Tổng quan nghiên cứu

Trong xu thế hiện đại hóa nông nghiệp tại Việt Nam, nhu cầu ứng dụng thiết bị bay không người lái (UAV) để phun thuốc bảo vệ thực vật ngày càng trở nên cấp thiết, thay thế dần phương thức phun thuốc thủ công truyền thống vốn khiến hơn 85% người nông dân phải tiếp xúc trực tiếp với hóa chất độc hại. Tuy nhiên, các dòng trực thăng nông nghiệp tải trọng lớn và trung bình như Yamaha Rmax hay Fazer khi làm việc thường phải bay ở tầm cực thấp, cách tán cây chỉ từ 0,5 mét đến 1,5 mét. Quá trình hoạt động sát mặt đất này kích hoạt hiện tượng khí động học đặc thù được gọi là hiệu ứng mặt đất (In Ground Effect - IGE), tạo ra một lớp đệm không khí có áp suất cao bên dưới đĩa quay của chong chóng mang. Lớp đệm này có thể giúp gia tăng lực nâng của trực thăng từ 12% đến gần 20%, nhưng đồng thời lại gây mất ổn định khí động, làm thay đổi đột ngột mômen cân bằng và khiến việc kiểm soát quỹ đạo bay trở nên vô cùng phức tạp.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là đánh giá định lượng sự hình thành và phát triển của hiệu ứng mặt đất, tính toán chính xác sự biến đổi của lực kéo, trường áp suất và cấu trúc xoáy dòng chảy khi trực thăng thay đổi độ cao bay từ 0,5 mét đến 2,0 mét, cũng như khi thay đổi góc đặt cánh từ 8 độ đến 14 độ. Đồng thời, đề tài tập trung làm rõ tác động qua lại giữa luồng khí thổi xuống (downwash) với các dạng bề mặt địa hình đặc trưng tại Việt Nam, bao gồm đồng bằng trồng lúa nước phẳng, khu vực cây ăn quả có tán lá rộng và địa hình đồi núi dốc từ 10 độ đến 20 độ trồng chè. Nghiên cứu được hoàn thành tại Viện Cơ khí Động lực thuộc Trường Đại học Bách khoa Hà Nội vào tháng 6 năm 2020 bởi tác giả Trần Bảo Anh dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. TS. Hoàng Thị Kim Dung. Đề tài đóng góp nền tảng dữ liệu khí động học quan trọng giúp nâng cao 30% hiệu suất vận hành và giảm thiểu 100% sự cố gãy đổ cây trồng trong nông nghiệp công nghệ cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng cơ học chất lưu ứng dụng và lý thuyết khí động học trực thăng kinh điển. Hai hệ thống lý thuyết nòng cốt được khai thác bao gồm:

  1. Lý thuyết khí động học chong chóng nâng và hiệu ứng mặt đất: Phân tích sự tương tác giữa đĩa quay của chong chóng mang với mặt phẳng giới hạn, dựa trên nguyên lý bảo toàn động lượng và mô hình vận tốc cảm ứng của Rankine-Froude kết hợp lý thuyết phân tố cánh (Blade Element Momentum Theory - BEMT).
  2. Hệ phương trình Navier-Stokes trung bình Reynolds (RANS) kết hợp lý thuyết lớp biên: Mô tả chi tiết chuyển động hỗn loạn của dòng khí nhớt chịu nén yếu qua các bề mặt khí động biên dạng cánh với khối lượng riêng không khí chuẩn là 1,205 kg/m3 ở điều kiện áp suất khí quyển tiêu chuẩn 101.325 Pa.

Các khái niệm then chốt được lượng hóa bao gồm: hệ số điền đầy đĩa quay trong dải giá trị từ 0,04 đến 0,07; góc đặt phân tố cánh biên dạng NACA; tổn thất xoáy đầu mút cánh; phụ tải riêng trên diện tích đĩa quét; và cấu trúc trường áp suất phân bố theo trục tọa độ XY.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp song song giữa phương pháp mô phỏng số động lực học chất lưu (Computational Fluid Dynamics - CFD) và phương pháp thực nghiệm hiện trường để kiểm chứng:

Nguồn dữ liệu và mô hình hình học: Mô hình không gian 3D hoàn chỉnh của máy bay trực thăng nông nghiệp một chong chóng mang kết hợp chong chóng lái đuôi được thiết kế với kích thước thực tế, bao gồm đĩa quay chong chóng mang chính và chong chóng đuôi triệt tiêu mômen phản lực.

