Tài liệu Báo cáo đồ án kĩ thuật máy bay cánh delta.

Báo cáo đồ án kĩ thuật 2011 Máy bay cánh delta LỜI CẢM ƠN Sau gần 4 tháng nỗ lực thực hiện, đồ án thiết kế kĩ thuật của nhóm đã hoàn thành và đạt được nhiều kết quả, ngoài sự cố gắng hết mình của nhóm chúng em đã nhận được rất nhiều sự ủng hộ giúp đỡ từ phía nhà trường, thầy cô và bạn bè. Chúng em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trường ĐHBK Tp Hồ Chí Minh đã truyền đạt cho chúng em những kiến thức quý báu. Đặc biệt chúng em xin bày tỏ long biết ơn sâu sắc đến Ts. Ngô Khánh Hiếu và anh Nguyễn Trọng Thức đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ chúng em trong quá trình thực hiện đồ án. Xin cảm ơn tấc cả bạn bè đã động viên giúp đỡ chúng tôi trong quá trình học tập và hoàn thành đồ án. Tp Hồ Chí Minh, ngày 6 tháng 7 năm 2011 Nhóm thực hiên Page 1 Báo cáo đồ án kĩ thuật 2011 Máy bay cánh delta NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …….. …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Page 2 Báo cáo đồ án kĩ thuật 2011 Máy bay cánh delta ……………………………………………………….. ……………………………………… NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …….. …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………….. …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… Page 3 Báo cáo đồ án kĩ thuật 2011 Máy bay cánh delta …………………………………………………………………………………… ……………………………………………………….. ……………………………………… MỤC LỤC Lời cảm ơn 1 Nhận xét của giáo viên hướng dẫn 2 Nhận xét của giáo viên phản biện 3 I.Giới thiệu chung về cánh delta 5 II.Mô máy bay cánh delta 1.Tính toán mô hình 2.Thiết kế mô hình 3. Chế tạo mô hình 5 13 13 III.Ổn định và điều khiển 1.Lý thuyết chung về ổn định 2.Những chuyến bay mô hình thực tế 16 19 IV.Kết luận 1. Những ứng dụng của mô hình 2.Những kiến thức thu được trong quá trình làm mô hình Tài liệu tham khảo 19 20 Page 4 Báo cáo đồ án kĩ thuật 2011 Máy bay cánh delta MÁY BAY CÁNH DELTA -ỔN ĐỊNH VÀ ĐIỀU KHIỂN Ở VẬN TỐC THẤP Giới thiệu chung về cánh delta Năm 1961, công nghê chế tạo tên lửa phát triển mạnh và bắt đầu đc áp dụng từ đề xuất của kỹ sư quân sự Kazimierz Siemienowicz người Lithuania- Ba Lan. Điều này đã khiến hệ thống đánh chặn máy bay trở nên mạnh mẽn đến đáng kể và những chiếc máy bay truyền thống đánh mất ưu thế chiến đấu. I. Những mấu thiết kế đầu tiên được gọi là mẫu không đuôi ngang cánh bằng (tailless- delta), cánh có dạng hình tam giác nên sau đc gọi là máy bay cánh delta. Alexander Lpippish ở Đức là người đi tiên phong trong lĩnh vực này với 1 mẫu delta cánh bằng và 4 chiếc cải tiến của nó. Máy bay dạng này đc cải thiện đáng kể về tốc độ, nhưng rất khó xử lý ở tốc độ chậm; mặc khác loại này cũng chỉ hoạt động với góc quay lớn do đó khó điều khiển. Từ đó, các nhà kĩ thuật đã đưa ra rất nhiều biện pháp nhằm cải tiến mẫu máy bay dạng này. Gloster Javelin một kỹ sư người Anh đưa ra mẫu có đuôi phẳng nhằm cải