Giáo trình máy bay trực thăng Hust

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI


(Dùng cho sinh viên ngành kỹ thuật hàng không)

Nhà xuất bản ĐHBK Hà Nội


1

Nguyễn Thế Mịch

Giáo trình

MÁY BAY TRỰC THĂNG

NHÀ XUẤT BẢN BÁCH KHOA – HÀ NỘI


2

LỜI NĨI ĐẦU
Máy bay trực thăng là loại khí cụ bay đã được sử dụng rất rộng rãi trong ngành hàng khơng
dân dụng và trong qn sự. Do những tính năng đặc biệt của máy bay trực thăng (MBTT), có thể
bay lên và hạ cánh theo phương thẳng đứng, có thể bay treo trong không trung và di chuyển với
tốc độ rất nhỏ nên trong nhiều trường hợp, cho phép ta thực hiện những nhiệm vụ mà các khí cụ
bay khác khơng thể thực hiện được.
Vì vậy lĩnh vực sử dụng MBTT ngày càng được mở rộng thêm và do đó mơn học MÁY BAY
TRỰC THĂNG là mơn học khơng thể thiếu được trong chương trình đào tạo kỹ sư Hàng không.
Để đáp ứng nhu cầu tài liệu tham khảo cơ bản cho sinh trên cơ sở bài giảng đã được giảng
dạy cho các lớp chuyên ngành kỹ thuật hàng không và đề cương môn học máy bay trực thăng.

Chúng tơi đã hồn thiện và cho ra mắt bạn đọc tài liệu máy bay trực thăng làm giáo trình học tập
cho sinh viên chuyên ngành kỹ thuật hàng không của trường ĐHBK Hà Nội và là tài liệu tham
khảo cho những ai u thích tìm hiểu về MBTT.
Do tài liệu tham khảo cịn hạn chế và trình độ của người biên soạn, tài liệu này chắc không
tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự góp ý của bạn đọc và đồng nghiệp.
Chủ biên
Nguyễn Thế Mịch


3

Mục Lục
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................................................. 2
BẢNG CÁC KÝ HIỆU……………………………………………………………………………..7
Chương I. NGUYÊN LÝ CỦA MÁY BAY TRỰC THĂNG ...................................................... 11
1.1.TÓM TẮT LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA MÁY BAY TRỰC THĂNG.......................... 11
1.2.MÁY BAY TRỰC THĂNG VÀ CÁC BỘ PHẬN CHỦ YẾU CỦA NÓ ......................... 12
1.3. PHÂN LOẠI MÁY BAY TRỰC THĂNG ....................................................................... 15
Chương II. CÁC ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA CHONG CHÓNG MANG ................................ 17
2.1. CÁC ĐẶC ĐIỂM CHUNG ............................................................................................... 17
2.2. CÁC ĐẶC TRƢNG HÌNH HỌC ...................................................................................... 17
2.3. CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CHỦ YẾU CỦA CCM ......................................................... 22
2.4. HỆ SỐ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA CCM ........................................................................ 24
Chương III. CHONG CHÓNG MANG LÀM VIỆC Ở CHẾ ĐỘ CHẢY BAO DỌC TRỤC . 25
3.1. LÝ THUYẾT XUNG CỦA CCM LÝ TƢỞNG ............................................................... 25
3.2. LÝ THUYẾT PHÂN TỐ CÁNH ...................................................................................... 27
3.3. LỰC CẢN QUAY CỦA CCM ......................................................................................... 29
3.4. CÔNG SUẤT VÀ MÔMEN XOẮN YÊU CẦU ĐỂ QUAY CHONG CHÓNG MANG 30
3.5. ĐIỀU KHIỂN SỐ VÒNG QUAY CỦA CCM ................................................................. 31
3.6. CÁC PHƢƠNG PHÁP CÂN BẰNG TÁC DỤNG CỦA MÔMEN CẢN Ở CCM.......... 32

3.7. CÁC PHƢƠNG PHÁP TRUYỀN MÔMEN XOẮN TỪ ĐỘNG CƠ TỚI CCM............. 33
3.8. CÔNG SUẤT HIỆU DỤNG – SỬ DỤNG CỦA CCM .................................................... 35
3.9. LỰC KÉO CỦA CCM KHI BAY LÊN VÀ KHI HẠ XUỐNG THẲNG ĐỨNG ........... 36
3.10. CÁC TỔN THẤT Ở CHONG CHÓNG THỰC.............................................................. 39
3.11. ĐẶC ĐIỂM LÀM VIỆC CỦA HỆ HAI CCM ĐỒNG TRỤC ....................................... 40
Chương IV . CHONG CHÓNG MANG LÀM VIỆC Ở CHẾ ĐỘ CHẢY BAO NGHIÊNG .. 43
4.1. ĐẶC ĐIỂM LÀM VIỆC CỦA CCM Ở CHẾ ĐỘ CHẢY BAO NGHIÊNG ................... 43
4.2. PHƢƠNG VỊ CỦA CÁNH VÀ TỐC ĐỘ TỔNG HỢP CỦA PHÂN TỐ CÁNH Ở CHẾ
ĐỘ CHẢY BAO NGHIÊNG ................................................................................................... 45
4.3. SỰ THAY ĐỔI TỐC ĐỘ VÒNG VÀ TỐC ĐỘ TỔNG HỢP THEO BÁN KÍNH CỦA
CCM ......................................................................................................................................... 47
4.4. LỰC KÉO CỦA CÁNH VÀ SỰ THAY ĐỔI CỦA NÓ THEO PHƢƠNG VỊ ................ 48
4.5. NHƢỢC ĐIỂM CỦA CCM CĨ CÁNH GẮN CỨNG VÀ CƠNG DỤNG CỦA BẢN LỀ
NGANG ................................................................................................................................... 49


