Đồ án thiết kế máy bay ngành kỹ thuật hàng không HUST

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MÁY BAY
Chủ đề: Thiết kế Taxi bay

Giảng viên hướng dẫn:

TS. Phạm Gia Điềm

Nhóm sinh viên thực hiện:
Họ và tên

MSSV

Phùng Đức Minh

20152493

Phạm Tuấn An

20150014

Nguyễn Xuân Sơn

20153228

Hoàng Ngọc Trường

20154025

Hà Nội, 6/2019


Mục lục
LỜI NÓI ĐẦU
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN.......................................................1
1.1 Giới thiệu chung.........................................................................................1
1.3 Khoang hành khách...................................................................................7
1.4 Pin treo......................................................................................................11
1.5 Hệ thống....................................................................................................14
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ KHÍ ĐỘNG.............................................................17
2.1 Lý thuyết cánh quạt máy bay lên thẳng.................................................17
2.1.1 Lý thuyết phân tố cánh (Blade Element Theory)............................17
2.1.2 Lý thuyết mô-men động lượng (Momentum Theory) cho cánh quạt
đơn................................................................................................................19
2.1.3 Lý thuyết mô-men đông lượng (Momentum Theory) cho cánh quạt
kép đồng trục...............................................................................................22
2.1.4 Cánh quạt trong ống bao...................................................................29
2.2 Tính tốn lý thuyết...................................................................................33
2.2.1 Đường kính chong chóng mang – cánh quạt...................................33
2.2.2 Lựa chọn hình dạng cánh chong chóng mang.................................34
2.2.3 Lựa chọn số cánh................................................................................34
2.2.4 Lựa chọn dạng profiles......................................................................35
2.2.5 Góc đặt cánh và độ xoắn hình học của cánh....................................39
2.2.6 Diện tích qt......................................................................................39
2.2.7 Hệ số điền đầy và dây cung cánh......................................................40
2.2.8 Khắc phục ảnh hưởng của dịng khí tới cánh quạt phía dưới.......40
2.2.9 Lực nâng lý thuyết.............................................................................41
2.3 Mơ phỏng số..............................................................................................42

2.3.1 Phương pháp......................................................................................42
2.3.2 Vùng tính tốn....................................................................................42
2.3.3 Chia lưới..............................................................................................44
2.3.4 Điều kiện biên.....................................................................................46
2.3.5 Kết quả................................................................................................46
2.4 Hướng phát triển......................................................................................51


2.5 Kết luận.....................................................................................................52
CHƯƠNG 3. Động cơ và Năng lượng.............................................................54
3.1 Động cơ điện cảm ứng..............................................................................54
3.1.1 Giới thiệu công ty Siemens................................................................54
3.1.2 Giới thiệu và các thông số của động cơ điện SP200D.....................55
3.1.3 Chọn loại đông cơ điện cho BKair....................................................56
3.1.4 Hệ thống truyền động của động cơ điện SP200D............................58
3.1.5 Các thông số của động cơ điện SP200D...........................................59
3.1.6 Kết luận về động cơ SP200D.............................................................59
3.2 Pin được sử dụng cho động cơ của BKair..............................................61
3.2.1 Các loại pin hiện nay trên thế giới....................................................62
3.2.2 Giới thiệu và so sánh hai loại Li-Po và Li-Ion.................................63
3.2.3 Lựa chọn hãng sản xuất pin Li-Ion..................................................67
3.2.4 Giới thiệu về pin của tesla sử dụng trong BKair.............................67
3.2.5 Tính tốn số lượng pin.......................................................................68
3.2.6 Tiến hành thiết kế 1 cell pin cho 2 động cơ......................................68
3.2.7 Tính theo 2 động cơ để chọn được số lượng pin..............................69
3.2.8 Kết luận...............................................................................................71
3.3 Hệ thống làm mát pin..............................................................................72
3.3.1 Các phương pháp làm mát pin.........................................................72
3.3.2 Phương pháp làm mát dành cho pin của BKair.............................74
3.3.3 Kết luận về làm mát pin....................................................................79

3.4 Kết luận.....................................................................................................79
CHƯƠNG 4: Thiết kế kết cấu khung..............................................................80
4.1 Lựa chọn kết cấu khung..........................................................................81
4.1.1 Các loại dầm.......................................................................................81
4.1.2 Liên kết dầm.......................................................................................82
4.1.3 Kích thước khung...............................................................................83
4.1.4 Tiết diện dầm chữ I............................................................................84
4.1.5 Vật liệu khung....................................................................................85
4.2 Mô phỏng kết cấu khung.........................................................................89
4.2.1 Mục đích mơ phỏng............................................................................89


