Nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh tới đặc tính khí động của máy bay trong quá trình hạ cánh

..

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ QUỐC PHÒNG
VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ QN SỰ
----------------------------------

NGUYỄN ĐÌNH SƠN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA GIĨ CẠNH
TỚI ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG CỦA MÁY BAY
TRONG QUÁ TRÌNH HẠ CÁNH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ QN SỰ
----------------------------------

NGUYỄN ĐÌNH SƠN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA GIĨ CẠNH
TỚI ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG CỦA MÁY BAY
TRONG Q TRÌNH HẠ CÁNH
Chun ngành:

Kỹ thuật cơ khí động lực

Mã số:

62 52 01 16

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS Phạm Vũ Uy
2. GS. TSKH Nguyễn Đức Cương

Hà Nội - 2014


i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả
nghiên cứu và các số liệu sử dụng trong luận án là trung thực, chưa từng được
ai công bố ở trong bất kỳ cơng trình nào khác.

NGHIÊN CỨU SINH

Nguyễn Đình Sơn


ii

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin trân trọng cảm ơn hai Thầy giáo:
- PGS. TS. Phạm Vũ Uy
- GS. TSKH. Nguyễn Đức Cương
đã tận tình hướng dẫn, động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tơi hồn
thành được luận án này.
Tôi xin trân trọng cảm ơn Viện Khoa học và Cơng nghệ Qn sự; Viện
Tên lửa; Học viện Phịng khơng-Khơng quân; Viện Kỹ thuật Quân sự PK-KQ;
Học viện Kỹ thuật Quân sự; Phòng ĐCTBPL-Viện Tên lửa; Trung tâm DASIĐH Bách khoa Hà Nội và Phòng MBĐC-Viện Kỹ thuật Quân sự PK-KQ đã tạo
mọi điều kiện giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn đến các thầy giáo Trong Viện Tên lửa, các
đồng chí trong các cơ quan quản lý của Viện Tên lửa, Phòng Đào tạo và Ban
sau đại học-Viện KH & CN Quân sự đã cho tôi những lời khuyên quý báu,
những điều kiện thực hiện các học phần và luận án tốt nhất.
Tơi xin chân thành cảm ơn gia đình, những người bạn và đồng nghiệp đã
nhiệt tình giúp đỡ tơi trong suốt quá trình thực hiện luận án này.

Nghiên cứu sinh


iii

MỤC LỤC
Lời cam đoan

i

Mục lục

iii

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

vi

Danh mục các bảng

xiv

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

xv

MỞ ĐẦU

1

CHƯƠNG 1. Tổng quan về ảnh hưởng của gió cạnh đến đặc tính khí
động của máy bay, các phương pháp nghiên cứu

8

1.1. Một số đặc điểm dịng khí chảy bao ở vùng vận tốc nhỏ khi có ảnh
hưởng của gió cạnh

8

1.2. Tình hình nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh tới đặc tính khí
động của máy bay ở vùng vận tốc nhỏ

9

1.2.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngồi

9

1.2.2. Tình hình nghiên cứu ở trong nước

13

1.3. Tổng quan các phương pháp xác định đặc tính khí động của máy
bay

14

1.3.1. Xác định đặc tính khí động của máy bay bằng phương pháp giải
tích

15

1.3.2. Phương pháp nghiên cứu thử nghiệm.

15

1.3.3. Xác định đặc tính khí động của máy bay bằng phương pháp số

17

1.4. Các nội dung đề tài cần nghiên cứu và phương pháp thực hiện

21

1.4.1. Các nội dung đề tài cần nghiên cứu

21

1.4.2. Lựa chọn phương pháp thực hiện đề tài nghiên cứu

22

Kết luận chương 1

28

CHƯƠNG 2. Mơ hình bài tốn xác định đặc tính khí động của máy
bay

29


iv

2.1. Mơ hình tốn xác định đặc tính khí động của máy bay bằng
phương pháp xoáy rời rạc, phi tuyến trong dịng chảy bao dừng
2.1.1. Mơ hình tính tốn theo sơ đồ cánh phẳng đơn

29
29

2.1.2. Mơ hình tốn xây dựng bằng phương pháp xốy rời rạc cho

máy bay có cấu hình khơng gian phức tạp

31

2.1.3. Áp dụng mơ hình tốn xác định một số đặc tính khí động của
máy bay L-39 bằng phương pháp xoáy rời rạc

36

2.2. Phương pháp xác định đặc tính khí động của máy bay bằng Ansys

38

2.2.1. Phương pháp giải số ứng dụng trong Ansys

38

2.2.2. Phương pháp giải bài tốn xác định một số đặc tính khí động
của máy bay bằng Ansys

40

2.3. Kết quả khảo sát đặc tính lực nâng của máy bay L-39 bằng
phương pháp xốy rời rạc và bằng Ansys. Một số nhận xét, đánh
giá

45

Kết luận chương 2

49

CHƯƠNG 3. Xây dựng mơ hình tốn xác định đặc tính khí động của
máy bay với cấu hình cất, hạ cánh