4

4.6. ĐIỀU KIỆN CÂN BẰNG CỦA CÁNH SO VỚI BẢN LỀ NGANG (BLN) ................... 50
4.7. HÌNH CƠN QUAY CỦA CCM ........................................................................................ 52
4.8. CHUYỂN ĐỘNG ĐÀ CỦA CÁNH ................................................................................. 53
4.9. SỰ LỆCH TRỤC CÔN QUAY CỦA CCM ..................................................................... 54
4.10. HẠN CHẾ CHUYỂN ĐỘNG ĐÀ CỦA CÁNH, BỘ PHẬN BÙ VẪY CÁNH ............. 56
4.11. SỰ THAY ĐỔI GÓC VA CỦA PHÂN TỐ CÁNH DO CHUYỂN ĐỘNG ĐÀ ............ 58
4.12. ẢNH HƢỞNG CỦA SỐ CÁNH ĐẾN ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG CỦA CCM ................ 59
4.13. SỰ THAY ĐỔI LỰC CẢN QUAY VÀ MÔMEN CẢN THEO PHƢƠNG VỊ ............. 60
4.14. CÁC LỰC QUÁN TÍNH TÁC DỤNG ĐẾN CÁNH CỦA CCM .................................. 60
4.16. LÀM GIẢM CHUYỂN ĐỘNG XOAY CÁNH XUNG QUANH BẢN LỀ THẲNG
ĐỨNG ...................................................................................................................................... 64
4.17. KHẢ NĂNG BỊ MẤT ỔN ĐỊNH TRONG CHUYỂN ĐỘNG ĐÀ CỦA CÁNH .......... 66

Chương V . CÁC CHẾ ĐỘ BAY THẲNG ĐỨNG CỦA MÁY BAY TRỰC THĂNG ............ 69
5.1. ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA CHẾ ĐỘ BAY TREO .......................................................... 69
5.2. SƠ ĐỒ CÁC LỰC TÁC DỤNG LÊN MÁY BAY VÀ ĐIỀU KHIỂN BAY TREO ....... 70
5.3. LỰC KÉO VÀ CÔNG SUẤT TIÊU THỤ ĐỂ BAY TREO............................................. 72
5.4. BAY LÊN THẲNG ĐỨNG .............................................................................................. 77
5.5. HẠ CÁNH THẲNG ĐỨNG VỚI ĐỘNG CƠ LÀM VIỆC .............................................. 83
5.6. CHẾ ĐỘ VỊNG XỐY ................................................................................................... 84
Chương VI . SỰ BAY NGANG (BAY BẰNG) CỦA MÁY BAY TRỰC THĂNG................... 86
6.1. ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA SỰ BAY NGANG ................................................................ 86
6.2. LỰC KÉO VÀ CÔNG SUẤT YÊU CẦU ĐỂ BAY NGANG ......................................... 86
6.3. CÁC TỐC ĐỘ ĐẶC TRƢNG KHI BAY NGANG .......................................................... 90
6.4. ẢNH HƢỞNG CỦA TRỌNG LƢỢNG BAY VÀ ĐỘ CAO BAY ĐẾN ĐẶC TÍNH BAY
.................................................................................................................................................. 92
6.5. NHỮNG NGUYÊN NHÂN HẠN CHẾ TỐC ĐỘ BAY NGANG LỚN NHẤT VÀ
NHỮNG GIẢI PHÁP ĐỂ TĂNG TỐC ĐỘ BAY NGANG .................................................... 94
6.6. THỜI GIAN BAY VÀ TẦM BAY NGANG.................................................................... 95
Chương VII . BAY LÊN THEO QUỸ ĐẠO NGHIÊNG ............................................................ 99
7.1. ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA CHẾ ĐỘ BAY LÊN THEO QUỸ ĐẠO NGHIÊNG ........... 99
7.2. LỰC KÉO VÀ CÔNG SUẤT YÊU CẦU ĐỂ BAY LÊN THEO QUỸ ĐẠO NGHIÊNG
.................................................................................................................................................. 99
7.3. TỐC ĐỘ THEO PHƢƠNG THẲNG ĐỨNG KHI BAY LÊN THEO QUỸ ĐẠO
NGHIÊNG .............................................................................................................................. 101


5

7.4. SỰ THAY ĐỔI TỐC ĐỘ THEO PHƢƠNG THẲNG ĐỨNG, THEO ĐỘ CAO .......... 102
Chương VIII. BAY XUỐNG THEO QUỸ ĐẠO NGHIÊNG.................................................. 105
8.1. ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA CHẾ ĐỘ BAY XUỐNG .................................................... 105
8.2. LỰC KÉO VÀ CÔNG SUẤT YÊU CẦU ĐỂ BAY XUỐNG THEO QUỸ ĐẠO