Chia lưới và kiểm soát chất lượng: Không gian tính toán được chia thành hơn 4,8 triệu phần tử lưới đa diện chất lượng cao với việc tinh chỉnh lưới cục bộ cực mịn tại khu vực lớp biên sát bề mặt lá cánh và thân máy bay. Chỉ số chất lượng lưới Orthogonal đạt trên 0,28 và chỉ số Skewness được khống chế nghiêm ngặt dưới mức 0,82. Giá trị bề dày lớp biên không thứ nguyên y+ trên toàn bộ bề mặt cánh được duy trì trong khoảng từ 1,0 đến 5,0, đảm bảo độ tin cậy tuyệt đối khi mô phỏng lớp nhớt sát vách.

Lý do lựa chọn phương pháp CFD RANS: Phương pháp giải số phương trình Reynolds-Averaged Navier-Stokes với mô hình rối SST k-omega cho phép giải quyết bài toán dòng chảy xoáy phức tạp, tái hiện chuẩn xác hiện tượng phân tách dòng và cấu trúc xoáy đầu mút cánh mà các phương pháp giải tích tuyến tính không thể mô tả được.

Thực nghiệm kiểm chứng trên đồng ruộng: Tác giả tiến hành bố trí các đợt bay thử nghiệm thực tế trên ruộng lúa ở các độ cao bay 0,5 mét và 0,8 mét, kết hợp cân đo trọng lượng nước bổ sung từ 5 kg đến 15 kg vào bình phun để đánh giá khả năng chịu tải và ghi nhận trạng thái rạp đổ thân lúa (phân loại theo tiêu chuẩn OE - không đổ ngã và NG - xuất hiện đổ ngã hàng loạt). Quá trình thu thập và xử lý số liệu được triển khai liên tục từ đầu năm 2019 đến giữa năm 2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và thực nghiệm đã mang lại 4 phát hiện quan trọng có giá trị khoa học và thực tiễn cao:

Thứ nhất, hiệu ứng mặt đất làm gia tăng đáng kể lực nâng của trực thăng khi độ cao bay giảm xuống dưới 1,0 lần bán kính cánh quạt. Cụ thể, khi trực thăng bay treo ở độ cao 0,5 mét so với mặt đất phẳng tại góc đặt cánh 11 độ, lực kéo tổng thể đo được tăng 15,8% so với khi bay ngoài vùng hiệu ứng mặt đất (OGE). Khi nâng độ cao lên 0,8 mét, mức tăng lực kéo duy trì ở mức 8,2% và tiệm cận về trạng thái cân bằng chuẩn khi độ cao vượt quá 1,8 mét.

Thứ hai, trường phân bố áp suất trên mặt đất hình thành một vùng áp suất dương đậm đặc ngay tâm đĩa quay và giảm dần theo phương bán kính. Tại vị trí tương đối bằng 0,7 lần bán kính đĩa quay ở độ cao 0,5 mét, áp suất tĩnh cực đại tác động lên bề mặt đất đạt giá trị 36,4 Pa. Áp suất này tạo ra một luồng gió thổi quét ngang sát mặt đất với vận tốc vượt quá 12,5 m/s.

Thứ ba, thực nghiệm trên đồng lúa chỉ ra ngưỡng độ cao nguy hiểm đối với cây trồng. Khi trực thăng bay ở độ cao 0,5 mét, luồng khí downwash có áp lực trung bình lớn hơn 35 Pa đã làm đổ rạp 100% diện tích lúa thử nghiệm (trạng thái NG). Ngược lại, khi điều chỉnh độ cao bay lên 0,8 mét, áp lực lên tán lúa giảm xuống dưới 18,2 Pa, hoàn toàn không gây đổ ngã (trạng thái OE) nhưng vẫn tạo đủ độ rung lắc nhẹ để thuốc bám đều hai mặt lá lúa.

Thứ tư, trên địa hình sườn đồi dốc nghiêng 10 độ và 20 độ, luồng khí đệm bị xé rách không đối xứng. Lực nâng ở phía sườn dốc cao bị suy giảm từ 6,5% đến 9,4% so với mặt đất phẳng, đồng thời xuất hiện mômen nghiêng ngoài ý muốn có giá trị lên tới 14,2 N.m, đòi hỏi hệ thống lái phải liên tục bù góc đặt cánh lái đuôi thêm 2,5 độ để duy trì thăng bằng.

Thảo luận kết quả

Căn nguyên vật lý của sự gia tăng lực nâng là do mặt đất phẳng đóng vai trò như một bức tường ngăn cản sự phát triển tự do của dòng khí xả từ đĩa quay. Khi dòng khí chạm đất, nó bị ép chuyển hướng chuyển động sang phương ngang, làm giảm vận tốc cảm ứng đi qua đĩa quay, từ đó làm tăng góc tấn hiệu dụng của từng phân tố cánh mà không cần tiêu tốn thêm công suất động cơ.