50

3.1. Xây dựng mơ hình khơng gian bài tốn chảy bao cánh nâng cơ sở
có tính đến trượt cạnh bằng phương pháp xốy rời rạc

50

3.2. Xây dựng mơ hình tốn xác định đặc tính khí động của máy bay
với cấu hình cất, hạ cánh bằng phương pháp xốy rời rạc

64

3.2.1. Nguyên tắc ghép nối không đồng phẳng

64

3.2.2. Xây dựng mơ hình cánh tà ở vị trí thả

66

3.2.3. Xây dựng mơ hình càng ở vị trí thả

67

3.3. Khảo sát đặc tính lực nâng Cy máy bay L-39 khi hạ cánh với cấu

hình cất, hạ cánh bằng phương pháp xốy rời rạc và bằng Ansys
Kết luận chương 3

69
72


v

CHƯƠNG 4. Nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh đến đặc tính khí
động của máy bay trong q trình hạ cánh

73

4.1. Khảo sát ảnh hưởng của gió cạnh đến một số đặc tính khí động
của máy bay L-39 khi hạ cánh. Xây dựng mối liên hệ cân bằng
giữa các góc điều khiển với góc trượt cạnh

73

4.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của gió cạnh đến một số đặc tính khí động
của máy bay L-39 khi hạ cánh

73

4.1.2. Xây dựng mối liên hệ cân bằng giữa các góc điều khiển cánh lái
hướng δH và cánh lái liệng δL với góc trượt cạnh β khi hạ cánh

78

4.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh phụ thuộc vào vận tốc hạ
cánh. Xây dựng miền vận tốc an toàn cho máy bay L-39 khi hạ
cánh có trượt cạnh

83

4.2.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh phụ thuộc vào vận tốc hạ
cánh

83

4.2.2. Xây dựng miền vận tốc an tồn cho máy bay L-39 khi hạ cánh
có trượt cạnh

85

4.3. Khảo sát ảnh hưởng của gió cạnh đến quĩ đạo hạ cánh của máy
bay. Một số giải pháp hạn chế ảnh hưởng của gió cạnh

87

4.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của gió cạnh đến quĩ đạo hạ cánh của máy
bay

87

4.3.2. Một số giải pháp hạn chế ảnh hưởng của gió cạnh đến q trình
hạ cánh của máy bay

96

Kết luận chương 4

98

KẾT LUẬN

99

Danh mục các cơng trình khoa học đã công bố

101

Tài liệu tham khảo

102

Phụ lục

112


vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
a

Vận tốc âm thanh [m/s];

[Ae]

Ma trận phần tử;

aij

Các giá trị trong các ma trận hệ số;

a kk1pp1

Các hệ số của phương trình đảm bảo không chảy thấu;

ax , ay

Gia tốc tiếp đất theo chiều ngang và chiều thẳng đứng của
máy bay khi hạ cánh [m/s2];

b

Dây cung trung bình cánh;

bi

Điều kiện ban đầu thay đổi có tính đến các yếu tố điều
chỉnh đối với nút i;

BT

Chỉ số chỉ trường hợp bay thử nghiệm máy bay;

bk

Dây cung cánh tại mặt cắt k [m];

b (pp)1

Dây cung trung bình của tứ giác khảo sát;

bm

Dây cung mút cánh [m];

bo

Dây cung gốc cánh [m];

b pp1m

Chiều dài không thứ nguyên của phần tử mặt nâng m của
máy bay (theo trục 0x);

1
Bpp
s

Tích vơ hướng của véc tơ đơn vị dịng khơng nhiễu động và
véc tơ pháp tuyến với mặt nâng cơ sở tại các điểm kiểm tra;

Cx

Hệ số lực cản;

Cy

Hệ số lực nâng;

Cz

Hệ số lực cạnh;

Cz , mx , my

Đạo hàm của hệ số lực cạnh, mô men nghiêng cánh và mơ
men hướng theo góc trượt cạnh [1/rad];

C z H , m xH , m yH

Đạo hàm của hệ số lực cạnh, mơ men nghiêng cánh và mơ
men hướng theo góc nghiêng cánh lái hướng [1/rad];

C

Hệ số tức thời và hệ số trung bình đối với biến  ;


vii

1
C pp


Tích vơ hướng của véc tơ đơn vị của dịng khơng nhiễu động
với véc tơ pháp tuyến của mặt nâng tại các điểm kiểm tra;

F

Ngoại lực tác động lên một đơn vị khối lượng [N];

Fs

Lực ma sát [N];

g

Gia tốc trọng trường [m/s2];

G

Trọng lượng máy bay [kg];

h

Độ cao của máy bay trong quĩ đạo khi hạ cánh [m];

i

Chỉ số nút thứ i;

ix, iy, iz

bán kính mơ men qn tính;

Jx, Jy, Jz

Mơ men qn tính khối lượng;

( i , j, k )

Véc tơ đơn vị hệ trục tọa độ 0xyz;

k

Chỉ số chỉ các mặt cắt dọc trên cánh;

k-ε, k-Ω

Mơ hình chảy rối k-ε, k-Ω;

L

Sải cánh [m];

LMB

Sải cánh máy bay thực [m];

LTN

Sải cánh của mơ hình trong phịng thí nghiệm [m];

L-39

Ký hiệu máy bay huấn luyện hai buồng lái;