NGHIÊNG.............................................................................................................................. 106
8.3. TỐC ĐỘ BAY XUỐNG VỚI ĐỘNG CƠ LÀM VIỆC .................................................. 108
Chương IX. MÁY BAY TRỰC THĂNG BAY Ở CHẾ ĐỘ TỰ QUAY CỦA CHONG
CHÓNG MANG ........................................................................................................................... 110
9.1. HẠ CÁNH THẲNG ĐỨNG ........................................................................................... 110
9.2. CÁC LỰC KHÍ ĐỘNG CỦA CÁNH ............................................................................. 113
9.3. CÁC ĐIỀU KIỆN VÀ CHẾ ĐỘ TỰ QUAY CỦA CHONG CHÓNG MANG ............. 114
9.4. ĐIỀU KIỆN TỰ QUAY CỦA CÁC PHÂN TỐ CÁNH KHÁC NHAU TRÊN CÁNH 117
9.5. BAY LÀ .......................................................................................................................... 120
9.6. TỐC ĐỘ HẠ THẤP THEO PHƢƠNG THẲNG ĐỨNG KHI BAY LÀ. ĐỒ THỊ CHỈ
ĐỊNH QUỸ ĐẠO BAY LÀ ................................................................................................... 123
9.7. ĐỘ CAO BAY AN TOÀN ............................................................................................. 126
9.8. CHUYỂN TỪ BAY VỚI ĐỘNG CƠ LÀM VIỆC SANG BAY Ở CHẾ ĐỘ TỰ QUAY
CỦA CCM ............................................................................................................................. 127
9.9. CÁC ĐẶC ĐIỂM BAY LÀ CỦA MBTT CÓ HAI CHONG CHÓNG MANG ............. 129
Chương X . CẤT CÁNH VÀ HẠ CÁNH ................................................................................... 131
10.1. CẤT CÁNH................................................................................................................... 131
10.2. HẠ CÁNH ..................................................................................................................... 134
Chương XI. SỰ CÂN BẰNG, TÍNH ỔN ĐỊNH VÀ TÍNH ĐIỀU KHIỂN CỦA MÁY BAY
TRỰC THĂNG ............................................................................................................................ 140
11.1. TRỌNG TÂM VÀ SỰ ĐỊNH TÂM CỦA MBTT ........................................................ 140
11.2. ĐẶC ĐIỂM CHUNG VỀ SỰ CÂN BẰNG CỦA MBTT ............................................ 142
11.3. SỰ CÂN BẰNG CỦA MBTT Ở CHẾ ĐỘ BAY TREO .............................................. 143
11.4. ĐỘ ỔN ĐỊNH TĨNH CỦA MBTT ............................................................................... 149
11.5. ĐỘ ỔN ĐỊNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA MBTT ........................................................... 153
11.6. KHÁI NIỆM VỀ ĐIỀU KHIỂN MBTT ....................................................................... 155
11.7. SỰ THAY ĐỔI BƢỚC CHUNG VÀ SỰ THAY ĐỔI BƢỚC THEO CHU KỲ CỦA
CHONG CHĨNG .................................................................................................................. 155
11.8. CƠNG DỤNG VÀ NGUYÊN LÝ CẤU TẠO CỦA CƠ CẤU LÀM LỆCH CHONG
CHÓNG MANG .................................................................................................................... 156

6

11.9. CÁC NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN MBTT MỘT CHONG CHÓNG MANG ............. 159
11.10. NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN MBTT CÓ HAI CHONG CHĨNG MANG ................ 161
11.11. KHÁI NIỆM VỀ TÍNH ĐIỀU KHIỂN ĐƢỢC CỦA MÁY BAY TRỰC THĂNG... 163
Chương XII. SỰ RUNG ĐỘNG CỦA MÁY BAY TRỰC THĂNG ....................................... 166
12.1. ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA SỰ RUNG ĐỘNG............................................................ 166
12.2. SỰU DAO ĐỘNG CƢỠNG BỨC CỦA MBTT .......................................................... 167
12.3. DAO ĐỘNG TỰ KÍCH THÍCH ................................................................................... 169
12.4. SỰ DAO ĐỘNG UỐN VÀ UỐN –XOẮN CỦA CÁC CÁNH ĐƢỢC GẮN CỨNG . 171
TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………………………177


7

BẢNG CÁC KÝ HIỆU
A

Góc dịng chảy bao qua Chong chóng mang

Cmax

Chiều dài tối đa của profil

Cmax

Chiều dài tƣơng đối Cmax 

Ch

Lƣợng tiêu thụ nhiên liệu trong 1h

Ck

Lƣợng tiêu thụ nhiên liệu để bay đƣợc 1 km

Cr

Lƣợng tiêu thụ nhiên liệu riêng

CrH , Cr0

Lƣợng tiêu thụ nhiên liệu ở độ cao H (km) và tại mặt nƣớc biển

CR

Hệ số lực cản khí động

CT

Hệ số lực kéo chong chóng mang

CXch

Hệ số lực cản thân có hại

C y7

Hệ số lực nâng của phân tố cánh có bán kính tƣơng đối r  0,7

D

Đƣờng kính chong chóng mang (CCM)

F

Diện tích qt của CCM F  R 2 

Fk

Lực coriolit

G

Trọng lƣợng của máy bay

Gc

Trọng lƣợng cánh

G cc

Trọng lƣợng cất cánh

G nhl

Trọng lƣợng nhiên liệu

G tb

Trọng lƣợng bay trung bình

H

Độ cao bay

H at

Độc cao bay an tồn

Jk

Gia tốc coriolit

K

Hệ số bù vẫy

M b ln

Mơmen bản lề ngang

Mc

Mơmen cản chong chóng mang

M c.ccl

Mơmen cản chong chóng lái

M ccl

Mơmen chong chóng lái (CCL)

