hiện nay chỉ một số ít các nước ti n tiến về mặt khoa học v công nghệ, có tiềm lực kinh tế mới sở hữu các ống loại n y.
1.3.1.3. Phương pháp xác định hệ số đặc trưng khí động bằng phương pháp xử lý kết quả bắn thực nghiệm
Nội dung cơ bản của phương pháp n y l tiến h nh bắn thử nghiệm quả đạn. Sử dụng các cảm biến IMU v chụp ảnh tốc độ cao để thu thập các dữ liệu về tọa độ không gian v quá tải theo các trục. Các tham số n y l điều
kiện đầu v o để giải b i toán ngược phương trình động lực học bay. Nghiệm quá trình giải l bộ hệ số đặc trƣng khí động học của thiết bị bay.
Độ chính xác của phương pháp dựa tr n kết quả của quá trình xử lý số liệu v độ chính xác của phương pháp đo. Ở phương án n y, các sai số ngẫu nhi n v sai số phương pháp của phép đo tr n thực nghiệm coi như l rất nhỏ.
Khi đó, sai số của phương pháp l dưới 10% đối với hệ số lực cản chính diện.
Bước đầu tiên của phương pháp n y là bắn thực nghiệm quả đạn mô hình chỉ có hệ thống động cơ v cùng các cảm biến đƣợc lắp bên trong. Quả đạn mô hình phải đảm bảo đƣợc các yêu cầu chặt chẽ về hình dạng theo tỷ lệ 1:1. Điểm lưu ý trong phương pháp n y l ta chỉ quan tâm đến quan hệ của dòng khí chảy bao với bề mặt tên lửa, những yếu tố về phân bố khối lƣợng, hay trọng tâm quả đạn không ảnh hưởng đến bộ hệ số đặc trưng khí động thu thập đƣợc sau quá trình tính toán.
Phương pháp bắn thực nghiệm có thể sử dụng một động cơ phóng nhi n liệu rắn để phóng tên lửa từ bệ phóng v đƣa t n lửa đến một vận tốc xác định để đo các tham số cần thiết. Khi tên lửa chuyển động theo quán tính, không có lực đẩy của động cơ thì tiến hành thực hiện đo. Tên lửa thực nghiệm có biên dạng ngo i tương tự như t n lửa thật. Khối lượng m của tên lửa thực nghiệm biết trước, cũng như các mô men quán tính có thể đo được.
Để đo các tham số quỹ đạo thường sử dụng phương pháp chụp ảnh tốc độ cao để chụp quỹ đạo (đo các tham số x,y,z), và dùng cảm biến đo lường quán tính (IMU) gắn trong tên lửa thực nghiệm (đo các gia tốc nx, ny ,nz).
Kết luận về những ưu nhược điểm của phương pháp
- Ưu điểm: Cung cấp giải pháp xác định bộ hệ số khí động tương đối chính xác. Giá thành tiến hành thử nghiệm ở mức độ chấp nhận đƣợc trong điều kiện tiến hành thử nghiệm ở Việt nam nói chung v trong quân đội nói riêng;
- Nhược điểm: Điều kiện thử nghiệm phải đảm bảo độ an toàn cao, có phương án thử nghiệm chặt chẽ dưới sự giám sát của các cơ quan chức năng liên quan. Quá trình giải phương trình tuyến tính hóa Phương trình động lực học bay sẽ tích lũy sai số, nên kinh nghiệm xử lý các vấn đề toán học cũng có những đòi hỏi nhất định để giảm thiểu sai số tích lũy của phương pháp.
