Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ĐỘ BỀN THÂN VÀ CÁNH TÊN LỬA ĐỐI HẢI
1.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Ở trong nước, việc nghiên cứu bài toán đàn hồi, dao động, ổn định của thân cánh tên lửa tuy bắt đầu khá muộn so với các nước khác trên thế giới, nhưng cũng có nhiều nhà khoa học quan tâm và đạt được những kết quả nhất định.
Trong [27], nhóm tác giả đã tiến hành nghiên cứu khí động học của khí cụ bay, nghiên cứu dòng chảy bao quanh vật thể, phân vùng tốc độ bay. Kết quả nghiên cứu đã đưa ra bức tranh vật lý dòng chảy bao xung quanh vật thể rắn và khi chảy bao quanh vật thể rắn, dòng chảy không khí sẽ bị biến dạng, dẫn đến sự biến đổi của vận tốc, áp suất, nhiệt độ và tỉ trọng các tia nhỏ của dòng chảy. Từ đó, nhóm tác giả đã nghiên cứu các đặc trưng hình học của bề mặt nâng của khí cụ bay, như cánh nâng, profile cánh, đặc trưng hình học của thân bao gồm phần đầu của vật thể tròn xoay có dạng hình nón, dạng parabol, phần thân hình trụ và phần đuôi dạng côn. Từ đó xây dựng phương pháp tính các lực và mômen khí động của khí cụ bay và tổng hợp các lực khí động tác dụng lên khí cụ bay khi chúng tương tác với dòng chảy ngoài. Đồng thời, trong tài liệu này nhóm tác giả cũng nghiên cứu phương pháp xác định đặc trưng khí động của khí cụ bay làm cơ sở để tính toán các hệ số lực nâng, tính toán lực nâng, lực điều khiển cánh lái khí cụ bay.
Trong [26], nhóm tác giả đã nghiên cứu phương pháp xác định một số thông số khí động của TLĐH trong môi trường ANSYS CFX. Công trình đã đưa ra phương pháp mô phỏng số trong CFX mô tả dòng chảy bao quanh thân cánh TLĐH,
kết quả nhận được các hệ số lực nâng phụ thuộc vào góc tấn và tốc độ bay và so sánh với kết quả của phương pháp bán thực nghiệm cho sai số chấp nhận được.
Trong tài liệu này, mô hình thân cánh TLĐH được chia lưới gồm các phần tử tam giác phẳng được xấp xỉ cho các bề mặt cong của thân và cánh. Lưới được chia không đều cho các vùng của thân và cánh tên lửa, theo nguyên lý những vùng quan tâm thì mật độ lưới càng dày và kích thước phần tử tam giác càng nhỏ để đảm bảo độ chính xác của kết quả tính toán theo phương pháp PTHH.
Trong [5], nhóm tác giả đã nghiên cứu và đưa ra phương pháp thiết kế đạn đạo TLĐH. Kết quả nghiên cứu nhóm tác giả đã trình bày cơ sở lý thuyết và đưa ra hệ phương trình chuyển động của khí cụ bay phục vụ tính toán động lực học tên lửa, đã đề xuất số liệu đầu vào trong bài toán thiết kế đạn đạo tên lửa, đề xuất sơ đồ khối thuật toán thiết kế đạn đạo TLĐH phục vụ tính toán quỹ đạo tên lửa trong giai đoạn thiết kế sơ bộ. Đồng thời, nhóm tác giả cũng nghiên cứu mô phỏng động lực học bay trong môi trường Malab-Simulink kết hợp với công cụ phần mềm chuyên dụng FDC 1.3 (Fligh Dynamic Control). Trên cơ sở mô phỏng động lực học của thiết bị bay có điều khiển cho phép không chỉ xác định các tham số của hệ thống điều khiển mà còn đánh giá ảnh hưởng của các tham số thiết kế đặt ra.