M cđ

Mơmen cánh đi

Mu

Mơmen uốn

Cmax
b

D 2
4


8

Mx

Mômen xoắn

N

Lực ly tâm

N bl

Công suất bay lên

N blt

Công suất bay lên trên

N ccl

Công suất để quay CCL

N ccp

Công suất truyền động cho cơ cấu phụ

N cđ

Công suất chuyển động

Ncđ.ngang

Công suất chuyển động ngang

N đc

Công suất động cơ

N hc

Công suất hạ cánh

Ni

Công suất cảm ứng

N ms

Công suất do ma sát trong bộ truyền

N ng

Công suất bay ngang

N p , N pr

Cơng suất cản profil

Nq

Cơng suất để quay quạt gió

N sd

Cơng suất sử dụng

N th

Cơng suất để thơng thống các bộ phận

N treo

Công suất bay treo

N yc

Công suất yêu cầu

L ng

Tầm bay ngang

Pcđ

Lực chuyển động

R

Bán kính chong chóng mang

Sc

Diện tích của một cánh

T

Lực kéo CCM

Tc

Lực kéo của cánh

Tccl

Lực kéo chong chóng lái

Th

Thời gian bay

V

Vận tốc tƣơng đối dịng khí tới cánh

Vbl

Vận tốc bay lên

VBL

Vận tốc bay là

Vbx

Vận tốc bay xuống

Vhc

Vận tốc hạ cánh

9

Vng

Vận tốc bay ngang

Vp

Tốc độ hƣớng kính tƣơng đối

Vv

Tốc độ vẫy thẳng đứng

X ch

Lực cản thân có hại

Z

Áp lực lên hơng máy bay

a

Gia tốc của dịng khí

a0

Góc cơn

b

Chiều dài dây cung

f max

Độ võng lớn nhất

f max

Độ võng tƣơng đối lớn nhất f max 

k

Số cánh

ms

Khối lƣợng khơng khí đi qua diện tích qt của CCM trong 1s

mx

Hệ số mơmen xoắn

n

Số vịng quay chong chóng mang

ns

Số vịng quay của chong chóng mang trong 1s

lccl

Khoảng cách từ trọng tâm của MBTT đến CCL

p

Phụ tải riêng p 

q

Sức kéo riêng q 

r

Bán kính phân tố cánh

r

Bán kính tƣơng đối

rQ

Bán kính điểm đặt lực cản tới trục may ơ

vi

Vận tốc cảm ứng

vđ

Vận tốc đẩy dịng khí xuống của cánh CCM

vy

Vận tốc bay lên – xuống

x

Độ định tâm



Góc tới

 o7

Góc va của phân tố cánh phân bố ở bán kính tƣơng đối r  0,7



Góc vẫy



Hệ số tổn thất đầu cánh



Độ nghiêng của véctơ lực kéo



Góc đặt phân tố cánh

f max
b

G kG
,
F m2

T
N yc


10



Góc nghiêng



Góc lệch dọc



Hệ số làm việc của CCM  



Góc chúc, ngóc khi bay lên, bay xuống



Mật độ dịng khơng khí



Hệ số điền đầy  

7

Hệ số điền đầy ở bán kính r  0,7



Vận tốc góc quay CCM



Hệ số sử dụng cơng suất



Góc phƣơng vị



Mật độ tƣơng đối của khơng khí

N

Cơng suất dƣ

P

Độ tăng áp suất dịng khơng khí

Q p

Lực cản profil

Qi

Lực cản cảm ứng

Q

Tổng lực cản cánh



Độ tăng góc va

V cos A

R

Sc .k
F

H

o


11

Chương I
NGUYÊN LÝ CỦA MÁY BAY TRỰC THĂNG
1.1.TÓM TẮT LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA MÁY BAY TRỰC THĂNG
Ý tƣởng tạo ra khí cụ bay có cánh quạt để tạo ra lực nâng đã đƣợc Lê-ô-na-đơ-vanh-xi đề
xuất đầu tiên vào năm 1475. Nhƣng kỹ thuật thời
đó chƣa thể thực hiện đƣợc thiết kế nhƣ vậy, vả lại
với con mắt thù địch của tơn giáo thì ý tƣởng đó là
q lớn. Nó đã bị chôn vùi trong kho tài liệu lƣu
trữ.
Các bản vẽ và thuyết minh về khí cụ bay này
đã đƣợc tìm thấy ở thƣ viện Milansk và đã đƣợc
cơng bố vào cuối thế kỷ XIX (H 1)
Năm 1754, M.V.Lơ-ma-nô-xốp đã lập luận
về khả năng tạo ra khí cụ bay nặng hơn khơng khí
và đã xây dựng mơ hình máy bay trực thăng có hai
chong chóng mang (CCM) bố trí đồng trục
Ở thế kỷ XIX, nhiều nhà bác học và kĩ sƣ
ngƣời Nga đã nghiên cứu thiết kế các khí cụ bay có

CCM. Năm 1869 kĩ sƣ điện A.N.Lơ-đƣ-ghin đã đề
nghị thiết kế MBTT có động cơ điện.
Năm 1870, nhà bác học nổi tiếng M.A.Rƣka-trép đã thiết kế cánh quạt không khí. Nhà bác Hình 1. Bức họa của Lê-ơ-na-Đơ-vanh-xi
học luyện kim D.K.Tre-rơ-nốp đã thiết kế các sơ
đồ MBTT có các CCM bố trí dọc, ngang và đồng trục.
Vào cuối thể kỷ XIX, các nhà bác học lỗi lạc ngƣời Nga nhƣ D.I.Men-đê-lê-ép, L.E.Xi-ơnkốp-ski, N.E.Giu-kốp-ski, S.A.Tráp-lƣ-ghin, đã thiết kế nhiều khí cụ bay. Một thời kì mà những lập
luận sấu sắc về ý tƣởng bay lên các khí cụ bay nặng hơn khơng khí đã đƣợc bắt đầu.
Vào năm 1911, ngƣời học trò gần gũi nhất của N.E.Giu-kốp-ski là B.N.Iuriep đã thiết kế
máy bay trực thăng một CCM, có chong chóng lái (CCL) và đã thiết kế cơ cấu chủ yếu để điều
khiển MBTT – cơ cấu làm lệch chong chóng mang.
Sau cách mạng tháng 10, ở Nga đã phát triển mạnh mẽ ngành công nghiệp hàng không và
tiếp tục các cơng trình nghiên cứu, thiết kế MBTT.
Năm 1925, viện nghiên cứu khí thủy động học trung ƣơng ЦАГИ đã thành lập một nhóm
thực hiện các thiết kế đặc biệt, chuyên thiết kế MBTT, dƣới sự lãnh đạo của B.N.Iuriep
Năm 1930 đã chế tạo thành công MBTT đầu tiên của Nga: ЦАГИ -17A (H 2). Năm 1932 kỹ
sƣ trƣởng A.M.Trê-rê-mƣ-khin, trên chiếc máy bay này đã lập kỉ lục thế giới về độ cao lúc đó là
605 m.
Năm 1948 đã chế tạo các MBTT một chong chóng Mi-1, ЯK-100. Kết quả thử nghiệm đã
chứng tỏ MBTT Mi-1 có nhiều tính năng ƣu việt hơn và đã đƣợc đem chế tạo hàng loạt.


12

Năm 1952 đã chế tạo MBTT Mi-4, ở thời gian đó là MBTT có tải trọng hữu ích lớn nhất.
Cũng trong năm đó đã hồn thành chuyến bay đầu tiên của MBTT có hai CCM bố trí theo sơ đồ
dọc ЯK-24 , đƣợc mệnh danh là “toa xe bay” do A.S.Iakốplép thiết kế (H 3)
Năm 1958, đã chế tạo máy bay trực thăng hạng nặng Mi-6, đã lập một số kỷ lục thế giới về
tốc độ bay và khả năng mang tải.