4.2.2 Nhập các thông số vật liệu.................................................................90
4.2.3 Chia lưới..............................................................................................91
4.2.4 Điều kiện biên.....................................................................................91
4.2.5 Kết quả và so sánh.............................................................................93
Chương 5 Bộ phận điều khiển của BKair.......................................................97
5.1 Hệ thống tổng quan trên BKair..............................................................97
5.2 Các hệ thống.............................................................................................98
5.2.1 Hệ thống điều khiển BKair...............................................................98
5.2.2 Hệ thống chuyển đổi năng lượng cơ thành moment xoắn cho động
cơ điện........................................................................................................100
5.2.3 Hệ thống điều khiển động cơ...........................................................101
5.3 Hệ thống các thiết bị điện tử khác........................................................109
5.4 Các thành phần khác.............................................................................114
5.4.1 Cổng tiếp nhận thông tin.................................................................114
5.4.2 Pin......................................................................................................114
5.4.3 Các cảm biến.....................................................................................115
5.4.4 Bộ chuyển đổi dịng điện..................................................................116
5.5 Bộ phận thơng báo tình trạng máy bay................................................116

5.5.1 Bộ phận thông báo độ cao, tốc độ bay............................................116
5.5.2 Bộ phận thông báo lực đẩy..............................................................117
KẾT LUẬN......................................................................................................118
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................119

Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình

1 Taxi bay BKair.........................................................................................1
2 Quadrotor, Máy bay trực thăng, Octo-rotor.............................................3
3 Kích thước mặt dưới BKair......................................................................3
4 Kích thước mặt trước BKair.....................................................................4
5 Kích thước mặt trên BKair.......................................................................5
6 Nguyên lý điều khiển quadrotor...............................................................6
7 Kích thước mặt ngang BKair...................................................................6
8 Ghế ngồi cho 4 hành khách......................................................................7
9 Kích cỡ ghế theo hạng..............................................................................8
10 Kích thước mặt trước ghế ngồi...............................................................8
11 Khoảng cách trước sau theo hạng ghế....................................................9
12 Khoảng cách trước sau tiêu chuẩn ghế ngồi...........................................9

Hình 13 Khoảng cách trước sau ghế ngồi BKair...............................................10
Hình 14 Kích thước tổng thể cabin....................................................................11
Hình 15 Pin treo.................................................................................................12
Hình 16 Dịch chuyển độc lập.............................................................................12
Hình 17 Khung treo............................................................................................13
Hình 18 Các cell pin ở vị trí trọng tâm máy bay................................................14
Hình 19 Avionics & FTI.....................................................................................15
Hình 20 Hệ thống máy bay.................................................................................15
Hình 21 Lý thuyết phân tố cánh.........................................................................17
Hình 22 Sự phụ thuộc của hẹ số lực kéo vào bước của chong chóng mang của
profile..................................................................................................................18
Hình 23 Lý thuyết mơ-men động lượng.............................................................19
Hình 24 Lý thuyết mơ-men động lượng cánh quạt kép......................................24
Hình 25 Cạnh quạt kép có khoảng cách h..........................................................24
Hình 26 Cánh quạt dưới.....................................................................................25
Hình 27 Cạnh quạt trên......................................................................................25
Hình 28 Dự đoán hiệu suất bay treo cho cánh quạt đồng trục so với các phép đo.
Nguồn dữ liệu: Harrington (1951) và Dingeldein (1954)...................................29
Hình 29 Dịng khí đi qua cánh quạt trong ống bao sử dụng lý thuyết mơ-men
động lượng...........................................................................................................30
Hình 30 Kích thước chong chóng mang.............................................................33
Hình 31 Chọn cánh hình chữ nhật......................................................................34
Hình 32 Các đặc trưng hình học của profiles cánh............................................35
Hình 33 Phân bố lực cánh khi góc tấn bằng 0 profile khơng đối xứng..............36
Hình 34 Phân bố lực cánh khi góc tấn bằng 0 profile đối xứng.........................37
Hình 35 Phân bố lực cánh khi góc tấn tăng profile đối xứng.............................37
Hình 36 Airfoil NACA0015...............................................................................38
Hình 37 Các hê số theo góc đặt cánh của NACA 0015......................................38

Hình 38 Độ xoắn hình học của cánh..................................................................39
Hình 39 Vùng tính tốn......................................................................................43
Hình 40 Cặp cánh quạt và động cơ ở chính giữa...............................................44
Hình 41 Các giá trị lưới......................................................................................45
Hình 42 Lưới......................................................................................................45
Hình 43 Chia nhỏ số điểm trên cánh..................................................................46
Hình 44 Lực nâng trên tốc độ quay của cánh quạt trên và dưới.........................47
Hình 45 Lực nâng tổng trên tốc độ quay của cánh quạt.....................................48
Hình 46 Lực nâng trên cơng suất của cánh quạt trên và dưới............................49
Hình 47 Lực nâng tổng trên cơng suất tổng của cặp cánh quạt..........................50
Hình 48 Ống bao quanh các cánh quạt phía dưới..............................................52
Hình 49 Taxi bay trong thành phố trong tương lai.............................................54
Hình 50 Tổng cơng ty Siemens tại Đức.............................................................55
Hình 51 So sánh giữa 2 động cơ điện.................................................................56


Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình

Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình

52 Động cơ SP200D..................................................................................57