Lth

Chiều dài thân máy bay [m];

lo

Độ dài dây xoáy [m];

l 0kk1

Độ dài dây xoáy ngang [m];

l0kk1

Độ dài dây xốy dọc [m];

l (pp)1

Sải trung bình của tứ giác khảo sát [m];

cos(l, x)kk 1

Cosin chỉ hướng đoạn xoáy ngang theo trục 0x;

cos(l, x ) k1k

Cosin chỉ hướng đoạn xoáy dọc theo trục 0x;

M

Số Mach;

m

Tứ giác nâng cơ sở thứ m;


viii

Mx

Mô men nghiêng cánh [Nm];

My

Mô men hướng [Nm];

Mz

Mô men chúc ngóc [Nm] ;

mx

Hệ số mơ men nghiêng cánh;

my

Hệ số mơ men hướng ;

mz

Hệ số mơ men chúc ngóc;

M(xo,yo,zo)

Tọa độ điểm M trong không gian lân cận cánh;

Mx(δ)

Mô men nghiêng cánh do trượt cạnh gây ra [Nm];

My(δ)

Mô men hướng do trượt cạnh gây ra [Nm];

My(δL)

Mô men hướng do lệch cánh lái liệng gây ra [Nm];

mx(δ)

Hệ số mô men nghiêng cánh do gió cạnh gây ra;

my(δ)

Hệ số mơ men hướng do gió cạnh gây ra;

N

Số dải xoáy trên tấm nâng cơ sở;

n

Số các sợi xoáy ngang trên mỗi dải xoáy;

Nm

Số dải xoáy dọc trên tứ giác thứ m;

nm

Số xoáy ngang trong từng dải xoáy trên tứ giác thứ m;

nI, nII, n'II

Lần lượt là số tiết diện dùng để mơ hình hóa các dây xoáy
tự do trong hệ I, II và II';

nm

véc tơ pháp tuyến của mặt phẳng chứa tứ giác khảo sát;

Oxyz

Hệ trục tọa độ liên kết khơng tiêu chuẩn (có trục Ox ngược
với trục Ox trong hệ trục tọa độ thuận);

p

Chỉ số điểm được kiểm tra thuộc mặt cắt dọc p;

po

Áp suất dịng khơng nhiễu động [Pa];

pH

Áp suất mơi trường [Pa];

pPQT, pQRT

Nửa chu vi các tam giác PQT, QRT thuộc tứ giác khảo sát
PQRT [m];

r

Các yếu tố điều chỉnh;

Re

Số Rây-non;


ix

S

Diện tích cánh nâng [m2];

SS

Sai số;

S, SMB, STN

Tỷ số giữa vận tốc âm thanh a và độ nhớt động ν của
khơng khí, S=a/ν [1/m];

S

Điều kiện ban đầu (nguồn) của biến  ;

S01kk1

Diện tích tứ giác khảo sát;

s

Khoảng cách máy bay từ độ cao khảo sát ban đầu đến điểm
đang khảo sát [m];

sign()

Hàm dấu của góc trượt cạnh ;

T

Nhiệt độ tuyệt đối [K];

TN

Chỉ số chỉ trường hợp thử nghiệm trên mô hình trong ống
khí động;

To

Nhiệt độ tuyệt đối ở điều kiện tiêu chuẩn, To=273,15 [K];

t

Nhiệt độ lưu chất [oC];

tH

Nhiệt độ môi trường [oC];

td

Chỉ số chỉ tỷ lệ tương đối;

U,

Vận tốc của lưu chất [m/s];

Uo

Vận tốc dịng khơng nhiễu động [m/s];

uo

Vận tốc dịng chảy khơng nhiễu động dạng khơng thứ
ngun;

uo

Véc tơ đơn vị dịng khơng nhiễu động;

u d1 , u d 2

Véc tơ chỉ phương của các đường pháp tuyến d1, d2;

u PQ , u PT

Véc tơ chỉ phương của đoạn xoáy PQ, PT;

V

Vận tốc bay [m/s];

Vx

Vận tốc theo chiều ngang khi máy bay hạ cánh [m/s];

Vy

Vận tốc theo chiều thẳng đứng khi máy bay hạ cánh [m/s];

V xi; Vyi; Vzi

Các thành phần vận tốc tại nút i;


x







V ,V ,V
xi

yi

zi

Các giá trị vận tốc xấp xỉ tại nút i theo phương x, y, z;

W

Vận tốc nhiễu động; cường độ gió cạnh [m/s];

Wx, Wy, Wz

Các thành phần của vận tốc nhiễu động [m/s];

We

Hàm bổ sung đặc biệt cho các phần tử e;

X

Lực cản [N];

xF, zF

Tọa độ tiêu điểm khí động theo trục 0x và 0z [m];

xµk, yµk, zµk

Tọa độ đầu mút các xoáy [m];

x 0k 1 , y 0k1 , z 0k1

Tọa độ điểm giữa xoáy ngang [m];

x k1k , yk1k , z k1k

Tọa độ điểm giữa các đoạn xoáy dọc trên cánh [m];

1
1
x pp
, y pp
, z 0pp1
0

0

Tọa độ các điểm kiểm tra [m];

x1 ; y1 ; z1

Ký hiệu tọa độ véc tơ chỉ phương của đoạn xoáy PQ;

x2 ; y2 ; z2

Ký hiệu tọa độ véc tơ chỉ phương của đoạn xoáy PT;

xm ; ym ; zm

Ký hiệu tọa độ của véc tơ pháp tuyến mặt phẳng chứa tứ
giác khảo sát;

x 1 , y1 , z1

Tọa độ đầu mút dây xốy dạng khơng thứ ngun;

x 2 , y2 , z 2

Tọa độ cuối dây xoáy dạng không thứ nguyên;

