Chương 1: GIỚI THIỆU 1.1 Lý do chọn đề tài So với các bộ phận khác, cánh máy bay có những chức năng nâng và ảnh hưởng lớn đến quá trình vận hành bay. Ngoài ra, những suy nghĩ làm sao máy bay cất cánh sau khi chạy một đoạn trên đường băng và làm cách nào để giữ cân bằng trên không trung, những thắc mắc này thúc đẩy chúng em quyết định thực hiện nghiên cứu về phần cánh của máy bay.2 Mục tiêu nghiên cứu Hiểu được cách thức vận hành của cánh máy bay cũng như các bộ phần hỗ trợ và phối hợp cùng để tạo ra các lực yêu cầu trong quá trình vận hành bay. Đo lường và quan sát kết cấu các thiết kế cánh máy bay từ đó đề xuất giải pháp tối ưu về lực, cách tăng lực nâng tối đa, giảm lực cản xuống mức tối thiểu.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ● Cánh chính và các bề mặt điều khiển trên cánh chính ● Các lực tác động (lực nâng, lực cản), thông số thiết kế, nguyên lý hoạt động, cơ cấu điều khiển.4 Phương pháp nghiên cứu ● Tài liệu tham khảo của các trường đại học ● Công trình nghiên cứu trong nước và trên thế giới ● Nghiên cứu trực tiếp với mô hình cánh máy bay ● Các phần mềm hỗ trợ tính toán, mô phỏng Tóm tắt nội dung đồ án Nghiên cứu đặc điểm, chức năng và một số thông số thiết kế của cánh chính, bổ sung thêm các bề mặt điều khiển để thay đổi hình dạng của cánh phù hợp với từng chuyển động. Đồng thời phân tích khả năng tạo nên lực nâng, lực cản từ cánh và các lực tác dụng lên cánh trong quá trình thao tác bay.
Sau khi biết được các thành phần lực tác dụng theo hướng nào ta sẽ nghiên cứu tiếp kết cấu bên trong và vật liệu của cánh để tạo nên sự bền vững và đảm bảo an toàn để chịu được các lực tác dụng tác động lên và phòng tránh những rủi ro không mong muốn trong hàng không. Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Một số nghiên cứu liên quan đến đề tài Thiết kế cánh 2.2 Các khái niệm lý thuyết Các khái niệm về lực tác dụng Các khái niệm bề mặt điều khiển Các khái niệm về các thông số thiết kế cánh 2.3 Các phần mềm/ công cụ hỗ trợ Abaqus để phân tích và mô phỏng kỹ thuật để quan sát và nghiên cứu các cấu trúc, hiệu suất hoạt động, độ bền cũng như tương tác giữa các yếu tố khác nhau trong cấu tạo cánh máy bay. NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ Chương 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ Cánh là bộ phần tạo lực nâng chủ yếu của máy bay, đóng một vai trò quan trọng trong hệ thống máy bay giúp máy bay có thể bay được trên không trung.1 Biên dạng và hình học cánh 3.1 Hình dạng của airfoil Bản chất của cánh máy bay là một Airfoil/Aerofoil. Airfoil là tên gọi của một hình dạng, một mặt ngang ( hình tròn hoặc hình vuông) của cánh máy bay, có tác động lớn đến lực nâng tác động lên máy bay.
Hình dạng của airfoil xác định lượng rối hoặc ma sát hình dạng hình thành, do đó ảnh hưởng đến hiệu quả cánh. Rối và ma sát hình dạng được kiểm soát chủ yếu bởi tỉ lệ thon, được định nghĩa là tỉ lệ giữa dây cung với độ dày lớn nhất của nó. Airfoil là hình dạng nâng hiệu quả cao, có thể tạo ra nhiều lực nâng (lift) hơn so với các tấm phẳng có kích thước tương tự của cùng một khu vực và có thể tạo ra lực nâng với lực kéo ít hơn đáng kể. Đây là một trong những đặc điểm chính mà airfoil được sử dụng trong thiết kế máy bay.