53 Động cơ SP260D..................................................................................57
54 Hệ thống kiểm tra truyền động của động cơ điện SP200D..................58
55 Cặp động cơ..........................................................................................60
56 Bốn cặp động cơ được kết nối trên BKair............................................60
57 Pin Li-Ion.............................................................................................62
58 Pin Li-Po...............................................................................................62
59 Cell pin được ghép từ các viên pin nhỏ................................................66
60 Một cục pin hoàn chỉnh........................................................................67
61 1 cell nhỏ pin Tesla...............................................................................68
62 Mắc các pin với nhau song song và nối tiếp........................................70
63 Một tầng của một cell pin.....................................................................70
64 4 cell pin trên khung.............................................................................72
65 Làm mát bề mặt pin..............................................................................73
66 Làm mát hai đầu của pin......................................................................73
67 Các ống dẫn dung dịch với bề mặt tiếp xúc là cao su..........................75
68 Các tấm làm mát được xếp vao cell pin...............................................75
69 Dòng lạnh và dịng nóng của dung dịch làm mát trong hệ thống.........76
70 Hình ảnh trên Solid work về đầu vào của một tấm pin của một cell....77
71 Chiều dài cell pin..................................................................................77
72 Chiều rộng cell pin...............................................................................77
73 Ống dẫn dung dịch...............................................................................78
74 Mô phỏng nhiệt độ bên trong cell pin (Đại học Imperial)....................78
75 Khung...................................................................................................80
76 Dầm định hình......................................................................................81
77 Dầm tổ hợp...........................................................................................82
78 Liên kết dầm.........................................................................................83
79 Kích thước Cabin.................................................................................83
80 Kích thước khung.................................................................................84
81 Các kích thước tiết diện dầm dầm chữ I...............................................84
82 Bố trí các khung dầm chữ I..................................................................85

83 Nhập design khung vào ANSYS..........................................................89
84 Nhập thông số vật liệu nhôm 7075.......................................................90
85 Nhập thông số vật liệu composite........................................................90
86 Các giá trị lưới......................................................................................91
87 Lưới......................................................................................................91
88 Áp đặt lực.............................................................................................92
89 Ngàm....................................................................................................92
90 Kết quả chuyển vị khung composite....................................................95
91 Kết quả Damage Status khung composite............................................96
92 Hệ thống tổng quan..............................................................................97
93 Hệ thống điều khiển.............................................................................98


Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình

Hình

94 Giản đồ...............................................................................................100
95 Giản đồ...............................................................................................100
96 Motor..................................................................................................101
97 Giản đồ hệ thống điều khiển động cơ.................................................101
98 Cảm biến cường độ dòng điện............................................................102
99 Năng lượng điện.................................................................................102
100 Cảm biến hiệu điện thế.....................................................................103
101 Servo.................................................................................................104
102 Giản đồ.............................................................................................106
103 Cảm biến tốc độ vòng quay..............................................................107
104 Cảm biến chuyển động.....................................................................107
105 Cảm biến mô-men xoắn...................................................................107
106 Giản đồ.............................................................................................107
107 Hệ thống điện tử...............................................................................109
108 Các cảm biến....................................................................................115
109 Bộ chuyển đổi dịng điện..................................................................116
110 Thơng báo lực đẩy............................................................................117
111 Thông báo độ cao và vận tốc............................................................117


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay xã hội ngày càng phát triển, nhu cầu đi lại trong các thành phố
lớn tăng cao dẫn đến việc quá tải trong hệ thống giao thông đô thị. Với việc đẩy
mạnh phát triển phương tiện công cộng như xe bus, xe điện để có thể hạn chế
mọi người sử dụng phương tiện cá nhân để giảm áp lực cho đường phố. Nhưng
nhược điểm chính của phương tiện cơng cộng đó là thời gian di chuyển. Người
sử dụng phải đi đến các địa điểm dừng đỗ và chờ cho phương tiện của mình tới.
Muốn đến một địa điểm nhất định có thể phải sử dụng nhiều chặng. Ưu điểm

của phương tiện công cộng là giá thành rẻ và tần suất cao. Với nhưng người có
mức thu nhập khá hơn, họ có thể tiết kiệm thời gian của mình bằng cách đi taxi,
đi đến địa điểm mình yêu cầu với một lần gọi xe. Đối với những người có cơng
việc gấp thì taxi vẫn là phương tiện được ưu tiên hơn xe bus hay tàu điện. Hai
phương tiện nêu trên sẽ đều phải chịu cảnh tắc đường nếu di chuyển vào giờ cao
điểm. Khi các tòa nhà nhiều tầng ngày càng mọc lên thì đường phố vẫn chỉ có 1
đến 2 tầng (hầm, cầu vượt, đường trên cao) vì vậy phố xá thực sự khơng đáp ứng
đủ với nhu cầu nhà ở. Từ lý do đó, taxi bay, hay phương tiện chuyên trở trong
thành phố bằng đường hàng không, là nhu cầu thiết yếu cho giao thông đô thị.
Với việc thêm chiều thứ 3 vào việc di chuyển trong thành phố, con người có thể
tạo ra thêm vơ số tầng di chuyển, việc đi lại khơng chỉ cịn ở 1 tầng trên mặt đất
và được san ra khắp các tầng trên trời. Với công nghệ hiện nay, để di chuyển
trên taxi sẽ có giá thành cao nhưng với những người có thu nhập tốt và bận rộn
cần phương tiện di chuyển nhanh chóng, tin cậy tới các địa điểm quan trọng như
cuộc họp đối tác, ra sân bay thì đó là điều cần thiết
Bài báo cáo này nhóm bọn em xin được trình bày về thiết kế sơ bộ của
taxi bay điện lên thẳng BKair dựa trên ý tưởng CityAirbus về phương tiện bay
chuyên trở hành khách trong đô thị.
Cảm ơn thầy Phạm Gia Điềm đã giúp đỡ bọn em hoàn thiện bài báo cáo
này.