Y

Lực nâng [N];

Z

Lực cạnh [N];

Zβ

Lực cạnh do trượt cạnh gây ra [N];

Γ

Lưu số vận tốc dạng không thứ nguyên;

+

Lưu số vận tốc [m2/s];

kk 1

Lưu số vận tốc xoáy ngang liên kết [m2/s];

p 1
pm

Lưu số vận tốc xoáy ngang liên kết mặt nâng thứ m [m2/s];

k1k

Lưu số vận tốc xoáy dọc liên kết [m2/s];


xi

pm1p

Lưu số vận tốc xoáy dọc liên kết mặt nâng thứ m [m2/s];



Hệ số khuyếch tán;

ΔCy_td

Sai số tương đối hệ số lực nâng Cy giữa hai bước tính;

( p)

lm

Bề rộng không thứ nguyên của phần tử mặt nâng thứ m của
máy bay (theo trục Oz);

Δs

Độ lệch tính tốn giữa hai bước tính;

Δα

Lượng thay đổi góc tấn giữa hai bước tính [rad];

Δ

Lượng thay đổi góc trượt cạnh giữa hai bước tính [rad];

(k1)

Lưu số vận tốc của xoáy dọc tự do vùng I;

(2) , ((2) )'

Lưu số vận tốc của các xoáy ngang tự do vùng II và II';

p

Tải khí động dạng khơng thứ ngun;
p 1

p p

 1p

Tải khí động ngang dạng khơng thứ ngun;

p p

Tải khí động dọc dạng khơng thứ nguyên;



Biến trong các ma trận;

Ψ

Góc hướng quĩ đạo [rad];

Ωx1, Ωy1, Ωz1

Góc giữa véc tơ chỉ phương i , j và k của các trục tọa độ
0x, 0y và 0z với véc tơ chỉ phương của đường pháp tuyến
với xoáy ngang;

Ωx2, Ωy2, Ωz2

Góc giữa véc tơ chỉ phương i , j và k của các trục tọa độ
0x, 0y, 0z với VTCP của đường pháp tuyến với xốy dọc;

α

Góc tấn [rad];

αs

Góc tấn tại bước tính s [rad];



Góc trượt cạnh [rad];

βi

Góc trượt cạnh tại bước tính i [rad];

xii

β*

Góc trượt cạnh ở giới hạn nguy hiểm [rad];

γ

Góc nghiêng máy bay trong hệ tọa độ liên kết [rad];

γc

góc nghiêng máy bay trong hệ tọa độ tốc độ [rad];

 pp1

Cường độ của lưu số vận tốc xoáy ngang [1/s];

 p1p

Cường độ của lưu số vận tốc xốy dọc [1/s];

δ

Góc thổi của gió cạnh [rad];

H

Góc lệch cánh lái hướng [rad];

L

Góc lệch cánh lái liệng [rad];

ε

Chỉ số điểm kiểm tra;

µ

Độ nhớt động lực [kg/m/s];

µo

Độ nhớt động lực tại điều kiện tiêu chuẩn [kg/m/s];

µ, k, m

Chỉ số của xốy liên kết;

v

Độ nhớt động khơng khí [m2/s];

ν, p, s

Chỉ số của các điểm kiểm tra;

ρ

Mật độ khơng khí [kg/m3];

ρo

Mật độ khơng khí ở điều kiện tiêu chuẩn [kg/m3];

k ka1c , 1kakc

Các thành phần vận tốc cảm ứng do xoáy đơn vị tạo ra tại
điểm tính tốn;

χ

Góc mũi tên của cánh nâng [rad];

 ppm1

Góc mũi tên các xoáy ngang trên mặt nâng thứ m của máy
bay [rad];

ψ

Góc lệch quĩ đạo [rad];

o

Vận tốc tương đối khơng thứ nguyên;



Vận tốc cảm ứng không thứ nguyên;

 x , y , z

Các thành phần của vận tốc cảm ứng khơng thứ ngun;

I, II, II'

Các hệ xốy tự do vùng I (mép sau), vùng II (mép phải) và
vùng II' (mép trái) của cánh nâng cơ sở;


xiii

Ansys

Phần mềm Ansys (Analysis Systems);

CAD

Thiết kế được hỗ trợ bằng máy tính (Computer-Aided
Design)

CFD

Động lực học dịng chảy tính tốn (Computational Fluid
Dynamic);

HUST

Đại học Bách khoa Hà Nội (Hanoi University of Science &
Technology);

KCB

Khí cụ bay;

KTSD

Khai thác sử dụng;

LH

Lái hướng;

LL

Lái liệng;

Matlab

Phần mềm máy tính Matlab (Maxtrix Laboratory);

MHI

Cơng nghiệp nặng Mít-su-bi-si (Mitsubishi heavy Industries);

NASA

Cơ quan Hàng không và Vũ trụ quốc gia (National
Aeronautics and Space Administration);

NACA

Ủy ban tư vấn quốc gia về Hàng không (National Advisory
Committee for Aeronautics);