Lượng lực nâng được hình thành bởi airfoil tăng lên cùng với sự gia tăng độ vồng cánh. Các mẫu airfoil luôn được thiết kế theo tiêu chuẩn của Hiệp Hội Vận Tải Hàng Không Quốc Tế, được thử nghiệm và kiểm tra trong ống khí động học ở các chế độ khác nhau để mô phòng các điều kiện bay, thu thập thêm dữ liệu và thông tin qua các lần thử nghiệm để sửa chữa, điều chỉnh và bổ sung các đặc điểm của cánh máy bay. Quá trình khai thác và cải tiến các mẫu airfoil vẫn đang được chú trọng trong ngành hàng không cho tới thời điểm hiện nay. Trong đó, có trung tâm nghiên cứu lớn nhất của Mỹ là NASA.2 Biên dạng (Proface hay airfoil là biên dạng cánh, mặt cắt vuông góc của cánh.
Biên dạng cánh là một bề mặt cong được thiết kế để tạo ra lực nâng khi chuyển động trong không khí. Mỗi vị trí trên cánh có một proface khác nhau. Mỗi một proface gồm những thành phần chính: Một mép vào hoặc phần đầu ( leading edge) , một mép ra hoặc phần đuôi (trailing edge) và một dây cung (chord line). Trong đó: ● Dây cung: đường thẳng nối từ leading edge tới trailing edge.
● Phần biên dạng phía trên dây cung (upper surface): được gọi là mặt trên hoặc lưng cánh ● Phân biên dạng phía dưới dây cung (lower surface): được gọi là mặt dưới hoặc bụng cánh Ngoài ra, ta còn có một vài khái niệm liên quan tới mô hình này: ● Góc tấn (Angle of attack): góc tạo bởi dây cung (chord line) và ● Relative wind: gió tương quan 3.3 Độ vồng (Camber) Độ vồng là độ cong mặt trên của biên dạng cánh. Trong đó: ● Đường vồng trung bình là tập hợp trung bình của mặt trên và mặt dưới. ● Độ vồng lớn nhất và vị trí có độ vồng lớn nhất quyết định hình dáng của độ vồng trung bình dẫn đến quyết định khí động profil. Đường cong đo lường độ vòng là đường chạy dọc theo airfoil và chia airfoil thành 2 phần đều nhau, được dùng để xác định độ dày của airfoil.
Độ vồng được tính theo tỉ lệ phần trăm so với chiều dài dây cung (c). Điểm kết thúc của đường vồng trung bình trùng với điểm kết thúc của dây cung.4 Độ dày (Thickness) Độ dày của mỗi profil với mỗi loại cánh khác nhau sẽ khác nhau. Ví dụ như các máy bay hành khánh, profil của cánh máy bay sẽ tương đối lớn, và mép của cánh được làm lượn tròn hơn. Độ dày lớn nhất của profil và vị trí của độ dày lớn nhất được tính theo phần trăm của dây cung.
Do airfoil là một biên dạng được thiết kế để nhận lực nâng từ không khí , nên có thể khẳng định rằng bất kỳ phần nào của máy bay nếu có thể chuyển đổi sức cản của không khí thành lực nâng thì đó là một airfoil.5 Góc tấn (Angle of attack) Định nghĩa: góc tạo bởi hướng chuyển động và trục biên dạng cánh. Góc tấn được tạo bởi góc giữa dây cung cánh (chord line) và gió tương quan (relative wind), được kí hiệu là: AOA. Gió tương đối/ gió tương quan (Relative wind): Được tạo ra khi cánh bay di chuyển trong không khí. Nó có cùng trục nhưng hướng ngược lại với vận tốc hướng bay và phụ thuộc vào hướng bay.2 Một số thông số thiết kế cánh Chỉ hơn 100 năm trước, giấc mơ bay như chim của con người đã trở thành hiện thực.