Phùng Đức Minh

Chương 1: Giới thiệu tổng quan

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu chung
BKair là phương tiện bay thiết kế theo nguyên mẫu taxi bay CityAirbus
của Airbus. BKair hoạt động trong khoảng độ cao từ 150 m đến 300 m phía trên

thành phố. BKair được thiết kế để có thể trở tối đa 4 hành khách. Tầm bay tối đa
là 30km cho một lần sạc với 4 cục pin lithium-ion có dụng tích tổng là 110 kWh
và cơng suất đầu ra là 140 kW. Trong tương lai, công nghệ pin phát triển hơn sẽ
làm tăng tầm bay cho BKair, khiến nó khơng chỉ là phương tiện bay chun trở
trong nội thành mà còn di chuyển giữa các thành phố.
BKair hoạt động hoàn toàn bằng điện, thân thiên với mơi trường, giảm ơ
nhiễm khơng khí do sản phẩm sau chạy của động cơ xăng như CO 2 và NOx.
Ngoài ra ô nhiễm tiếng ồn cũng được giảm thiểu. Để có thể hoạt động trong
thành phố như một chiếc taxi trên chiều giao thông thứ ba, BKair cần đáp ứng
được tiêu chuẩn tiếng ồn đô thị. Để giảm bớt tiếng ồn, cánh quạt của BKair sẽ có
kích thước lớn với đường kính 2,8 m và quay ở tốc độ thấp thấp từ 1000 – 1300
vịng/phút để giảm bớt dao động.

Hình 1 Taxi bay BKair

1
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MÁY BAY

GVHD: TS. PHẠM GIA ĐIỀM


Phùng Đức Minh
Chương 1: Giới thiệu tổng quan
BKair sử dụng 8 động cơ điện cảm ứng dẫn động trực tiếp có cơng suất
100 kW chia làm 4 cặp giống như một chiếc drone Octo-rotor khổng lồ hoạt
động hoàn toàn tự động hoặc được điều khiển từ mặt đất. Ưu điểm chính của
cánh quạt kép quay người chiều sử dụng động cơ điện đó là giảm được kích
thước hộp số. Nếu như với động cơ phản lực, ví dụ như Turboshaft, cần phải có
trục dẫn và hộp số để có thể dẫn động. Ngoài ra khi 2 cánh quạt song song với
nhau cần một hộp số rất phức tạp để có thể dẫn động đồng đều hai cánh quạt.

Điều khiển tốc độ quay của mỗi chong chóng mạng sẽ khó khẳn hơn so với hai
động cơ điện. Với việc thay đổi dịng điện đầu vào động cơ có thể làm thay đổi
được tốc độ vịng quay, từ đó phối hợp 4 cặp cánh quạt khiến BKair có thể điều
khiển dễ dàng và nhanh chóng. Nhưng cũng chính vì lý do đó mà BKair sẽ sử
dụng hệ thống tự động. Bởi vì khơng một phi cơng nào có thể điều khiển động
thời cả 8 tốc độ quay quay của động cơ được.
BKair sử dụng 8 cánh quạt khơng thay đổi được góc đặt cánh, có đường
kính 2,8 m được làm bằng composite. Hai cánh quạt này sẽ quay ngược chiều
nhau giúp triệt tiêu mô-men xoắn. Nếu như trên máy bay trực thăng bình
thường, cánh quạt đi thường chiếm 3 – 5% cơng suất của động cơ để giữa cho
máy bay cân bằng trước mô-men phản lực của thân trước hoạt động quay của
cánh quạt chính. Cịn trên một chiếc quadrotor, mơ-men được cân bằng qua các
cánh quạt khác, vì vậy vẫn có lực tác động lên kết cấu. Với cặp cánh quạt quay
ngược chiều, mơ-men xoay sẽ được triệt tiêu bởi chính cạnh quạt cùng cặp khiến
kết cấu không phải chịu lực tác động. Đồng thời 100% công suất sinh ra để tạo
lực nâng. Cánh quạt kép quay ngược chiều có hiệu suất lực nâng trên cong suất
cao hơn cánh quạt đơn. Với cùng một lực nâng, công suất cần để cấp cho cánh
quạt sẽ nhỏ hơn so với cánh quạt đơn. Ngồi ra, kích thước của máy bay cũng
được giảm do đường kính cánh quạt nhỏ hơn mà vẫn tạo ra lực nâng cần thiết
như cánh quạt đơn. Đó là một ưu điểm của cánh quạt kép trong phương tiện giao
thông hàng không trong thành phố.