OKĐ

Ống khí động;

SIMPLE

Phương pháp bán ẩn với các phương trình được gắn kết với áp
lực (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations);

SIMPLEF

Thuật toán ban đầu theo phương pháp SIMPLE;

SIMPLEN

Thuật toán nâng cao theo phương pháp SIMPLE;

TL-39

Buồng tập lái máy bay L-39;

TLKT

Tài liệu kỹ thuật;

Visual C++

Phần mềm Visual C++ (Visual Studio of Microsolf);

vol

Thể tích (volume);

XRR

Xốy rời rạc;

ЦАГИ

Đại học hàng không quốc gia (Центральный
Авиационный Государственный Институт);


xiv

DANH MỤC CÁC BẢNG
Số bảng

Tên gọi

Bảng 2.1. Hệ số lực nâng Cy của máy bay L-39 xác định bằng các

Trang
47

phương pháp XRR, Ansys và từ TLKT với chế độ bay
thẳng
Bảng 2.2. Chênh lệch hệ số lực nâng Cy giữa các phương pháp

48

XRR(2), Ansys(4) so với TLKT(6) ở chế độ bay thẳng
Bảng 3.1. Chênh lệch hệ số lực nâng Cy giữa các phương pháp

71

trong khoảng tuyến tính của đồ thị đặc tính ở chế độ cất,
hạ cánh.
Bảng 4.1. Sự thay đổi một số hệ số khí động theo trượt cạnh khi hạ

75

cánh
Bảng 4.2. Tương quan góc lệch cánh lái hướng δH với góc trượt

80

cạnh β để cân bằng mơ men My(β) do gió cạnh gây ra
Bảng 4.3. Tương quan góc lệch cánh lái liệng δL với góc trượt cạnh

81

β để cân bằng mơ men Mx(β) do gió cạnh gây ra
Bảng 4.4. Sự thay đổi hệ số lực nâng theo trượt cạnh

83

Bảng 4.5. Góc trượt cạnh tới hạn theo vận tốc hạ cánh

86

Bảng 4.6. Các đặc tính khí động Cy, Cx theo góc tấn α

92


xv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Số hình

Tên gọi hình vẽ, đồ thị

Hình 1.1. Xác định góc gió thổi δ và góc trượt cạnh β.

Trang
9

Hình 1.2. Dịng chảy khơng đồng nhất trong mặt phẳng máy nén
được cảm ứng bởi dòng chảy có gió cạnh.

12

Hình 1.3. Ảnh hưởng của gió cạnh đến dịng chảy qua quạt gió

12

Hình 1.4. Vết xốy sau máy bay, (khi α=10o, β=10 o).

14

Hình 1.5. Đồ thị xác định nhiệt độ trong ống khí động

25

Hình 1.6. Sự lệch nhau giữa các hệ số lực nâng lớn nhất trong ống
khí động với hệ số lực nâng lớn nhất khi bay thử

26

Hình 2.1. Sơ đồ minh họa xốy rời rạc phi tuyến của cánh phẳng đơn

29

Hình 2.2. Sơ đồ phối trí máy bay có cấu hình khơng gian phức tạp

31

Hình 2.3. Sơ đồ xốy ghép nối tứ giác ngồi khơng tiếp giáp và tứ
giác trong tiếp giáp hồn tồn.

32

Hình 2.4. Sơ đồ xoáy ghép nối các tứ giác kiểu phân đoạn.

33

Hình 2.5. Mơ hình máy bay với cấu hình bay thẳng.

37

Hình 2.6. Mơ tả mơ hình tốn mặt nâng cơ sở

37

Hình 2.7. Tiết diện và mơ hình thân máy bay L-39

42

Hình 2.8. Hình dạng profil cánh nâng và đi máy bay L-39

42

Hình 2.9. Xây dựng mơ hình máy bay L-39 bằng Ansys

43

Hình 2.10. Chia lưới miền tính tốn bao quanh máy bay L-39
bằng Ansys

43

Hình 2.11. Trường vận tốc chảy bao mơ hình máy bay L-39

46

Hình 2.12. Đồ thị hệ số lực nâng Cy=f(α) xác định bằng phương
pháp XRR, Ansys và theo TLKT của máy bay L-39

47

Hình 3.1. Sơ đồ xốy dịng chảy bao cánh nâng cơ sở có trượt cạnh

51

Hình 3.2. Xác định véc tơ pháp tuyến của mặt phẳng tứ giác PQRT

59


xvi

Hình 3.3.

Xác định véc tơ chỉ phương của pháp tuyến các đoạn xốy
liên kết

61

Hình 3.4.

Kiểu ghép nối khơng gian

65

Hình 3.5.

Mơ hình máy bay với cấu hình cánh tà thả 44o

66

Hình 3.6.

Mơ hình tốn cánh tà trái

66

Hình 3.7.

Mơ hình càng máy bay ở vị trí thả xây dựng bằng XRR

68

Hình 3.8.