Các kết quả nghiên cứu được biểu diễn trực quan thông qua các bản đồ đường dòng 2D trên mặt cắt XY, đồ thị phân bố vận tốc và áp suất tại vị trí 0,7 lần bán kính cánh, cùng các biểu bảng so sánh lực nâng theo thời gian thực từ 0 đến 1,5 giây. Dữ liệu mô phỏng hoàn toàn tương đồng với các nghiên cứu khí động học trực thăng quy mô lớn của các tác giả quốc tế, nhưng đã mở rộng và lượng hóa chuẩn xác cho phân khúc UAV cỡ nhỏ hoạt động tại môi trường nhiệt đới có thảm thực vật dày đặc. Khi bay qua các tán cây ăn quả, độ xốp của tán cây hấp thụ một phần động năng của luồng khí, làm giảm 22% áp suất cực đại truyền xuống đất so với địa hình phẳng trọc.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả tính toán khí động và thực nghiệm hiện trường, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị then chốt nhằm chuẩn hóa quy trình vận hành và thiết kế UAV nông nghiệp:

  1. Thiết lập độ cao bay phun thuốc an toàn từ 0,8 mét đến 1,2 mét: Các hợp tác xã và đơn vị vận hành máy bay nông nghiệp cần cài đặt giới hạn trần bay tự động tối thiểu là 0,8 mét khi phun thuốc trên các cánh đồng lúa nước nhằm loại trừ hoàn toàn nguy cơ làm gãy đổ thân cây, bảo toàn năng suất mùa vụ và duy trì độ phân tán hạt thuốc tối ưu. Thời gian áp dụng ngay trong vụ mùa tiếp theo.
  2. Tích hợp thuật toán bù lực tự động khi bay trên địa hình dốc: Đội ngũ kỹ sư lập trình điều khiển bay cần đưa thuật toán bù mômen bất đối xứng vào vi điều khiển bay cho các khu vực đồi dốc từ 10 độ đến 20 độ, tự động hiệu chỉnh góc đặt cánh thêm từ 1,5 độ đến 2,0 độ ở phía dốc thoai thoải trong vòng 6 tháng tới.
  3. Trang bị cảm biến đo độ cao bề mặt bằng sóng radar milimet hoặc LiDAR: Các doanh nghiệp sản xuất UAV cần tích hợp cảm biến đo khoảng cách mặt đất theo thời gian thực có tần số quét tối thiểu 50 Hz và độ chính xác sai số dưới 2 cm, giúp phương tiện duy trì khoảng cách bay ổn định khi lướt qua các tán cây chè hoặc địa hình nhấp nhô, hoàn thành thử nghiệm trước năm 2022.
  4. Chuẩn hóa quy trình kiểm định khí động học bằng phần mềm mô phỏng: Các viện nghiên cứu cơ khí và hàng không vũ trụ nên áp dụng bộ tiêu chuẩn lưới phân giải cao với chỉ số Skewness dưới 0,8 và y+ sát bề mặt dưới 5 để làm thước đo bắt buộc khi thẩm định thiết kế các mẫu cánh trực thăng không người lái trước khi đưa vào sản xuất thương mại hàng loạt.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao, đặc biệt hữu ích cho 4 nhóm đối tượng sau:

  • Nhóm kỹ sư thiết kế máy bay không người lái (UAV Engineers): Cung cấp bộ thông số hình học chi tiết về bước xoắn cánh, góc đặt cánh từ 8 độ đến 14 độ và hệ số điền đầy đĩa quay 0,04 đến 0,07, hỗ trợ tối ưu hóa kết cấu cơ khí và lực nâng cho các dòng trực thăng thương mại chuyên dụng.
  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật Hàng không và Cơ khí Động lực: Tài liệu tham khảo mẫu mực về quy trình thiết lập bài toán CFD phức tạp, kỹ thuật chia lưới đa miền trượt, giải thuật xử lý phương trình RANS và phương pháp phân tích lớp biên khí động học quanh rotor quay.
  • Doanh nghiệp và hợp tác xã cung cấp dịch vụ phun thuốc bảo vệ thực vật: Giúp các kỹ thuật viên nắm vững bản chất luồng khí xoáy và áp suất đệm khí, từ đó xây dựng kế hoạch bay chuẩn xác ở độ cao 0,8 mét nhằm tiết kiệm 15% nhiên liệu tiêu hao và nâng cao độ đồng đều khi trải hạt hóa chất.
  • Cơ quan quản lý nhà nước và viện nghiên cứu chính sách nông nghiệp: Cung cấp cơ sở dữ liệu kỹ thuật thực chứng để xây dựng bộ quy chuẩn an toàn bay tầm thấp cho phương tiện bay không người lái phục vụ cơ giới hóa nông nghiệp tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

Hiệu ứng mặt đất làm tăng lực kéo của trực thăng như thế nào?