2
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MÁY BAY

GVHD: TS. PHẠM GIA ĐIỀM


Phùng Đức Minh

Chương 1: Giới thiệu tổng quan

Hình 2 Quadrotor, Máy bay trực thăng, Octo-rotor
Cánh quạt dưới của mỗi cặp động cơ được đặt trong ống bao giúp bảo vệ,
tránh va đập. Đồng thời giảm mức độ tiếng ồn phát ra do khí động học của cặp
cánh quạt kép. Hơn nữa, ống bao này cũng có tác dụng làm tăng lực nâng tổng
của cả hệ thống với tốc độ bay thấp. Theo kỹ sư Airbus, mỗi ống bao này có thể
tạo ra thêm 100 kg lực nâng nếu thiết kế đạt chuẩn. Việc không đặt cả cặp cánh
quạt trong ống bao là do sẽ làm giảm lưu lượng dịng khí vào cánh quạt khiến
tổng lực nâng lại giảm. Khí động học cánh quạt kẹp trong ống bao nửa sẽ được
trình bày rõ hơn trong chương tiếp theo.
1.2 Các kích thước cơ bản

Hình 3 Kích thước mặt dưới BKair
3
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MÁY BAY

GVHD: TS. PHẠM GIA ĐIỀM


Phùng Đức Minh
Chương 1: Giới thiệu tổng quan
BKair có chiều cao tối đa là 2,81 m (tính từ càng đáp đến cánh quạt phía
trên) với bề rộng tối đa tính từ 2 cạnh ngoài ống bao là 8,15 m. So với một chiếc
máy bay trực thẳng có khối lượng cất cánh tối đa tương tự, BKair có kích thước
nhỏ gọn hơn về chiều ngang. Đó là một thế mạnh trong việc di chuyển trong
thành phố, dễ dàng cất cánh với diện tích bãi đỗ nhỏ.
Khoảng cách từ mặt đến đến mặt dưới của ống bao là 2 m. Đây là khoảng
cách an toàn cho hành khách khi đi lên BKair, tránh các va chạm và chấn thương
không mong muốn hay tại nạn bất ngờ. Khoảng cách này cũng sẽ tối ưu được

hiệu ứng mặt đất khi cánh, giúp tăng lực nâng với cùng công suất, tiết kiệm năng
lượng giúp nhanh chóng lấy độ cao và tăng tầm bay.

Hình 4 Kích thước mặt trước BKair
Tuy chưa thể tối ưu một cách tối đa như phương tiện bay cá nhân Ehang
184 của Ehang với 4 cặp cánh quạt để sát bên dưới nhưng đây là phương án tốt
nhất để cân bằng giữa an tồn và cơng suất. Ngồi ra, với việc trọng tâm ở phía
dưới so với tâm đẩy khiến máy bay có thể dễ dàng ổn định và điều khiển hơn.
Các cặp cánh quạt được xếp tại vị trí đỉnh của hình vng có kích thước
4,8x4,8 m. Với sự đối xứng của hình vng, máy bay có thể điều khiển và xác
định tâm đẩy dễ dàng. Về cơ bản, BKair điều khiển như 1 chiếc drone quadrotor.
4
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MÁY BAY

GVHD: TS. PHẠM GIA ĐIỀM


Phùng Đức Minh
Chương 1: Giới thiệu tổng quan
Nhưng đây là phương tiện trở người nên cần có độ an tồn và tin cậy cao. BKair
sẽ sử dụng 2 hệ thống điều khiển hỗ trợ nhau, phòng tránh bất kể lỗi từ 1 thành
phần có thể làm ảnh hưởng đến cả hệ thống. Máy bay vẫn có thể hạ cánh an toàn
nếu mất đi 1 cục pin, 1 động cơ hay 1 cánh quạt. Ngoài ra, BKair sẽ sử dụng hệ
thống ray trượt treo 4 cell pin nặng khoảng 500 kg để có thể di chuyển trước sau
khiến trọng tâm máy bay thay đổi tùy theo tải trở hoặc điều khiển trúc góc, tối
giản hóa q trình điều khiển cánh quạt.

Hình 5 Kích thước mặt trên BKair
Vì là máy bay điện nên trong suốt quá trình bay, từ lúc cất cánh đến khi hạ
cánh, trọng lượng máy bay sẽ không thay đổi khiến hàm điều khiển sẽ không

cần phụ thuộc thời gian bay như máy bay dân dụng. Sự ổn định của máy bay sẽ
ln được duy trì với tải trọng không đổi và chỉ phụ thuộc vào môi trường.
Với việc tăng giảm tốc độ quay của các động cơ, máy bay có thể được
điều khiển theo các hướng khác nhau hay quay quanh chính trục của nó. Việc
tăng giảm tốc độ quay khiến lực nâng tạo ra của cánh quạt thay đổi khiến máy
bay nghiêng về phía định trước. Đồng thời giảm tốc độ vòng quay khiến mất cân
5
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MÁY BAY

GVHD: TS. PHẠM GIA ĐIỀM


Phùng Đức Minh
Chương 1: Giới thiệu tổng quan
bằng mô-men do phản lực từ cánh quạt tạo ra khiến máy bay có thể quay trịn.
Vì vậy điều khiển chính xác các tốc độ quay của các cánh quạt trên máy bay
multi-rotor là điều quan trọng nhất để duy trì ổn định bay cũng như điều khiển
lái hướng.