Mơ hình máy bay L39 với cấu hình hạ cánh xây dựng

Hình 3.9.

bằng XRR

68

Mơ hình máy bay L39 với cấu hình hạ cánh bằng Ansys

69

Hình 3.10. Trường vận tốc dịng chảy bao máy bay L-39 xác định
bằng phương pháp XRR khi α=10o, β=0o

69

Hình 3.11. Trường vận tốc dịng chảy bao máy bay L-39 xác định
bằng phần mềm Ansys khi α=10o, β=0o
Hình 3.12. Đồ thị hệ số Cy=f(α) khi hạ cánh với vị trí cánh tà 25o và
44o

70
70

Hình 4.1. Chia lưới miền tính tốn dịng chảy bao máy bay L-39
Khi α=10 o, β=15 o.
Hình 4.2.

Trường áp suất dịng chảy bao máy bay L-39 với cấu hình
càng thả, cánh tà 44o khi α=10o, β=15o

Hình 4.3.

74

74

Trường vận tốc dịng chảy bao máy bay L-39 với cấu
hình càng thả, cánh tà 44o trong trường hợp α=10o, β=15o

74

Hình 4.4. Đồ thị các hệ số lực cản Cx theo góc trượt cạnh 

76

Hình 4.5. Đồ thị các hệ số lực nâng Cy theo góc trượt cạnh 

76

Hình 4.6. Đồ thị hệ số lực cạnh Cz theo góc trượt cạnh 

76

Hình 4.7. Đồ thị hệ số mơ men mx theo góc trượt cạnh 

76

Hình 4.8. Đồ thị hệ số mơ men hướng my theo góc trượt cạnh 

77


xvii

Hình 4.9.

Đồ thị hệ số mơ men chúc ngóc mz theo góc trượt cạnh 

77

Hình 4.10. Sự thay đổi vị trí tiêu điểm khí động xF và zF theo trục
0x và 0z khi góc trượt cạnh  thay đổi

78

Hình 4.11. Sự biến thiên góc cánh lái hướng δH và cánh lái liệng δL
theo góc trượt cạnh β khi cân bằng mơ men My(β) và mơ
men Mx(β)

82

Hình 4.12. Ảnh hưởng của gió cạnh đến hệ số lực nâng Cy ở các vận
tốc hạ cánh

84

Hình 4.13. Đồ thị đạo hàm hệ số lực nâng theo góc trượt cạnh C y ở
các vận tốc hạ cánh

85

Hình 4.14. Xác định vùng hạ cánh an tồn khi có trượt cạnh đối với
máy bay L-39
Hình 4.15. Các giai đoạn hạ cánh

86
87

Hình 4.16. Quĩ đạo hạ cánh của máy bay L-39 khi có trượt cạnh ở
giai đoạn bay xuống (h=20,6 m)

94

Hình 4.17. Quĩ đạo hạ cánh của máy bay L-39 khi có trượt cạnh ở
giai đoạn cải bằng (h=3 m)
Hình 4.18. Hạ cánh với góc trượt cạnh và nghiêng cánh

95
96


1

MỞ ĐẦU
Chất lượng bay không những phụ thuộc vào đặc tính khí động của bản
thân máy bay mà cịn phụ thuộc vào các yếu tố khác như tác động điều khiển,
sự nhiễu động của mơi trường bên ngồi như nhiệt độ, áp suất, nhiễu động
khơng khí v.v.
Gió cạnh cũng là một dạng nhiễu làm lệch dịng khơng khí, biến đổi
dịng chảy bao đối xứng quanh máy bay thành dòng phi đối xứng, nên việc
tính tốn xác định các đặc tính khí động (ĐTKĐ) cũng mất tính đối xứng, tức
là cần thiết phải tính tốn cụ thể cho tồn bộ các bộ phận của máy bay mặc dù
máy bay thông thường có hình dạng là đối xứng.
Trong hoạt động bay thì quá trình hạ cánh bao gồm những giai đoạn
bay diễn ra ở độ cao thấp và ở vùng tốc độ nhỏ. Đây là những giai đoạn mà

các ĐTKĐ của máy bay chịu ảnh hưởng rõ rệt của gió cạnh - một dạng nhiễu
xảy ra một cách ngẫu nhiên và khó lường trước nên dễ gây ra tai nạn bay.

Một số hình ảnh gió cạnh làm nghiêng và lệch hướng máy bay
Theo thống kê an tồn bay thì có đến khoảng 85% sự cố và tai nạn bay
xảy ra liên quan đến gió cạnh khi hạ cánh [65].
Ở Việt Nam chưa quan tâm nhiều đến ảnh hưởng của gió cạnh đến hoạt
động bay và chưa xem gió cạnh như là một trong những ngun nhân chính
gây ra uy hiếp an tồn bay và tai nạn bay.


2

Vì thế "Nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh tới ĐTKĐ của máy bay
trong quá trình hạ cánh" là cần thiết, có ý nghĩa thiết thực khơng những đối
với việc đảm bảo an tồn bay trong q trình hạ cánh mà cịn có ý nghĩa quan
trọng trong việc nghiên cứu, thiết kế chế tạo, khai thác sử dụng máy bay,
trong việc lập chương trình điều khiển máy bay một cách chính xác, hiệu quả.
Mục đích của việc nghiên cứu vấn đề đặt ra là xem xét mức độ ảnh
hưởng của gió cạnh đến các ĐTKĐ của máy bay trong quá trình hạ cánh ở
vùng tốc độ nhỏ.
Để đạt được mục đích đó cần thực hiện các nội dung sau:
1- Xây dựng mơ hình tốn máy bay theo sơ đồ khơng gian với cấu
hình cất, hạ cánh trong dịng chảy bao dừng, phi đối xứng.
2- Xây dựng phương pháp nghiên cứu xác định mức độ ảnh hưởng của
gió cạnh đến ĐTKĐ của máy bay trong quá trình hạ cánh ở vùng tốc độ nhỏ.
3- Đề ra một số giải pháp làm giảm ảnh hưởng của gió cạnh đến
ĐTKĐ của máy bay cũng như nâng cao chất lượng bay, đảm bảo an toàn bay.
Đối tượng nghiên cứu của đề tài luận án được xác định là máy bay có
phần tạo lực nâng cố định, được cơ giới hóa (cánh tà) và có các thiết bị hạ