1.3.1.4. Phương pháp sử dụng các phần mềm mô phỏng khí động học
Những năm gần đây, nhờ sự phát triển của các công cụ toán cùng với sự phát triển của máy tính điện tử, đ thiết lập và dần dần hoàn thiện các phần mềm công nghiệp, sử dụng để giải các b i toán cơ học vật rắn, cơ học thuỷ khí, các b i toán động, b i toán tường minh v không tường minh, các bài toán tuyến tính và phi tuyến, các bài toán về trường điện từ, b i toán tương tác đa trường vật lý. ANSYS là một phần mềm mạnh được phát triển và ứng dụng rộng rãi trên thế giới, có thể đáp ứng các yêu cầu nói trên của cơ học. Trong tính toán thiết kế cơ khí, phần mềm ANSYS có thể liên kết với các phần mềm thiết kế mô hình hình học 2D v 3D để phân tích trường ứng suất, biến dạng, trường nhiệt độ, tốc độ dòng chảy, có thể xác định được độ mòn, mỏi và phá huỷ của chi tiết. Nhờ việc xác định đó, có thể tìm các thông số tối ƣu cho công nghệ chế tạo. ANSYS còn cung cấp phương pháp giải các bài toán cơ với nhiều dạng mô hình vật liệu khác nhau: đ n hồi tuyến tính, đ n hồi phi tuyến, đ n dẻo, đ n nhớt, dẻo, dẻo nhớt, chảy dẻo, vật liệu si u đ n hồi, siêu dẻo, các chất lỏng và chất khí …
ANSYS (Analysis Systems) là một gói phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis, FEA) hoàn chỉnh dùng để mô phỏng, tính toán thiết kế công nghiệp, đ v đang đƣợc sử dụng trên thế giới trong hầu hết các lĩnh vực kỹ thuật: kết cấu, nhiệt, dòng chảy, điện, điện từ, tương tác giữa các môi trường, giữa các hệ vật lý.
Ngoài ra, còn các phần mềm khác nhƣ Digital Datcom, Missile Datcom hoặc các phần mềm đƣợc phát triển bởi các tổ chức cá nhân khác cũng có thể sử dụng để tính toán mô phỏng khí động học.
- Ưu điểm: giá thành gói phần mềm phù hợp, mô phỏng n n độ phức tạp không cao như các phương pháp đ trình b y ở trên;
- Nhược điểm: độ chính xác còn hạn chế, đối tƣợng mô phỏng còn giới hạn. Mô phỏng các điều kiện môi trường thực tế còn gặp nhiều khó khăn.
Nhiều yếu tố trong quá trình sử dụng mang tính giả thiết cao.
1.3.1.5. Phương pháp xoáy rời rạc
Phương pháp xoáy rời rạc (PPXRR) dựa trên lời giải phương trình Laplace, có các giả thiết và giới hạn giống như phương pháp Panel. Tuy nhi n, có v i điểm khác biệt cơ bản l đối với PPXRR thường bỏ qua độ dày mặt nâng, giả thiết dòng chảy có cả xoáy…
Bản chất của PPXRR là thay thế cánh bằng màn xoáy và xem sự tương tác của dòng khí lên cánh giống như sự tương tác của dòng khí lên màn xoáy.
Phương pháp đ rời rạc hóa m n xoáy th nh các đoạn xoáy liên kết trên cánh v các đoạn xoáy tự do ngoài cánh, lưu số vận tốc v cường độ trên từng đoạn xoáy l không đổi. Khi biết được cường độ của các đoạn xoáy sẽ xác định đƣợc phân bố áp suất trên cánh, từ đó xác định đƣợc lực khí động, mô men và các hệ số khí động tương ứng. Lưu số vận tốc của các đoạn xoáy được xác định nhờ 2 nhóm hệ phương trình được thiết lập từ điều kiện không chảy thấu bề mặt cánh; ti n đề Tralưghin-Guicốpxki v điều kiện bảo to n lưu số vận tốc theo chu tuyến kín [13], [26], [27].
PPXRR thường sử dụng theo 2 cách: xoáy rời rạc tuyến tính và xoáy rời rạc phi tuyến. Với xoáy rời rạc tuyến tính thì màn xoáy tự do hình thành sau cánh có là hình dạng phẳng v không thay đổi khi thay đổi điều kiện bay, với xoáy rời rạc phi tuyến m n xoáy hình th nh sau cánh đƣợc mô phỏng nhƣ vị
trí thực của nó trong không gian. Theo đó, khi cánh chuyển động trong không gian, với những góc tấn nhỏ màn xoáy tạo thành sau mặt tạo lực thay đổi không đáng kể khi điều kiện bay thay đổi, có thể sử dụng xoáy rời rạc tuyến tính mà vẫn đảm bảo độ chính xác cần thiết. Tuy nhiên, thực tế màn xoáy tự do hình thành sau cánh có hình dạng, vị trí thay đổi theo thời gian cũng nhƣ điều kiện bay và nó ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính khí động của cánh, có thể nhận thấy rõ điều đó ở chế độ bay với góc tấn lớn. PPXRR phi tuyến không dừng sử dụng phương trình chuyển động chất lỏng dạng tích phân Côsi-Lagrăng (cho dòng không dừng), do vậy sẽ thu đƣợc đặc tính khí động của cánh chính xác hơn v mô tả bức tranh dòng chảy qua cánh hoàn chỉnh hơn.