Hình 6 Nguyên lý điều khiển quadrotor

6
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MÁY BAY

GVHD: TS. PHẠM GIA ĐIỀM


Phùng Đức Minh

Chương 1: Giới thiệu tổng quan

Hình 7 Kích thước mặt ngang BKair
Hệ thống càng đáp sử dụng trên máy bay được lấy từ máy bay trực thăng
cỡ trung H135 của Airbus với chiều dài 4 m, rộng 2,19 m và cao 0,4 m. Đây là
he thống càng đáp cứng khơng thu thả có dạng Càng đáp có đường kính là 70
mm để cho độ vững trãi tốt trước trọng tải máy bay. Càng đáp được gắp vào 2
trục đỡ chính của máy bay với khoảng cách là 2,27 m. Vị trí trục trước là trọng
tâm của tải có ích (hành khách) và phía sau là 4 cell pin nặng 500 kg.

7
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MÁY BAY

GVHD: TS. PHẠM GIA ĐIỀM


Phùng Đức Minh
1.3 Khoang hành khách

Chương 1: Giới thiệu tổng quan

Hình 8 Ghế ngồi cho 4 hành khách
BKair có thể trở tối đa 4 hành khách với cabin nằm ở phía trước máy bay
chia làm 2 dãy ghế, mỗi day có 2 ghế riêng biệt. Tất cả các ghế sẽ được lắp trên
đường ray. Kích thước cabin sẽ được quyết định bởi độ thoải mái của ghế ngồi.
Với mục tiêu khách hàng là các doanh nhân bận rộn cần thời gian di
chuyển đến các địa điểm như công ty, nhà ga, sân bay một cách nhanh chóng
nên ghế ngồi trên BKair sẽ đạt chuẩn hạng nhất của máy bay dân dụng.
Theo Tài liệu thiết kế máy bay dân dụng (Civil Jet Aircraft Design), bề
rộng của ghế hạng nhất có kích thước từ 625 đến 700 mm (tương ứng với 25 –
28 inch).

Hình 9 Kích cỡ ghế theo hạng

8
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MÁY BAY

GVHD: TS. PHẠM GIA ĐIỀM


Phùng Đức Minh
Chương 1: Giới thiệu tổng quan
Lựa chọn kích thước chiều rộng ghế là 700 mm (tính cả phần để tay) cho
cả 4 ghế ở hai hàng trước sau. Chiều cao của ghế là 495 mm kể từ mặt sàn kết
hợp tập kê chân có thể thu mở giúp cho hành khách thoải mái nhất khi ngồi.
Chiều cao chỗ để tay là 650 mm kể từ mặt sàn với bề rộng 100 mm cho mỗi bên,
có bàn làm việc được tích hợp bên trong giúp hành khách có thể làm việc ngay
khi đang di chuyển. Với tổng chiều của ghế lên tới 1,2 m giúp người ngồi có thể
dự và gối đầu một cách dễ chịu.

Hình 10 Kích thước mặt trước ghế ngồi
Chiều dài của cabin sẽ được quyết định bởi khoảng cách ghế trước và sau,
tính từ chân ghế của 2 ghế liền kề. Khoảng cách này đồng thời quyết định đến
độ ngả ra sau của ghế.

9
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MÁY BAY

GVHD: TS. PHẠM GIA ĐIỀM

Phùng Đức Minh
Hình 11 Khoảng cách trước sau theo hạng ghế

Chương 1: Giới thiệu tổng quan

Hình 12 Khoảng cách trước sau tiêu chuẩn ghế ngồi
Theo tài liệu thiết kế máy bay dân dụng (Civil Jet Aircraft Design),
khoảng cách trước sau cho khoang ghế hạng nhất là từ 950 mm đến hơn 1050
mm tương đương với 38-42+ inch. Để tối ưu diện tích mà vẫn có sự thoải mái
tối đa cho hành khách, lựa chọn kích thước này là 1020 mm.
Với khoảng cách ghế trước sau là 1020 mm cùng chiều cao ghê là 495
mm, BKair cho mọi khách hàng có chỗ để chân thoải mái nhất. Ngoài ra, với
khoảng cách là 1020 mm, hành khách sẽ có thể dễ dàng vào chỗ ngồi hơn.
Hàng ghế trước do khơng có vật cản đằng trước nên sẽ có chỗ để chân
ngắn hơn chút với chiều dài là 820 mm. Do các ghế đều được lắp trên các ray
chạy nên khoảng cách này có thể thay đổi được tùy vào điều kiện sử dụng.
Hàng ghế sau có khoảng cách từ chân ghế đến cuối cabin là 900 mm giúp
ghế ngả được ra đằng sau tối đa lên tới 30 độ.
Từ các lựa chọn kích thước ghế ở trên có được kích thước cuối cùng của
cabin với chiều dài lớn nhất là 2,75 m và rộng 1,6 m. Khoảng cách giữa 2 ghế
cùng một hàng là 70 mm. Chiều dài của một ghế nhìn theo hình chiếu bằng là
860 mm đến 900 mm. Tổng chiều dài của cabin hành khách sé là 2740 mm.
10
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MÁY BAY

GVHD: TS. PHẠM GIA ĐIỀM


Phùng Đức Minh

Chương 1: Giới thiệu tổng quan

Hình 13 Khoảng cách trước sau ghế ngồi BKair
Các ghế cũng có thể tịnh tiến theo phương ngang để tạo ra các khoảng
trống theo ý muốn. Nếu dịch hết ghế sang một phía và khơng tạo khoảng cách
giữa hai ghế thì có thể tạo ra một khoảng trống bên cạnh là 200 mm. Với khoảng
trống đó hành khách có thể để cặp sách ở bên cạnh thay vì dưới chân.