Hình 2. Trực thăng ЦАГИ -17A

Hình 3. Trực thăng ЯK-24

Năm 1961, đã chế tạo MBTT có động cơ tuabin khí Mi-2 và Mi-8 (H 4a). Các máy bay này
đã đƣợc chế tạo hàng loạt để thay thế cho các máy bay Mi-1 và Mi-4.

Hình 4a. Trực thăng sử dụng động cơ tuabin

Hình 4b. Trực thăng khổng lồ năm 1971

Năm 1971, tại triển lãm hàng không vũ trụ của 29 nƣớc trên thế giới tổ chức tại Paris, đã giới
thiệu MBTT 2 chong chóng khổng lồ Mi-12 có khả năng chở hơn 40 tấn hàng (H 4b).
MBTT có thể bay lên, xuống thẳng đứng, có thể chuyển động theo phƣơng bất kì, đã khiến
cho nó trở thành khí cụ bay rất cơ động, không phụ thuộc vào sân bay và do đó mở rộng phạm vi
sử dụng của nó một cách đáng kể.
Hiện nay, MBTT đã đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành kinh tế quốc dân. Chúng là
phƣơng tiện vận tải chủ yếu ở những chỗ không thể sử dụng đƣợc máy bay thƣờng và phƣơng tiện
vận tải mặt đất. MBTT đƣợc sử dụng trong công tác xây lắp, phục vụ cứu ngƣời và tài sản khi xảy
ra thiên tai. MBTT cũng đã đƣợc sử dụng rộng rãi trong nông nghiệp và đặc biệt là trong quân sự quốc phòng.
1.2.MÁY BAY TRỰC THĂNG VÀ CÁC BỘ PHẬN CHỦ YẾU CỦA NĨ
MBTT – khí cụ bay nặng hơn khơng khí . Ở MBTT lực kéo đƣợc tạo ra bởi CCM theo
nguyên lý khí động.


13

1.2.1. Các bộ phận chính của MBTT

Thân

Chong chóng
lái

Chong chóng
mang

Càng
Động cơ
Hệ thống
truyền động
Hình 5. Các bộ phận chính của máy bay trực thăng
Chong chóng mang (CCM): đƣợc truyền chuyển động từ động cơ
Thân máy bay: dùng để bố trí phi hành đồn, hành khách, các trang thiết bị và hàng hóa
Càng: để đỗ hoặc di chuyển trên mặt đất
Chong chóng lái (CCL): đảm bảo sự cân bằng trên đƣờng bay và điều khiển đƣờng bay của máy
bay
Động cơ: để truyền chuyển động cho chong chóng mang, chong chóng lái và các trang thiết bị
khác.
Hệ thống truyền động: để truyền mômen xoắn từ động cơ tới chong chóng mang và chong chóng
lái
Tất cả các bộ phận của MBTT đƣợc bắt chặt với thân hoặc bố trí trong thân.
1.2.2. Nguyên lí điều khiển của MBTT
MBTT cũng nhƣ các khí cụ bay khác, có thể bay đƣợc khi có lực kéo cân bằng với trọng
lƣợng của nó. Lực kéo ở MBTT đƣợc tạo ra bởi CCM. Khi CCM quay trong khơng khí thì lực kéo
có phƣơng vng góc với mặt phẳng quay của CCM. Nếu CCM quay trong mặt phẳng nằm ngang
thì lực kéo T hƣớng thẳng đứng lên phía trên (hình 6a, 6b), nghĩa là có thể bay thẳng đứng
Đặc điểm bay đƣợc xác định bởi tỷ số giữa lực kéo của CCm và trọng lƣợng của MBTT.
Nếu lực kéo bằng trọng lƣợng của máy bay trực thăng thì nó bay treo tại chỗ trong khơng khí

 H 6a  . Nếu lực kéo lớn hơn trọng lƣợng, máy bay chuyển từ bay treo sang bay lên thẳng đứng

 H 6b  , khi lực kéo nhỏ hơn trọng lƣợng – máy bay hạ cánh thẳng đứng.
Mặt phẳng quay của CCM có thể nghiêng về phía bất kì so với mặt phẳng ngang (hình 1.6c,
1.6d). Trong trƣờng hợp này, lực kéo thực hiện hai nhiệm vụ. Thành phần thẳng đứng Y của nó là
lực nâng còn thành phần nằm ngang P là lực gây ra chuyển động. Dƣới tác dụng của lực này máy
bay chuyển động về phía trƣớc (hình 6c). Khi mặt phẳng quay của CCM lệch về phía sau máy bay
chuyển động về phía sau (hình 6d). Khi mặt phẳng quay lệch về phía bên phải hay bên trái gây ra
sự chuyển động của máy bay về phía tƣơng ứng.


14

Lực nâng

Lực đẩy
Lực cản

Trọng lƣợng

Lực đẩy (T)
T

T

Lực nâng (Y)

Trọng lƣợng (G)
Lực cản (D)
a)Bay treo Y=G, D=0

T

b)Bay lên đứng T=G+D

Y

Y

P

T

P

D

G
c)Bay ngang về phía trước

D

G
d)Bay ngang về phía sau

Hình 1.6. Ngun lý điều khiển bay của máy bay trực thăng


15

1.3. PHÂN LOẠI MÁY BAY TRỰC THĂNG
Đặc điểm chủ yếu để phân loại MBTT là số CCM và việc bố trí chúng theo số CCM, MBTT

có thể chia ra loại có một, hai và nhiều CCM.
1.3.1. Máy bay trực thăng có một chong chóng mang
Đây là loại MBTT phổ biến nhất. Sơ đồ MBTT một chong chóng có CCM bố trí ở phần
chính của thân và CCL ở phần đi. Sơ đồ này đã đƣợc B.N.Iuriep thiết kế từ năm 1911 và có thể
coi là sơ đồ cổ điển.
Ƣu điểm chính của MBTT một chong chóng là có cấu tạo và hệ thống điều khiển đơn giản.
Theo sơ đồ này, ngƣời ta đã có thể chế tạo MBTT loại nhẹ nhất (trọng lƣợng bay gần 500 KG) và
loại nặng nhất (trọng lƣợng bay trên 40 tấn)
Nhƣợc điểm của MBTT một chong chóng là chiều dài thân lớn, tổn thất cơng suất để truyền
động cho chong chóng lái là đáng kể (vào khoảng 7-10% tồn bộ cơng suất của động cơ); mức độ
rung động lớn (do có trục truyền động bố trí trong dầm đi dài là nguồn gây ra dao động phụ.