Để thực hiện được ước mơ đó, cần phải hiểu cách tạo ra lực có thể vượt qua trọng lực và lực cản của không khí, được gọi là lực cản. Điều này đòi hỏi các phương trình về lực, diện tích và áp suất. Một khi những điều này đã được xác định, cần phải tìm ra cách để chế tạo những phương tiện đủ mạnh để chịu được các lực mà không bị gãy khi chịu lực. Điều này đạt được không chỉ bằng cách tìm công thức mà còn bằng cách sử dụng phép tính.
Có 4 lực tác động chính giúp cho việc bay của máy bay có thể thực hiện được, đó là lực đẩy (thrust), lực kéo (drag), lực nâng (lift) và trọng lực (gravity or weight). Ngày nay, việc sử dụng máy bay đã trở nên rộng rãi và cần thiết ở mọi lĩnh vực trong đời sống, đặc biệt là trong thời kỳ kinh tế phát triển mạnh mẽ như bây giờ. Vì thế việc đảm bảo sự an toàn trong quá trình vận chuyển hàng hóa và con người trên hết cần phải được đặc biệt chú ý và quản lý một vô cùng cẩn thận. Từ những bước đầu tiên khi tạo thành một máy bay, công việc thiết kế cánh cần đảm bảo các yêu cầu về đặc tính ( Performance), sự ổn định ( Stability), hoạt động (Operation), chi phí (Cost) và sự an toàn ( Safety).
Các chỉ số lực Lực nâng (lift) Lực nâng được tạo ra bởi đặc tính hình dạng mặt cắt ngang của cánh chim và cánh máy bay. Hình dạng này được gọi là airfoil hoặc aerofoil. Khi cánh di chuyển về phía trước trong không khí, nó chia luồng không khí thành hai phần, một phần đi qua cánh và phần còn lại đi dưới cánh. Từ đó, chính hai lực đặc tính vật lý khác nhau này sẽ bổ sung cho nhau để tạo ra lực nâng.
Ta có công thức để tính lực nâng (lift): Trong đó: Density: mật độ không khí Velocity: vận tốc của máy bay Wing area (Span x average chord): diện tính vòm dù Lift Coefficient: Hệ số nâng Lực kéo (drag) Lực kéo có thể được coi là ma sát giữa không khí và bề mặt ngoài của máy bay. Nguyên nhân gây ra lực cản đa dạng hơn so với nguyên nhân gây ra lực nâng và do đó việc xác định diện tích sử dụng phức tạp hơn. Nhiều nghiên cứu hiện nay của Boeing và các công ty hàng không khác là các kết cấu khác nhau trên vỏ máy bay ảnh hưởng như thế nào đến lực cản. Một số nhà sản xuất máy bay đã khám phá việc sử dụng sơn và vật liệu có kết cấu để giảm lực ma sát trên bề mặt máy bay.
Ta có công thức để tính lực kéo (drag): 2. Vị trí dọc của cánh Thông số cần được xác định tiếp theo là vị trí thẳng đứng của cánh so với đường tâm của thân máy bay. Đây là thông số ảnh hưởng trực tiếp đến thiết kế các phần khác của máy bay bao gồm đuôi máy bay, thiết kế càng đáp, trọng tâm (CG). ● Cánh cao đặt trên thân (High wing) ● Cánh đặt giữa thân (Mid wing) ● Cánh đặt dưới thân ( Low wing) ● Cánh cao có kết cấu xà đỡ cánh đặt cao phía trên thân (Parasol wing) Thông thường, máy bay chở hàng thường sử dụng high wing.
Máy bay thương mại thường sử dụng low wing. Hầu hết máy bay chiến đấu thường là mid wing, tàu lượn và thủy phi cơ (amphibian aircraft) sử dụng Parasol wing. Do đó tùy vào nhu cầu mà lựa chọn thiết kế phù hợp. Sự lựa chọn được đưa ra khi cân nhắc ưu nhược điểm từng loại vị trí cánh.