Khi trực thăng bay gần bề mặt đất ở độ cao nhỏ hơn 1,0 lần bán kính đĩa quay, mặt đất cản trở luồng khí xả xuống dưới, làm giảm vận tốc cảm ứng qua đĩa cánh quạt. Hiện tượng này làm tăng góc tấn hiệu dụng của lá cánh, giúp lực nâng tăng từ 8,2% đến 15,8% tại độ cao 0,5 mét mà không cần tiêu tốn thêm công suất động cơ.

Tại sao bay ở độ cao 0,5 mét làm đổ lúa trong khi độ cao 0,8 mét lại an toàn?

Ở độ cao 0,5 mét, luồng khí đệm tạo ra áp suất bề mặt lên tới 36,4 Pa cùng vận tốc gió quét ngang trên 12,5 m/s, vượt quá giới hạn chịu uốn của thân lúa khiến lúa đổ rạp hoàn toàn. Khi nâng độ cao lên 0,8 mét, áp suất tác động giảm xuống dưới 18,2 Pa, an toàn tuyệt đối cho thân cây lúa.

Địa hình dốc từ 10 độ đến 20 độ ảnh hưởng ra sao đến tính ổn định của máy bay?

Trên sườn dốc nghiêng từ 10 độ đến 20 độ, khoảng cách từ các điểm trên đĩa quay xuống mặt đất không đều nhau, gây ra sự phân bố áp suất đệm khí bất đối xứng. Hiện tượng này làm sụt giảm 6,5% đến 9,4% lực nâng ở sườn cao và sinh ra mômen lật 14,2 N.m gây mất ổn định bay.

Chất lượng lưới trong mô phỏng CFD ảnh hưởng thế nào đến kết quả nghiên cứu?

Lưới tính toán với hơn 4,8 triệu phần tử được kiểm soát chỉ số Orthogonal trên 0,28 và Skewness dưới 0,82 giúp loại bỏ triệt để sai số phân kỳ số học. Bề dày lớp biên y+ từ 1,0 đến 5,0 đảm bảo việc mô phỏng chính xác sự phát triển của xoáy đầu mút cánh và lớp đệm khí sát mặt đất.

Tán cây ăn quả tác động như thế nào đến luồng khí đệm của trực thăng?

Tán lá cây đóng vai trò như một môi trường xốp bán thấm, hấp thụ và phân tán một phần động năng của luồng khí xả. Dòng khí đi xuyên qua tán cây làm giảm 22% áp suất tĩnh tác động lên mặt đất so với nền đất cứng, giúp giảm dao động giật cục của trực thăng khi bay treo.

Kết luận

  • Đề tài đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng số 3D toàn diện khảo sát khí động học trực thăng nông nghiệp một chong chóng mang trong và ngoài vùng hiệu ứng mặt đất.
  • Lượng hóa chính xác mức tăng lực kéo từ 8,2% đến 15,8% ở các độ cao bay từ 0,5 mét đến 0,8 mét, làm rõ cơ chế hình thành vùng áp suất tĩnh cực đại 36,4 Pa trên bề mặt đất.
  • Xác lập thành công ngưỡng độ cao bay tối ưu 0,8 mét giúp bảo vệ 100% cây lúa không bị rạp đổ trong khi vẫn đảm bảo luồng thuốc trừ sâu bao phủ toàn diện tán cây.
  • Giải mã sự suy giảm lực nâng từ 6,5% đến 9,4% và sự hình thành mômen mất đối xứng 14,2 N.m trên địa hình đồi núi dốc 10 độ đến 20 độ trồng chè.
  • Đóng góp luận cứ khoa học thực chứng để hoàn thiện thuật toán điều khiển bay tự động và định hình bộ tiêu chuẩn kỹ thuật vận hành UAV nông nghiệp tại Việt Nam giai đoạn 2020-2025.

Các nhóm nghiên cứu và đơn vị phát triển thiết bị bay hãy khai thác ngay nguồn cơ sở dữ liệu khí động học chuyên sâu này để nâng tầm thiết kế phương tiện bay không người lái phục vụ nền nông nghiệp thông minh và bền vững.