Kết luận về phương pháp
- Ưu điểm: PPXRR thường được các nhà nghiên cứu khí động học
trong v ngo i nước sử dụng. Phương pháp có thuật toán đơn giản, độ tin cậy tính toán cao, thời gian tính toán khá nhanh.
- Nhược điểm:
+ Khó mô phỏng những cấu hình phức tạp, phân chia dây xoáy để rời rạc hóa khá công phu và gây ra những sai lệch nhất định;
+ Phải áp dụng một số giả thiết để đơn giản hóa bài toán: coi dòng khí
lý tưởng, bỏ qua yếu tố thể tích, giới hạn tính toán ở vùng tốc độ nhỏ (không nén đƣợc), không tiếp cận đƣợc tất cả các điều kiện biên phức tạp..
+ Không tính toán đƣợc lực cản, vị trí tách dòng... 1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Hiện nay, việc tính toán bộ hệ số khí động được tiến h nh thường xuyên trong công tác nghiên cứu, đặc biệt là ứng dụng trong lĩnh vực xây dựng. Tính toán tải trọng gió để từ đó có những giải pháp thiết kế nhằm tăng độ an toàn cho
các kỹ sư trong nước tính toán chủ yếu dựa trên kinh nghiệm và
các phương pháp tính toán thông dụng trên thế giới. Như sử dụng phần mềm mô phỏng, dựa tr n các phương pháp tính bán thực nghiệm, phương pháp xoáy rời rạc,… hoặc kết hợp nhiều phương pháp tr n [1÷10]. Ví dụ, với phương pháp sử dụng ống khí động trên âm, hiện nay tại Học viện kỹ thuật quân sự đ nghi n cứu chế tạo một ống khí động loại này, cho ra dòng chảy bao với vận tốc lên tới 2M. Nhưng do đường kính khoang làm việc chỉ ~1 cm nên khả năng ứng dụng không đáng kể khi thực nghiệm đo hệ số khí động dòng tên lửa Igla. Phương pháp nhận diện hệ số khí động bằng phương pháp bắn thực nghiệm đ đƣợc tiến hành tại đề t i: ―Nghi n cứu phân tích thiết kế hệ thống động cơ của tên lửa Igla‖ thuộc đề án KCI, chủ nghiệm đề tài TS. Mai Khánh, đề t i đưa ra được phương pháp luận và tính toán hệ số khí động khá đầy đủ, có độ chính xác đạt các chỉ tiêu chung của đề tài. Ngoài ra còn có bài báo về nhận diện hệ số khí động bằng phương pháp bắn thực nghiệm đăng tại tạp chí Viện Khoa học và Công nghệ quân sự của tác giả Mai Duy Phương, Phạm Vũ Uy [7], về cơ bản các phương án nhận diện n y đều đ đưa ra được thuật toán nhận diện khá đầy đủ, song vẫn chưa đưa ra được phương án xử lý sai số của kết quả đo đạc. Dữ liệu đầu vào của quá trình nhận diện. Cụ thể như: sai số số liệu đo đạc được do các yếu tố: con người, sai số do thiết bị.
Sai số do thiết bị đo chủ yếu do hai yếu tố: GPS và Mem. Hiện nay tác giả Mai Duy Phương đ ho n thiện việc xử lý sai số do yếu tố Mem. Yếu tố GPS chưa được đề cặp tới [7]. Về phương án xác định hệ số khí động bằng phần mềm mô phỏng khí động học ANSYS, ở trong nước hiện nay có rất nhiều cơ sở sử dụng phần mềm n y để tính toán xác định các hệ số khí động học cho khí cụ bay nói chung nhƣ: trung tâm DASI – Đại học bách khoa, học viện kỹ thuật quân sự, hay trung tâm h ng không vũ trụ Viettel, v.v… Xong các cơ sở nghiên cứu này hầu hết chƣa có các công trình công bố với dòng khí cụ bay tr n âm, v đặc biệt là lớp TLPKTT kiểu I, duy nhất tại Viện Tên lửa/