Hình 14 Kích thước tổng thể cabin
11
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MÁY BAY

GVHD: TS. PHẠM GIA ĐIỀM


Phùng Đức Minh
Chương 1: Giới thiệu tổng quan
Với chiều cao của trần cabin là 1561 mm tính từ sàn, thể tích của cabin là
6,8684 m3. Khối lượng khơng khí thở là 3,2 m3, mỗi khách có 0,8 m3 khơng khí
trung bình để. Vậy thể tích cabin đạt tiêu chuẩn cho khoang hạng nhất máy bay
thương mại, rất thoải mái và thoáng mát.
1.4 Pin treo
BKair hoạt động nhờ 4 cục pin riêng biệt cho mỗi cặp động cơ với dung
tích tổng cộng lên tới 110 kWh. Với công nghệ pin ngày nay, một cục pin
lithium-ion 110 kWh có trọng lượng khoảng 500 kg. Với trọng lượng lớn như
vậy, 4 cục pin chiếm 25% trọng lượng của máy bay. Vì vậy việc di chuyển vị trí
của pin sẽ giúp ích rất nhiều trong việc điều khiển trọng tâm máy bay như việc
di chuyển nhiên liệu trên máy bay dân dụng. Do đó việc lắp 4 cục pin trên dàn
khung có thể dịch chuyển tịch tiến trước sau sẽ giúp việc ổn định và cân bằng
bay.

Hình 15 Pin treo
Hệ thống pin (màu vàng) sẽ được đặt ở phía sau máy bay và được treo lên
xà dọc chính của khung máy bay. Với việc treo như vậy, khoảng không khoang
sau của máy bay được tối ưu thể tích. Ngồi ra trọng lượng của 4 cục pin sẽ
được đẩy ra xa về phía đi máy bay nhất, từ đó có thể cân bằng mơ-men với
trọng lượng của khoảng hành khách qua trọng tâm máy bay (như có thể thấy
trên hình, trục đứng chính giữa 2 cặp cánh quạt là trục dọc trọng tâm máy bay).
Ngoài ra, trong quá trình bay, dịch chuyển trọng lượng pin cũng có thể khiến
12
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MÁY BAY

GVHD: TS. PHẠM GIA ĐIỀM


Phùng Đức Minh
Chương 1: Giới thiệu tổng quan
may bay thay đổi góc trúc lên hay xuống. Từ đó có thể giữ nguyên tốc độ của
cánh quạt mà vẫn điều khiển được máy bay. Khi 4 cục pin ở phần tận cùng về
phía đi, máy bay có thể trúc góc lên và ngược lại khi tồn bộ số pin ở phía
đằng trước.

Hình 16 Dịch chuyển độc lập
Hệ thống pin được chia là 4 mơ-đun riêng biệt, các cục pin đều có thể
dịch chuyển một cách tự do không rằng buộc với các khối khác. Nhưng biên độ
di chuyển vẫn sẽ phụ thuộc vào các cục pin liền kề nó. Vì vậy các cục pin sẽ
được dịch chuyển lần lượt để định tâm, cân bằng máy bay. Khi máy bay đã ổn
định hay đạt được điều khiển như mong muốn, các cục pin sẽ khóa tại vị trí đã
được di chuyển. Với việc dịch chuyển đơn như vậy, máy bay có thể dễ dàng điều
khiển trọng tâm hơn với việc chia nhỏ khối lượng thay đơi thay vị tổng cả 500

kg. Ngồi ra, sẽ có nhiều cách để dịch chuyển 4 cục pin để có được các giá trị
cân bằng hơn, yêu cầu độ chính xác thấp hơn với khối lượng lớn tập trung một
điểm.

13
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MÁY BAY

GVHD: TS. PHẠM GIA ĐIỀM


Phùng Đức Minh

Chương 1: Giới thiệu tổng quan

Hình 17 Khung treo
Toàn bộ khối lượng của bộ pin sẽ được treo lên bộ khung 4 xà dọc. Với
việc chia nhỏ khối lượng, việc tịnh tiến pin cũng sẽ dễ dàng hơn với khối lượng
nhẹ. Mỗi thanh xà sẽ chịu trách nhiệm di chuyển 1 cục pin với khối lượng
khoảng hơn 100 kg. Hệ thống cũng có thể lựa chọn gắn cứng khoảng cách các
cục pin với nhau để có thể di chuyển cả khối 4 cell. Như vậy, hệ thống sẽ bớt
được thơng tin cần xử lý.