MBTT sử dụng ống phụt ở đuôi

MBTT sử dụng CCL ở đi

Hình 1.7. Các loại máy bay trực thăng một chong chóng mang
1.3.2.Máy bay trực thăng hai chong chóng mang
a)

b)

c)

d)

Hình 8. Các máy bay trực thăng có hai chong chóng mang


16

Có một số sơ đồ cấu tạo:
Có các CCM bố trí theo chiều dọc: (đây là sơ đồ phổ biến nhất. hình 8a)
Có các CCM bố trí theo chiều ngang: (H 8b)
Có các CCM bố trí chéo nhau: (H 8c)
Có các CCM bố trí đồng trục: (H 8d)
Ƣu điểm chính của MBTT có các CCM bố trí theo chiều dọc là phạm vi cho phép định tâm
rộng hơn, dung tích của thân lớn, cho phép chở hàng có kích thƣớc lớn; tăng đƣợc độ ổn định dọc,
hệ số mang tải lớn.
Ở MBTT sơ đồ dọc có thể có một hoặc 2 động cơ bố trí ở phần mũi và phần đi của thân.
Các máy bay này có nhƣợc điểm lớn: Hệ thống truyền động và điều khiển phức tạp; các
chong chóng mang có ảnh hƣởng tƣơng hỗ có hại, gây ra tổn thất công suất phụ; kỹ thuật hạ cánh ở
chế độ các CCM tự quay phức tạp.
Ƣu điểm chính của MBTT có các CCM bố trí ngang thân là tiện cho việc sử dụng tồn bộ
dung tích của thân để chở hàng và hành khách, bởi vì động cơ đƣợc đặt ở bên ngồi thân, các
chong chóng khơng có ảnh hƣởng có hại đối với nhau, tăng đƣợc độ ổn định ngang và dễ điều
khiển; có cánh phụ trên đó bố trí động cơ và CCM, cho phép MBTT tăng tốc độ lớn.
Nhƣợc điểm của MBTT loại này là hệ thống điều khiển và truyền động phức tạp, tăng kích
thƣớc cơ bản và trọng lƣợng kết cấu do có cánh phụ.
MBTT có 2 CCM đặt chéo nhau có ƣu điểm so với sơ đồ đặt ngang là khơng có cánh phụ
nên giảm đƣợc kích thƣớc cơ bản và trọng lƣợng kết cấu. Nhƣng có nhƣợc điểm là truyền động và
hệ thống điều khiển phức tạp nên hầu nhƣ không đƣợc chế tạo.
Ƣu điểm chính của MBTT có hai chong chóng đồng trục là có kích thƣớc cấu tạo nhỏ.
Nhƣợc điểm: cấu tạo phức tạp, độ ổn định bay kém; nguy hiểm do cánh của các CCM va chạm
nhau
Theo sơ đồ này ngƣời ta đã chế tạo các MBTT hạng nhẹ.
Các MBTT nhiều CCM không đƣợc áp dụng phổ biến do cấu tạo phức tạp.
Ở tất cả các MBTT có hai CCM thì các CCM này đều quay trái chiều nhau để các mômen
cản của chúng cân bằng lẫn nhau, không cần phải dùng CCL và giảm đƣợc lƣợng tiêu hao công
suất phi sản suất của động cơ.

17

Chương II
CÁC ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA CHONG CHÓNG MANG
2.1. CÁC ĐẶC ĐIỂM CHUNG
CCM là bộ phận chủ yếu của MBTT. Nó dùng để tạo ra lực nâng, lực chuyển động và để
điều khiển MBTT
Các bộ phận chính của CCM là may ơ và cánh. Các cánh tạo ra lực kéo cần để bay. May ơ
dùng để lắp tất cả các cánh và dùng để lắp chong chóng mang với trục quay chong chóng.
Theo đặc điểm cấu tạo có thể chia CCM ra làm 3 loại. Có cánh gắn cứng, có bản lề treo cánh
và có khớp các đăng. Loại thứ nhất và thứ ba do có nhiều nhƣợc điểm nay khơng sử dụng nữa.
CCM có cánh lắp trên các bản lề là loại đƣợc sử dụng phổ biến hơn cả. Mỗi cánh đƣợc lắp
trên may ơ bằng ba bản lề: dọc trục, nằm ngang và thẳng đứng. (H 1.9)
Cánh

Bản lề dọc trục
Bản lề đứng
Bản lề ngang

Hình 9. Chong chóng mang có cánh lắp trên các bản lề
2.2. CÁC ĐẶC TRƢNG HÌNH HỌC
CCM đƣợc đặc trƣng bằng các thơng số hình học nhất định: đƣờng kính, dạng cánh trên mặt
bằng, hình dạng của profil, góc đặt cánh, diện tích qt, phụ tải riêng và hệ số điền đầy.
2.2.1.Đƣờng kính của CCM
Là đƣờng kính của đƣờng trịn mà
các đầu mút cánh chuyển động
Nếu kí hiệu đƣờng kính là D, bán
kính là R, bán kính của mỗi phân tố cánh là r thì :

D

r
R


18

Tỷ số giữa bán kính của phân tố với bán kính của CCM gọi là bán kính tƣơng đối, ký hiệu là
r
do đó r  r.R
r và đƣợc tính : r 
R
2.2.2. Hình dạng cánh trên mặt bằng
Có thể là hình chữ nhật, hình thang và hình hỗn hợp.