cánh (càng) để cất hạ cánh trên đường băng. Đối tượng nghiên cứu cụ thể là
máy bay huấn luyện L-39.
Giới hạn nghiên cứu của luận án là khảo sát ảnh hưởng của gió cạnh
đến một số đặc tính khí động (chỉ thuộc chuyên ngành hẹp khí động học) của
máy bay trong quá trình hạ cánh ở vùng vận tốc nhỏ, trong đó chủ yếu là
nghiên cứu ảnh hưởng đến khả năng tạo nâng của máy bay khi hạ cánh trong
dòng chảy bao dừng, phi tuyến.
Kết quả nghiên cứu khoa học thu được bằng lý thuyết thông thường
được chứng minh thông qua kiểm nghiệm thực tế. Kiểm định kết quả nghiên


3

cứu về ảnh hưởng của gió cạnh đến đặc tính khí động của máy bay trong q
trình hạ cánh ở vùng tốc độ nhỏ có thể được thực hiện trên mơ hình trong ống
khí động (OKĐ) hoặc được thực hiện bằng việc bay thử nghiệm máy bay
trong điều kiện có gió cạnh thực.
Trong điều kiện hiện nay chúng ta hầu như không thể tổ chức thử
nghiệm kiểm tra ảnh hưởng của gió cạnh trong OKĐ được vì các OKĐ hiện
có ở Việt Nam không đáp ứng được tất cả yêu cầu của thử nghiệm (trong đó
khó khăn nhất là phải đảm bảo các điều kiện về đồng dạng dòng chảy có liên
quan đến tính nén, tính nhớt động của dịng chảy bao mơ hình).
Việc tổ chức bay thử nghiệm thực tế cũng khó thực hiện vì sẽ rất tốn
kém, gặp khó khăn khi đo, thiếu chính xác và khó đảm bảo an tồn khi bay
với tốc độ nhỏ. Từ đó cho thấy việc thử nghiệm kiểm tra là một trong những
khó khăn nan giải của đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh tới đặc tính
khí động của máy bay trong quá trình hạ cánh”. Đây cũng là một trong những
lý do mà việc nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh đến ĐTKĐ của máy bay
khơng có nhiều, thiếu các kết quả cụ thể.
Như vậy, vấn đề quan trọng có liên quan đến kết quả nghiên cứu và

thực hiện đề tài của luận án là việc lựa chọn phương pháp nghiên cứu phù hợp
và khắc phục được khó khăn về thực nghiệm đã đề cập.
Khi sử dụng hai phương pháp có cách tiếp cận khác nhau, (hai phương
pháp đã được xác định là có đủ độ tin cậy), để nghiên cứu cùng một vấn đề và
nếu kết quả của chúng về vấn đề nghiên cứu là gần nhau (sai lệch tính tốn
giữa hai phương pháp <15 %) thì kết quả đó có thể tin cậy được.
Trong luận án này sẽ sử dụng hai phương pháp số độc lập có bản chất
rõ ràng, có độ tin cậy và thường được sử dụng trong tính tốn khí động lực
học để khắc phục khó khăn đã nêu. Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học


4

kỹ thuật, các phần mềm chuyên dụng và máy tính có tốc độ cao, vấn đề
“Nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh tới đặc tính khí động của máy bay
trong q trình hạ cánh” có thể giải quyết được bằng các cơng cụ tính tốn
hiện có.
Nghiên cứu các đặc điểm của dịng khí chảy bao khơng đối xứng máy
bay ở vùng tốc độ nhỏ khi hạ cánh có gió cạnh bằng việc thực hiện đồng thời
hai phương pháp số: Đó là phương pháp xoáy rời rạc (XRR) và phương pháp
sử dụng phần mềm Ansys. Tính hội tụ kết quả tính toán bằng hai phương pháp
phản ánh độ tin cậy của kết quả nghiên cứu đạt được.
Luận án sẽ dùng mô hình số đã được xây dựng để xác định ảnh hưởng
của gió cạnh đến ĐTKĐ của máy bay với cấu hình cất, hạ cánh và thực hiện
việc kiểm định kết quả nghiên cứu bằng cách so sánh một số kết quả tính tốn
thu được với các số liệu có trong tài liệu kỹ thuật (TLKT) của máy bay.
Kết cấu của luận án bao gồm mở đầu, 4 chương, kết luận (gồm 100
trang, 9 bảng, 48 hình vẽ - đồ thị), tài liệu tham khảo và các phụ lục.
Chương 1: Giới thiệu Tổng quan vấn đề nghiên cứu ảnh hưởng của gió
cạnh đến ĐTKĐ của máy bay trong q trình hạ cánh ở vùng tốc độ nhỏ. Các

phương pháp nghiên cứu. Các nội dung chính trong chương 1 gồm:
- Đặc điểm dịng khí chảy bao máy bay ở vùng tốc độ nhỏ khi có ảnh
hưởng của gió cạnh.
- Tình hình nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh tới ĐTKĐ của máy bay
ở vùng tốc độ nhỏ ở trên thế giới và trong nước.
- Các phương pháp nghiên cứu ĐTKĐ của máy bay.
- Những khó khăn khi nghiên cứu thực hiện đề tài luận án và lựa chọn
giải pháp giải quyết.