thiện ở tốc độ chậm tăng tính cơ động ở tốc độ cao và tăng tính ôn định của máy bay. Các mẫu cải tiến về sau còn được cải tiến ở việc gắn thêm kết cấu cánh mũi canard phía trước cánh chính của máy bay, hay thêm những cánh ổn định đứng vào cánh chính hoặc thân máy bay. Tất cả những cải tiến đó nhằm thay đổi luồng không khí qua cánh, nâng cao khả năng quay góc, cải thiệm xử lý ở tốc độ thấp và làm giảm tốc độ hạ cánh. Mô hình máy bay 1. Tính toán mô hình a. Section cánh Mô hình máy bay delta được thiết kế bay ở vận tốc thấp nên chuẩn airfoil được chọn thử nghiệm là chuẩn NACA 4412. Với chuẩn airfoil này thì lực nâng lớn hơn đồng thời lực cản tạo ra cũng tương đối lớn. Với chuẩn NACA 4412 II. Page 5 Báo cáo đồ án kĩ thuật 2011 Máy bay cánh delta Đường camberline của airfoil chuẩn NACA 4 số có dạng Bề dày airfoil có phương trình Đường upper và lower có dạng với : Chuẩn NACA 4412 : +Bề dày lớn nhất 12% chiều dài airfoil : t=0.12 Page 6 Báo cáo đồ án kĩ thuật 2011 Máy bay cánh delta +Max của đường camber 4% chiều dài airfoil : m=0.04 +Vị trí mã camber là 40% chiều dài airfoil : p=0.4 Dựa vào các công thức trên ta có đoạn code được viết bằng phần mềm Maple 8 sau: > restart;with(plots): t:=0.12; m:=0.04; p:=0.4; c:=400; n:=15; yco:=x->piecewise(x>= 0 and x<= c*p,m*x/(p^2)*(2*p-x/c),x>c*p and x<=c,m*(c-x)/(1-p)^2*(1+x/c-2*p)): dt1:=plot(yco(x),x=0..c): yo:=x->(t*c/0.2)*(0.2969*sqrt(x/c)-0.126*x/c0.3516*(x/c)^2+0.2843*(x/c)^3-0.1015*(x/c)^4): dt2:=plot(yo(x),x=0..c): x:=array(0..n):y:=array(0..n):yc:=array(0..n):theta:=array(1..n):xu:=arr ay(0..n):yu:=array(0..n):xl:=array(0..n):yl:=array(0..n): for i from 0 to n do x[i]:=evalf(c*(1-cos(Pi*i/n/2))): y[i]:=yo(x[i]); yc[i]:=yco(x[i]) end do: for i from 1 to n do theta[i]:=arctan((yc[i]-yc[i-1])/(x[i]-x[i-1])) end do: xu[0]:=0: xl[0]:=0: yu[0]:=0: yl[0]:=0: for i from 1 to n do xu[i]:=x[i]-y[i]*sin(theta[i]); xl[i]:=x[i]+y[i]*sin(theta[i]); yu[i]:=yc[i]+y[i]*cos(theta[i]); Page 7 Báo cáo đồ án kĩ thuật 2011 Máy bay cánh delta yl[i]:=yc[i]-y[i]*cos(theta[i]); end do: dtu:=pointplot({seq([xu[i],yu[i]],i=0..n)},style=line,color=green): dtl:=pointplot({seq([xl[i],yl[i]],i=0..n)},style=line,color=blue): Warning, the name changecoords has been redefined t := 0.12 m := 0.04 p := 0.4 c := 400 n := 15 > display(dt1,dt2,dtu,dtl); > for i from 0 to n-1 do printf("%f,%f\n",xl[n-i],yl[n-i]) end do; for i from 0 to n do printf("%f,%f\n",xu[i],yu[i]) end do; Dựa vào số liệu thu được ta đưa vào AutoCAD để vẽ được hình dạng airfoil cần có tại mỗi tiết diện cánh khác nhau. b. Lực nâng và lực cản Mô phỏng bằng phần mềm Aerofoil 3.0 ta có những hình ảnh về vận tốc và phân bố áp suất sau Page 8 Báo cáo đồ án kĩ thuật 2011 Máy bay cánh delta Page 9 Báo cáo đồ án kĩ thuật 2011 Máy bay cánh delta Ta có đồ thị hệ số lức nâng, lực cản cho airfoil NACA 4412 Page 10 Báo cáo đồ án kĩ thuật 2011 Máy bay cánh