Trong các tài liệu [6] và [22], nhóm tác giả đã nghiên cứu tính toán kết cấu, độ bền và thiết kế kết cấu khí cụ bay. Trong các công trình nghiên cứu này đã trình bày kết quả và đặc tính chung kết cấu thiết bị bay, phương pháp xác định tải trọng tác dụng lên kết cấu thân cánh tên lửa, trình bày sâu về các phần tử kết cấu điển hình, trạng thái làm việc của chúng, phân tích độ bền và khả năng chịu tải của các kết cấu thiết bị bay, đã đưa ra sơ đồ, phương pháp tính độ bền, độ ổn định, độ cứng vững các phần tử của thân, vỏ, cánh lái, cánh nâng và các chi tiết, cụm chi tiết của thiết bị động lực của thiết bị bay.
Trong các tài liệu [19] và [20], nhóm tác giả đã nghiên cứu tính toán tải trọng khí động tác dụng lên cánh lái vật bay dưới âm và tính toán thiết kế cụm cánh lái - khung thân vật bay chịu tải trọng khí động. Trong công trình này nhóm tác giả đã xây dựng mô hình tính toán cụm cánh lái - khung thân, giả thiết cánh lái là tấm
côngxôn phẳng xoay được nằm trên trục và có mặt phẳng giữ cánh song song với trục thân vật bay. Trục quay nằm trên gối trượt và nối với trục của máy lái qua thanh truyền. Cánh lái được ghép nối với khung đỡ cánh qua trục quay và tai đỡ ngõng trục. Khung thân vừa đảm nhiệm đỡ cánh lái và có chức năng ghép nối với vỏ vật bay của khoang máy lái và các khoang khác của thân vật bay. Kết quả nghiên cứu đã đưa ra phương pháp tính toán thiết kế cụm cánh lái - trục quay - khung đỡ thân cánh - ổ trượt - tai đỡ ngõng trục phục vụ tính toán thiết kế thân cánh TLĐH.
Trong tài liệu [21], nhóm tác giả đã giải bài toán dao động riêng của tấm mỏng có chiều dày thay đổi và hình dạng phức tạp bằng phương pháp PTHH khi sử dụng phần tử tấm phẳng dạng tam giác. Kết quả đã tìm thấy tần số dao động riêng của các loại tấm mỏng hình chữ nhật, hình thang, hình tam giác phục vụ cho tính toán thiết kế cánh lái, cánh nâng của TLĐH.
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển nhảy vọt của kỹ thuật tính toán và công cụ tính toán, rất nhiều bài toán mà trước đây chỉ sử dụng các phương pháp giải tích [6], [20], [22], [42], [47], [48], [50] và [51], thì nay có thể thực hiện được bằng phương pháp số trên máy tính điện tử, trong đó phương pháp sai phân hữu hạn, phương pháp PTHH, phương pháp phần tử biên.
Tư tưởng cơ bản của phương pháp sai phân hữu hạn là biểu thị các đạo hàm hoặc đạo hàm riêng trong phương trình bằng hiệu của các giá trị hàm tương ứng giữa một khoảng chia hữu hạn. Tại mỗi điểm chia của các khoảng gọi là lưới có thể viết một phương trình biểu thị phương trình vi phân bằng sai phân hữu hạn. Cùng với điều kiện cũng được biểu thị bằng sai phân hữu hạn, người ta có thể thiết lập một hệ phương trình đại số cho phép xác định các giá trị bằng số hàm cần tìm tại những điểm tính. Quá trình tính toán không đòi hỏi những biến đổi toán học phức tạp và rất thuận lợi cho việc lập trình trên máy tính.
Tư tưởng của phương pháp PTHH là trên cơ sở của nguyên lý năng lượng tối thiểu sử dụng phương pháp nội suy qua các hàm xấp xỉ chuyển vị, điều kiện cân bằng phân tố được thay thế bằng điều kiện cân bằng phần tử có kích thước hữu hạn, với số bậc tự do hữu hạn, từ đó thay các phương trình vi phân cân bằng bởi hệ
phương trình vi phân đại số tuyến tính, các quan hệ vật lý được biểu diễn dưới dạng ma trận phù hợp với ngôn ngữ máy tính.