Hình 10. Ba hình dạng cánh trực thăng
Về hình dạng chung, cánh của MBTT cũng tƣơng tự nhƣ cánh của máy bay cánh bằng. Mép
trƣớc của cánh gọi là mép va, mép sau của cánh gọi là mép va.
Cánh hình thang có sự phân bố lực khí động theo chiều dài đều hơn cả. Cánh hình chữ nhật
có cấu tạo đơn giản hơn nhƣng có đặc tính khí động xấu hơn một chút, các dạng cánh đƣợc dùng
phổ biến hơn cả là hình thang hình chữ nhật.

2.2.3.Profil của cánh
Là hình dạng tiết diện của cánh trong mặt phẳng vng góc với trục dọc
Profil của cánh CCM cũng giống nhƣ profil của cánh máy bay


19

Ngƣời ta thƣờng dùng profil lồi hai bên nhƣng
không đối xứng
Các yêu cầu đối với profil của cánh:
Có chất lƣợng khí động cao: k 

Cy

Hình 11. Profil cánh MBTT

Cx

C x -hệ số lực cản; C y -hệ số lực nâng
Tâm áp khơng dịch chuyển nhiều khi thay đổi góc va
Có khả năng tự quay trong phạm vi đáng kể của góc va.
Profil cánh đƣợc đặc trƣng bằng các thơng số:
Dây cung b – đoạn nối của mép vào và mép ra của profil
Cmax
b
là khoảng cách lớn nhất từ đƣờng trung bình của profil tới dây cung

Chiều dày lớn nhất của profil Cmax . Chiều dày tƣơng đối Cmax 
Độ võng f max

Độ cong tƣơng đối f max 

Cmax

f max
b

f max

Các profil khí động tập hợp thành từng
họ, mỗi họ có quy luật xác định sự thay đổi
chiều dầy và độ cong dọc theo dây cung.
Theo chiều dày tƣơng đối của profil, chia
làm ba loại:
Mỏng: Cmax  8%
Trung bình: Cmax  8  12%

b
Hình 12. Các thơng số của profil cánh

Dầy: Cmax  12% (tới 20%)

Ở đa số cánh CCM dùng profil loại dày,
cho phép tăng độ bền của các chi tiết chịu lực và độ cứng của cánh. Ngoài ra chất lƣợng khí động
của profil loại này ít phụ thuộc vào góc va. Đặc điểm này cải thiện đƣợc thuộc tính của cánh ở chế
độ tự quay. Thƣờng thì các phân tố ở đầu cánh có chiều dày tƣơng đối lớn hơn ở gốc cánh.
Độ cong tƣơng đối lớn nhất của profil cánh f max  2  3% làm cho hình dạng của profil gần
nhƣ đối xứng nhằm làm giảm sự dịch chuyển của áp tâm khi thay đổi góc va.
2.2.4.Góc đặt của phân tố cánh
Là góc  tạo bởi dây cung của phân tố
và mặt phẳng quay may ơ của CCM.
Góc đặt thƣờng gọi là bƣớc của phân
tố cánh. Đó là cách gọi quy ƣớc. Nếu định
nghĩa một cách chính xác hơn thì bƣớc của
phân tố cánh H là khoảng cách mà phân tố
cánh đi qua sau một vòng quay của CCM,

nếu phân tố cánh chuyển động khi dây cung





Mặt phẳng quay

Hình 13. Góc đặt cánh


20

song song thì H  2rtg

R
H

H

 H  2 Rtg  



 2 Rtg  t 

2R
Bởi vì ở phân tố nào đó của cánh thì bƣớc chỉ phụ thuộc vào góc đặt cánh  nên từ nay về
sau ta sẽ đồng nhất hóa hai khái niệm góc đặt với bước của phân tố cánh
Ở các phân tố khác nhau thì góc đặt cũng khác nhau. Để làm bƣớc chung của cánh, ngƣời ta

dùng góc đặt hoặc bƣớc của phân tố cánh có bán kính tƣơng đối r  0,7 . Góc đó đƣợc coi là góc
đặt (bƣớc) chung của CCM.
Khi xoay cánh so với trục dọc của nó thì góc đặt bị thay đổi sự xoay cánh nhƣ vậy đƣợc thực
hiện do có bản lề dọc trục. Do đó bản lề dọc trục cánh của CCM dùng để thay đổi bƣớc.
2.2.5. Độ xoắn hình học của cánh
Là sự thay đổi góc đặt của các phân tố cánh theo bán kính của CCM.
Ở gốc cánh góc đặt lớn nhất cịn nhỏ nhất ở đầu cánh.
Góc xoắn hình học cải thiện điều kiện làm việc của các phân tố cánh khác nhau, làm cho góc
va gần với góc va tối ƣu. Nhờ đó làm tăng đƣợc lực kéo của CCM lên 5  7% và làm tăng đƣợc tải
trọng hữu ích của MBTT khi công suất khi công suất của động cơ không thay đổi.
Tại phân tố gốc cánh   max

r
Hình 14. Độ xoắn hình học của cánh
Do độ xoắn hình học mà đạt đƣợc sự phân bố tải trọng trên các chi tiết chịu lực của cánh đều
đặn hơn và tăng đƣợc tốc độ khi đó xuất hiện sự tách dòng đối với các cánh lồi. Ở đa số các cánh
độ xoắn hình học khơng q 5  7o
2.2.6. Độ cứng
Đƣợc hiểu là khả năng cánh duy trì đƣợc hình dạng của nó.
Khi độ cứng lớn thì ngay cả khi tải trọng mạnh cũng không làm cánh bị biến dạng.