delta Cánh delta thiết kế là cropped delta có dạng như hình bên dưới Sải cánh b=800mm Bề rộng ở gốc cánh lr=400mm ở đỉnh cánh lt=100mm Diện tích cánh S=12.b2.lr+lt=0.2m2 Hệ số co(aspect ratio): AR=b2S=3.2 Chiều dài dây cung cánh trung bình là: lμ=23.1+λ+λ21+λ.lr Với hệ số vút nhọn (taper ratio) λ λ=ltlr=0.25 ⇒ lμ=280mm Góc sweep (1/4 chorld line) φ0,25=29o=0,506 rad Góc sweep (haft chorld line) φ0,5=21o=0,367 rad Hệ số Reynolds Re=ρVlμμ Vận tốc bay là 15m/s chiều dài dây cung cánh trung bình là 280mm, khối lượng riêng không khí là 1,225kg/m3 ,hệ số nhớt động học của không khí là 1,46x10-5 ta tính được hệ số Reynolds của mô hình Page 11 Báo cáo đồ án kĩ thuật 2011 Máy bay cánh delta Re=1,225 .15 .0.281,46 .10-5≈350000 Ta thấy đường biểu diễn của Cl ứng với hai hệ số Reynolds Re=3000000 và Re=250000 khá gần nhau và có hệ số góc tương đương nhau. Vì vậy ứng với hệ số Reynolds Re=350000 ta có thể lấy hệ số góc cho đường Cl của airfoil NACA 4412 bằng với hệ số góc của đường ứng với hệ số Reynolds Re=250000 clo=0,4-00--4.π180=5,73 rad-1 Áp dụng công thức Helmbold đối với cánh 3D dạng delta CLα=Clαo.cosφ0,51+Clαo.cosφ0,5π.AR.e2+Clαo.cosφ0,5π.AR.e Chọn hệ số e=0,9 suy ra CLα=5,73.cos2101+5,73.cos210π.3,2.0,92+5,73.cos210π.3,2.0,9=3.05rad-1 Vậy ta có CL=CLα.α-αo=3,05.(α+0,070) Chọn góc tấn α=3o=0.052rad⇒CL=0.373 Lực nâng cánh tạo ra khi bay với vận tốc 15m/s L=12ρV2SCL=12.1,225.152.0,2.0,373=10,3N Với góc tấn α=0⇒CL=0,21 lực nâng cánh tạo ra là L=12ρV2SCL=12.1,225.152.0,2.0,21=5,8N Vậy để mô hình bay cánh delta hoạt động ổn định thì khối lượng của mô hình phải không vượt quá 600g. Lực cản tác động lên mô hình Dựa vào đồ thị ta xác định được giá trị hệ số lực cản cho cánh 2D ứng với góc tấn α=3o là cd≈0,011 Ta tính được hệ số lực cản của mô hình 3D theo công thức CD=cd+CL2π.AR.e=0,011+0,3732π.3,2.0,9=0,026 Tỉ lệ giữa lực cản và lực nâng là LD=CLCD=14,1 Page 12 Báo cáo đồ án kĩ thuật 2011 Máy bay cánh delta Đuôi đứng Để làm cho moment quay nhỏ thì đuôi đứng phải nghiêng một góc nhất định. Đối với mô hình nhóm đưa ra góc nghiêng của đuôi đứng là khoảng 130 Page 13 Báo cáo đồ án kĩ thuật 2011 Máy bay cánh delta 2. Thiết kê mô hình Mô hình được dựng 3D bằng công cụ AutoCAD Để cánh có biên dạng như mong muốn, giải pháp mà nhóm đưa ra là đặt các mặt cắt có hình dạng của một airfoil tại các vị trí được chia đều dọc theo sải cánh. Để có đúng dạng airfoil thì nhóm lấy các số liệu về vị trí các điểm upper và lower line từ file Maple lập trình ở trên và copy vào AutoCAD khi vẽ các airfoil bằng lênh ” polyline”. Các mặt cắt có được sẽ được khoét rỗng để giảm khối lượng và tạo các rãnh để gép lại với nhau tạo nên hình dạng máy bay. Tổng khối lượng mô hình phải nhỏ hơn 600g Khối lượng 2 servo: 2x10g=20g Khối lượng ESC là 15g Khối lượng pin là 105g (pin 3cell 1000Amh) Khối lượng động cơ là 70g Suy ra khối lượng mô hình nguyên khoảng 