5

Chương 2: Trình bày mơ hình tốn xác định ĐTKĐ của máy bay.
Trong đó nêu những nội dung chính sau:
- Mơ hình tính tốn theo sơ đồ cánh phẳng đơn; mơ hình tốn xây dựng
bằng phương pháp XRR cho máy bay có cấu hình khơng gian phức tạp.
- Các nội dung, thuật toán cơ bản sử dụng trong phần mềm Ansys. Xây
dựng mơ hình bài tốn xác định ĐTKĐ của máy bay bằng phần mềm Ansys.
- Phương pháp nghiên cứu và đánh giá các kết quả xác định ĐTKĐ của
máy bay nhận được bằng hai phương pháp nêu trên. Khẳng định tính khách
quan của phương pháp nghiên cứu đã lựa chọn.
Chương 3: Trình bày về xây dựng mơ hình bài tốn xác định ĐTKĐ
của máy bay với cấu hình cất, hạ cánh. Trong đó đề cập đến việc:
- Xây dựng mơ hình khơng gian bài tốn chảy bao cánh nâng cơ sở có
tính đến trượt cạnh bằng phương pháp XRR. Xây dựng mơ hình bài tốn xác
định ĐTKĐ của máy bay với cấu hình cất, hạ cánh bằng phương pháp XRR
(luận án sử dụng mơ hình tốn của các tác giả đi trước, có sự phát triển và bổ
sung thêm các nội dung mới) và bằng phần mềm Ansys.
- Khảo sát các ĐTKĐ của máy bay L-39 khi hạ cánh bằng các mơ hình
tốn đã được xây dựng bằng hai phương pháp đã nêu. So sánh một số kết quả

tính toán thu được với các số liệu theo TLKT của máy bay L-39. Những kết
luận rút ra về khả năng sử dụng đồng thời hai phương pháp số để thực hiện đề
tài nghiên cứu.
Chương 4: Nội dung chủ yếu là nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh
đến ĐTKĐ máy bay khi hạ cánh, ngồi ra cịn thực hiện các nội dung:
- Xây dựng mối liên hệ cân bằng giữa các góc lệch điều khiển cánh lái
hướng và cánh lái liệng với góc trượt cạnh.
- Xác định miền tốc độ an tồn khi máy bay hạ cánh có trượt cạnh.


6

- Khảo sát quĩ đạo hạ cánh có trượt cạnh và các biện pháp khắc phục
ảnh hưởng của gió cạnh khi hạ cánh.
Những đóng góp mới của luận án
1- Phát triển tiếp mơ hình khơng gian cho cánh nâng cơ sở bằng
phương pháp xốy rời rạc.
2- Khẳng định gió cạnh có ảnh hưởng đến các đặc tính khí động của
máy bay. Đưa ra khái niệm góc trượt cạnh tới hạn và khuyến cáo là sẽ tiềm ẩn
nguy hiểm khi góc trượt cạnh lớn hơn góc trượt cạnh tới hạn.
Khẳng định khi vận tốc bay giảm thì góc trượt cạnh tới hạn cũng giảm
theo.
3- Bổ sung thêm các đặc tính khí động của máy bay khi có ảnh hưởng
của gió cạnh bằng phương pháp số bên cạnh các số liệu bay thực nghiệm.
Các kết quả tính tốn, các biện pháp đề xuất, một số kết luận rút ra, các
phụ lục v.v. là những số liệu đủ tin cậy và có thể được sử dụng như tài liệu
hướng dẫn, tham khảo.
4 - Về mặt phương pháp: Đề xuất phương pháp tiếp cận nghiên cứu và
xác định độ tin cậy kết quả nghiên cứu bằng việc sử dụng hai phương pháp số
có bản chất rõ ràng, độc lập kết hợp với việc so sánh một số kết quả tính tốn

thu được với các số liệu có trong TLKT để đánh giá một vấn đề về khí động
học của máy bay khi khơng có điều kiện áp dụng phương pháp thử nghiệm
truyền thống.
Ý nghĩa khoa học của luận án
Khảo sát một bước sâu hơn về ảnh hưởng của gió cạnh đến ĐTKĐ của
máy bay ở vùng tốc độ nhỏ và khẳng định: đối với một vận tốc bay nhất định
luôn luôn tồn tại một góc trượt cạnh tới hạn mà khi góc trượt cạnh của dịng
chảy bao vượt q giá trị tới hạn thì sẽ tiềm ẩn nguy hiểm. Kết quả nghiên
cứu là một trong những cơ sở xem xét vấn đề an toàn bay trong quá trình hạ
cánh.