Phương pháp phần tử biên tìm lời giải cho phương trình cơ bản của bài toán được đặt dưới dạng tích phân Green của các phương trình vi phân trên miền đang được xét. Tuy nhiên, khác với phương pháp PTHH cho các giá trị bằng số của hàm cần tìm tại các điểm nút trên toàn miền đã được rời rạc hóa của miền đang xét, rồi sau đó tiếp tục tính toán cho các điểm trong miền. Phương pháp phần tử biên bắt nguồn từ phương trình tích phân biên và phát triển nhờ tiếp thu ý tưởng rời rạc hóa miền lấy tích phân của phương pháp PTHH. Mặc dù cơ sở toán học và thuật toán tương đối khó, ma trận của hệ phương trình đại số là ma trận đầy, phương pháp phần tử biên cũng đã được quan tâm và sử dụng ngày càng nhiều trong tính toán kết cấu.
Do có tính tổng quát cao nên phương pháp PTHH nhanh chóng được ứng dụng rộng rãi, nhiều bộ chương trình tính toán rất mạnh được dùng để tính toán kết cấu dạng thanh, tấm, vỏ. Thuật toán phương pháp PTHH đã được nhiều tác giả trên thế giới và trong nước xây dựng tương đối hoàn chỉnh [30], [33], [36] … Trong điều kiện như vậy, việc tính toán kết cấu thân vỏ, cánh tên lửa không còn gặp khó khăn lớn do hình dạng, tải trọng và điều kiện biên phức tạp gây nên. Nhiều mô hình kết cấu hỗn hợp gồm hai hay nhiều loại phần tử thanh, tấm, vỏ làm việc đồng thời đã được xây dựng để giải bài toán tĩnh và động. Tuy nhiên, đi sâu vào các bài toán độ bền kết cấu dạng tấm vỏ hỗn hợp chịu tác động của lực khí động hay ảnh hưởng của động lực học bay đến sự làm việc của kết cấu thân cánh tên lửa, thì số lượng các nghiên cứu theo phương pháp số còn rất hạn chế.
Trong các tài liệu [8], [17] các tác giả đã nghiên cứu, tính toán và đề xuất một số phương án sử dụng các quỹ đạo bay cơ động phức tạp (cơ động kiểu lượn sóng, cơ động kiểu xoắn ốc) nhằm tăng cường khả năng tác chiến của TLĐH nhằm vượt hỏa lực phòng không của tàu đối phương. Tuy nhiên việc tính toán, kiểm tra độ bền của thân và cánh tên lửa trong các trường hợp cơ động theo các quỹ đạo đó chưa được đề cập đến.
Hình 1.2. Quỹ đạo kiểu lượn sóng của TLĐH trong mặt phẳng ngang Căn cứ các nội dung, tình hình và kết quả nghiên cứu được trình bày trong các công trình khoa học đã được công bố của các tác giả trong và ngoài nước, có thể thấy một số vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu sau đây:
- Xây dựng mô hình toán nhằm nâng cao độ chính xác, phù hợp với tính chất làm việc thực tế của kết cấu thân, cánh tên lửa.
- Hoàn thiện mô hình và phương pháp tính toán quỹ đạo chuyển động của tên lửa.
- Sử dụng thuật toán phương pháp PTHH và đi sâu nghiên cứu giải các bài toán độ bền kết cấu thân, cánh tên lửa.
- Nghiên cứu khảo sát, đánh giá ảnh hưởng của một số tham số động học và động lực học đến sự làm việc của kết cấu thân cánh TLĐH.
- Nghiên cứu đánh giá độ bền của thân và cánh tên lửa trong một số trường hợp cơ động theo các quỹ đạo đặc biệt ứng dụng trong tác chiến nâng cao khả năng
Hình 1.1. TLĐH cơ động hình xoắn ốc trong không gian