390g Sau khi dựng mô hình 3D dùng AutoCAD ta tính được khối lượng mô hình khoảng 400g Bản vẽ chi tiết đính kèm(phụ lục) 3. Chế tạo mô hình Page 14 Báo cáo đồ án kĩ thuật 2011 Máy bay cánh delta Những vật liệu được dùng để chế tạo mô hình là ván ép, gỗ basa, xốp và đề can Công cụ chế tạo mô hình: - Máy cắt laser - Máy khoan cầm tay - Dụng cụ cắt gọt bằng tay -Keo dán sắt Quy trình chế tạo mô hình -Dùng máy cắt laser để cắt các chi tiết của mô hình bằng ván ép và gô basa -Lắp ráp các chi tiết theo thiết kế và cố định bằng keo dán. -Phủ decan Page 15 Báo cáo đồ án kĩ thuật 2011 Máy bay cánh delta Page 16 Báo cáo đồ án kĩ thuật 2011 Máy bay cánh delta Khối lượng bộ khung mô hình là 100g Page 17 Báo cáo đồ án kĩ thuật 2011 Máy bay cánh delta Page 18 Báo cáo đồ án kĩ thuật 2011 Máy bay cánh delta Sau khi hoàn tấc tổng khôi lượng mô hình là 540g III. Ổn định và điều khiển 1.Cơ sở lý thuyết Để máy bay ổn đinh theo chiều dọc thì trọng tâm của máy bay nào cũng phải nằm trước điểm trung lập (neutral point). Đối với máy bay có đuôi theo phương nằm ngang thì rất đơn giản để có vị trí trọng tâm nằm trước điểm trung lập trong giới hạn tĩnh giữa trọng tâm và điểm trung lập Đối với một cánh hình chữ nhật, điểm trung lập nằm ở khoảng ¼ dây cung cánh . Đối với cánh delta (cánh có sweep) giá trị này được tính với dây cung trung bình của cánh. Page 19 Báo cáo đồ án kĩ thuật 2011 Máy bay cánh delta Hệ số vút nhọn (taper ratio) trung hòa (vị trí tâm lực nâng) λ=0,25<0,375 ta tính được vị trí của điểm xN=lr4+b6.1+2λ1+λ.tanφ0.25=4004+8006.1+2.0,251+0,25.tan29o≈190mm Vậy để cánh delta ổn định theo chiều dọc cánh thì trọng tâm phải đặt ở trước điểm xN có vị trí đã tính ở trên. Tuy nhiên vì tâm quay của cánh cũng chính là trọng tâm nên nếu trọng mâm quá xa điểm xN thì moment quay sẽ rất lớn máy bay đạt tới góc cân bằng rất nhanh nên máy bay rất nhạy và rất khó điều khiển. Vị trí của trọng tâm chưa phải là điều kiện đảm bảo sự cân bằng của máy bay. Không chỉ ổn định theo chiều dọc máy bay muốn cân bằng còn phải đảm bảo điều kiên tổng moment quanh trọng tâm bằng không Để điều chỉnh moment quanh trọng tâm ta có thể tạo xoắn cho cánh. Tuy nhiên việc tạo xoắn cho cánh rất khó chính xác khi việc chế tạo mô hình chủ yếu bằng tay. Do đó việc điều chỉnh moment chủ yếu dựa vào việc điều chỉnh đuôi đứng. Đuôi đứng được thiết kế nghiêng một góc 130 như đã tính toán ở trên. Khi đó lực tác dụng lên nó có cánh tay đòn đến trọng tâm là ngắn nhất đồng nghĩa với việc giá của hợp lực tác dụng lên đuôi đứng cắt trục dọc đi qua trọng tâm của máy bay. Thay vì có cả eleron và elevator, máy bay delta chỉ còn có bộ phận điều khiển là elevon. Elevon làm luôn cả nhiệm vụ cuẩ ruder.Máy bay cánh delta có 2 elevon, khi cả hai elevon cùng nghiêng về phía trên hay phía dưới thì máy bay sẽ bay lên hoặc bay xuống theo chiều hướng ngược lai. Khi hai elevon nghiêng theo Page 20