Hình 18 Các cell pin ở vị trí trọng tâm máy bay

14
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MÁY BAY

GVHD: TS. PHẠM GIA ĐIỀM

Phùng Đức Minh
Chương 1: Giới thiệu tổng quan
Khác so với máy bay dân dụng, lượng nhiên liệu luôn giảm trong suốt quá
trình bay vì vậy sẽ cần nhiều hệ thống cân bằng và ổn định trọng tâm máy bay
khác. Các viên pin dù có hết điện thì khối lượng vẫn sẽ khơng thay đổi trong
suốt q trình sử dụng. Vì vậy việc ổn định bay bằng tịnh tiến trọng lượng pin sẽ
ln được duy trì.
Với hệ thống pin được lắp trên ray di chuyển, các cell pin cũng có thể dễ
dàng được thay thế bằng các thanh ray nối dài. Nhờ đó có thể tiết kiệm được
thời gian chờ sạc. Việc sử chữa hay thay thế pin chai cũng dễ dàng, an toàn và
hiệu quả hơn.
1.5 Hệ thống
Các hệ thống điều khiển, quản lý, liên lạc của máy bay sẽ được đặt ở
khoang sau máy bay (màu xanh).

Hình 19 Avionics & FTI
BKair hoạt động hồn tồn bằng điện, khơng sử dụng các cơ cấu cơ khí để
giảm khối lượng máy bay. Hệ thống điện có ưu điểm thời gian phản hồi tín hiệu,
hoạt động tương đối tin cậy. Ngồi ra bởi vì máy bay hoạt động như một octorotor cỡ lớn nên khơng cần các bánh lái điều khiển, vì vậy khơng cần hệ thống
thủy lực hay khí nén. Hệ thống có thể tịnh tiến duy nhất là bằng tải pin sử dụng
các motor điện để di chuyển trước sau.

15
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MÁY BAY

GVHD: TS. PHẠM GIA ĐIỀM


Phùng Đức Minh

Chương 1: Giới thiệu tổng quan

Hình 20 Hệ thống máy bay
Phía trên của pin là hệ thống phân phối năng lượng. Hệ thống này được
chia làm hai hộp riêng biệt cho tăng tính tin cậy của hệ thống và tăng độ an toàn
cho máy bay. Với hai hệ thống riêng biệt, hệ thống có thể phịng ngừa mọi hỏng
hóc đơn phần và ngăn ảnh hưởng đến các hệ thống khác. Vì vậy BKair có thể hạ
cánh an tồn với việc hỏng một cục pin, một động cơ hay một cánh quạt. Mỗi 2
cục pin được kết nối với một hộp phân phối, từ đó được dẫn tới bộ biến tần
(inverter) và tới 4 động cơ phía trước hoặc sau. Với bộ biến tần, tốc độ quay của
mỗi cặp cánh quạt sẽ được điều khiển để thực hiện các chuyển động bay. Bộ
biến tần được chia làm hai cũng như hệ thống phân phối năng lượng, được đặt ở
tận thanh xà ngang trước và sau.
Với động cơ điện cảm ứng có cơng suất 100 kW, sinh được mơ-men xoắn
lên tới 1500 Nm, nhiệt năng sinh ra tương đối cao tuy rằng hiệu suất chuyển đổi
điện năng thành cơ năng trên 98-99%. Có 4 bộ tản nhiệt, mỗi bộ cho 1 cặp động
cơ đặt ngay dưới cánh quạt.
16
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MÁY BAY

GVHD: TS. PHẠM GIA ĐIỀM


Phùng Đức Minh

Chương 2: Thiết kế khí động

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ KHÍ ĐỘNG
2.1 Lý thuyết cánh quạt máy bay lên thẳng
2.1.1 Lý thuyết phân tố cánh (Blade Element Theory)

Theo lý thuyết này, mỗi phân tố cánh được xem như một cánh nhỏ chuyển
động theo quỹ đạo cong với tốc độ u=r

Hình 21 Lý thuyết phân tố cánh
Nếu profile cánh đối xứng và góc đặt cánh   0 độ thì cánh khơng đẩy
khơng khí xuống dưới, cịn vi và T bằng 0.
Khi profile cánh không đối xứng và   0 độ, dịng khơng khí chảy bao
lên phân tố cánh bị lệch xuống dưới.
Độ lệch này và do đó tốc độ cảm ứng sẽ càng lớn nếu góc đặt phân tố
cánh càng lớn và tốc độ góc hay số vịng quay của chong chóng mang càng tăng.
Đem cộng véc tơ tốc độ vòng và tốc độ cảm ứng, ta thu được véc tơ tổng . Góc
 giữa dây cung của phân tố cánh và tốc độ tổng hợp gọi là góc va của phân tố
cánh. Các lực khí động xuất hiện trên chong chóng mang phụ thuộc vào góc va
này.
Nghiên cứu phổ chảy bao của phân tố cánh người ta thấy rằng nó hồn
tồn giống phổ chảy bao qua cánh máy bay thường. Trên cơ sở đó có thể nhận
17
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ MÁY BAY

GVHD: TS. PHẠM GIA ĐIỀM