21

Khi độ cứng nhỏ thì cánh mềm và dễ bị biến dạng, nghĩa là bị uốn và xoắn mạnh. Nếu cánh
q mềm thì khơng đảm bảo đƣợc độ xoắn có lợi nhất và ảnh hƣởng xấu đến đặc tính khí động của
CCM.
Để có độ cứng lớn cần tăng kích thƣớc của các chi tiết chịu lực, do đó làm tăng trọng lƣợng
của cánh. Độ cứng lớn quá làm tăng sự chấn động của CCM.
2.2.7. Diện tích quét của CCM

Là diện tích hình trịn do các đầu cánh vạch ra

D 2
4
Đặc trƣng này của CCM cũng có ý nghĩa nhƣ diện tích cánh máy bay nghĩa là nó cũng giống
nhƣ diện tích của mặt mang
F  R 2 

2.2.8. Phụ tải riêng trên diện tích quét
Là tỷ số giữa trọng lƣợng của máy bay với diện tích quét của CCM
p

Ở đây:

G kG
,
F m2

p là phụ tải riêng; kG / m2

G là trọng lƣợng của máy bay, kG
F là diện tích quét, m 2
Ở MBTT hạng nhẹ p  12  25 kG / m2
Ở MBTT có hai động cơ p có thể đến 40  45 kG / m2
2.2.9. Hệ số điền đầy
Bằng tỷ số giữa diện tích của các cánh với diện tích qt của CCM


Sc .k
F

Trong đó Sc - diện tích của một cánh, m 2
k – số cánh
Ở CCM số cánh có thể từ 2  7 cánh; ở máy bay hạng nhẹ 3  4 cánh; hạng nặng 5  7 cánh
có khi tới 8 cánh.
Hệ số điền đầy   0,04  0,12 nghĩa là diện tích cánh chiếm 4 12% diện tích quét.
Trong phạm vi nói trên, hệ số điền đầy càng lớn thì sức keo càng lớn, nhƣng nếu vƣợt quá
0,1 thì lực cản quay tăng và hiệu suất của CCM giảm


22

M¸y bay NAVY MH-53E : 7 c¸nh

M¸y bay US UH-60: 5 c¸nh

M¸y bay Enstrom 480: 3 c¸nh

M¸y bay MD-600: 6 c¸nh

M¸y bay Bell 407 : 4 c¸nh

M¸y bay Bell 206 L4: 2 c¸nh

Hình 15. Số cánh máy bay trực thăng
2.3. CÁC CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CHỦ YẾU CỦA CCM
Điều kiện làm việc của CCM hay các chế độ làm việc của nó đƣợc xác định bằng vị trí của
CCM trong dịng khơng khí . Ngƣời ta phân biệt hai trƣờng hợp chính: chảy bao dọc trục và chảy
bao nghiêng.

23

2.3.1. Chảy bao dọc trục
Là điều kiện làm việc của CCM khi đó trục may ơ của nó song song với dịng khơng khí
khơng nhiễu chảy bao qua nó. Ở chế độ chảy bao dọc trục, dịng khơng khí nhiễu chảy bao vng
góc với mặt phẳng quay của CCM. Khi MBTT bay treo, bay lên hay hạ cánh theo phƣơng thẳng
đứng thì CCM làm việc ở chế độ chảy bao dọc trục.
Đặc điểm cơ bản của chế độ chảy bao dọc trục là vị trí của cánh CCM quay so với dịng chảy
bao qua chong chóng khơng thay đổi do đó lực khí động khi cánh chuyển động theo đƣờng trịn
khơng thay đổi.
a)

A  90o

Thổi đứng

c)

A0

Thổi xiên góc tấn âm

A  90o
d)

b)

A  0o
A0

Thổi ngang

Thổi xiên góc tấn dƣơng

Hình 16. Các chế độ làm việc và góc va của CCM
2.3.2. Chế độ chảy bao nghiêng
Điều kiện làm việc của CCM khi đó dịng khơng khí chảy bao lên chong chóng không song
song với trục may ơ. Khi cánh chuyển động thì vị trí của nó so với dịng khí chảy bao qua chong
chóng bị thay đổi liên tục. Do đó tốc độ chảy bao đối với mỗi phân tố cánh và lực khí động của
cánh cũng thay đổi. Chế độ chảy bao nghiêng xảy ra khi MBTT bay ngang hoặc bay lên, bay xuống
theo quỹ đạo nghiêng.
Khi xác định chế độ làm việc thì vị trí của CCM trong dịng khơng khí rất có ý nghĩa. Vị trí
đó đƣợc xác định bằng góc va của CCM.
2.3.3. Góc va của CCM
Là góc A tạo bởi mặt phẳng quay của may ơ và véc tơ tốc độ bay hoặc của dịng khơng khí
chảy bao qua chong chóng.
Góc va dƣơng nếu dịng chảy bao qua chong chóng từ dƣới lên (H 16b). Nếu dịng chảy bao
từ trên xuống góc va âm (H 16c). Nếu dịng khí chảy bao lên chong chóng song song với mặt
phẳng quay của may ơ – góc va bằng khơng (H 11d).
Có thể thấy sự liên hệ giữa chế độ làm việc của CCM và góc va nhƣ sau:
Ở chế độ chảy bao dọc trục, góc va của CCM A  90o , Ở chế độ chảy bao nghiêng
A  90o ; Nếu góc va A  0o thì chế độ làm việc của CCM gọc là chế độ chảy bao phẳng.


24

2.4. HỆ SỐ CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC CỦA CCM
Để đặc trƣng cho chế độ làm việc của
CCM ngƣời ta đƣa ra đại lƣợng: Hệ số làm việc

của CCM  , là tỷ số giữa hình chiếu của véc tơ
tốc độ bay lên mặt phẳng quay của may ơ và tốc
độ vịng của đầu cánh.


V cos A
R

V.cos A

V
A

Hình 17. Hình chiếu véc tơ tốc độ bay trên
mặt phẳng quay của ống lót

Ở chế độ chảy bao dọc trục, khi V=0 (bay treo tại chỗ) hoặc CosA =0 ( A  90o ) có   0
do đó khi   0 thể hiện chế độ chảy bao dọc trục.
Nếu   0 là chế độ chảy bao nghiêng. Hệ số  càng lớn thì hiệu quả chảy bao nghiêng
càng tăng.
Hệ số  ở MBTT thay đổi từ 0  0,4 . Trong đa số các trƣờng hợp góc va của CCM khơng
q 10o bởi vì Cos10o  1 nên có thể xác định  bằng công thức gần đúng   V /  R 