Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu ứng dụng máy bay không người lái nhiều chong chóng mang trong công tác giám sát hạ tầng đô thị, cứu hộ hầm mỏ và khảo sát địa hình hẹp đang tăng trưởng mạnh mẽ, với tốc độ mở rộng thị trường thiết bị bay không người lái đạt hơn 15% mỗi năm. Tuy nhiên, các phương tiện bay này thường đối mặt với hai rào cản kỹ thuật lớn: Thời gian bay treo bị giới hạn do hiệu suất khí động của cánh quạt chưa tối ưu và rủi ro va chạm gây chấn thương hoặc gãy vỡ cánh khi hoạt động trong không gian hẹp. Việc trang bị vành bảo vệ cho cánh quạt mang lại giải pháp kép giúp bảo vệ an toàn vật lý và tăng cường lực đẩy khí động học. Mặc dù vậy, khi phương tiện cất cánh, hạ cánh hoặc bay treo sát mặt đất ở độ cao nhỏ hơn đường kính cánh quạt, hiện tượng hiệu ứng mặt đất xuất hiện làm biến đổi sâu sắc trường dòng chảy quanh cánh và vành.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Hàng không thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội vào tháng 9 năm 2021 tập trung giải quyết bài toán: Đánh giá định lượng tác động của hiệu ứng mặt đất và gió ngang lên lực đẩy của cánh quạt 15 inch có vành bảo vệ. Mục tiêu then chốt của công trình là kết hợp mô phỏng số động lực học chất lưu và đo đạc thực nghiệm để xác định chính xác quy luật biến thiên lực nâng trên dải tốc độ quay từ 2500 đến 5000 vòng/phút cùng dải độ cao tương đối từ 0.5R đến 4.0R. Kết quả nghiên cứu cung cấp giải pháp vành cải tiến giúp nâng cao hiệu suất lực nâng thêm khoảng 15% đến 20%, tạo cơ sở dữ liệu kỹ thuật giá trị cho việc chế tạo và tối ưu hóa hệ thống điều khiển bay an toàn ở cao độ thấp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự tích hợp giữa lý thuyết động lượng một chiều cho đĩa truyền động và hệ phương trình Navier-Stokes trung bình Reynolds cho dòng chảy nhớt không nén được. Theo lý thuyết động lượng, vành bảo vệ đóng vai trò như một ống khuếch tán khí động học giúp hạn chế sự co hẹp của dòng khí đuôi hạ lưu và gia tăng lưu lượng dòng chảy qua đĩa cánh quạt. Hiệu quả gia tăng lực nâng phụ thuộc trực tiếp vào tỉ số giãn nở diện tích miệng khuếch tán và bán kính cong của mép hút. Các khái niệm cốt lõi được phân tích chuyên sâu gồm có: Hiện tượng đệm khí nén trong hiệu ứng mặt đất, hệ số tải công suất, tỉ số lực nâng tương đối và định lý lớp biên thủy động học.

Để mô tả chính xác tương tác dòng chảy phức tạp tại khe hở giữa cánh và thành vành, luận văn ứng dụng mô hình rối hai phương trình Shear-Stress Transport k-omega do Menter phát triển. Mô hình này kết hợp tính ưu việt của mô hình k-omega trong việc giải quyết chính xác lớp biên sát bề mặt với độ ổn định của mô hình k-epsilon tại vùng dòng chảy tự do xa vật thể, đảm bảo độ chuẩn xác cao cho dòng chảy có số Reynolds thấp với vận tốc Mach đầu mút cánh đạt khoảng 0.3.

Phương pháp nghiên cứu

Dữ liệu hình học của cánh quạt chuẩn APC 15x4 đường kính 381 mm được số hóa bằng công nghệ quét 3D laser và xử lý bề mặt trên phần mềm ANSYS DesignModeler. Cấu hình vành bảo vệ cải tiến được thiết kế với đường kính mặt trong 389 mm, khe hở đầu mút cánh 4 mm (tương đương 0.01 lần đường kính trong), bán kính cong mép vào 35 mm và chiều dài miệng khuếch tán 58 mm.

Phương pháp chọn mẫu nghiên cứu được thực hiện theo nguyên tắc phân tầng điều kiện vận hành khí động. Cỡ mẫu khảo sát bao gồm 6 mức tốc độ quay động cơ từ 2500 đến 5000 vòng/phút với khoảng chia 500 vòng/phút, 6 mức độ cao bay treo tương đối so với bán kính cánh quạt gồm 0.5R, 1.0R, 1.5R, 2.0R, 3.0R, 4.0R, cùng 5 dải vận tốc gió ngang từ 0 m/s đến 20 m/s.

Lý do lựa chọn phương pháp mô phỏng số thể tích hữu hạn trên phần mềm ANSYS Fluent là khả năng tái hiện chi tiết trường phân bố áp suất bề mặt và cấu trúc xoáy dòng mà thực nghiệm khó ghi nhận trực tiếp. Không gian tính toán sử dụng lưới đa diện Polyhedral với mật độ từ 1.84 triệu đến 3.43 triệu phần tử, kiểm soát giá trị y-plus xấp xỉ 1 nhằm thỏa mãn hoàn toàn yêu cầu lớp biên nhớt, với tiêu chuẩn hội tụ phần dư đạt mức dưới 10^-4. Song song với đó, phương pháp đo đạc thực nghiệm trên bệ thử động lực học tích hợp cảm biến tải trọng và phần mềm điều khiển RCBenchmark GUI được tiến hành độc lập để kiểm chứng chéo và chuẩn hóa mô hình tính toán.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, ở điều kiện ngoài hiệu ứng mặt đất, hệ thống cánh quạt có vành bảo vệ sản sinh tổng lực nâng vượt trội so với cánh trần ở mọi dải vòng quay khảo sát. Cụ thể, tại tốc độ quay 4500 vòng/phút, mô phỏng số ghi nhận lực nâng tổng thể của hệ cánh có vành đạt mức tăng trưởng 18.5% so với cấu hình cánh trần, nhờ sự đóng góp tích cực từ vùng chênh áp hút tại mép vào của vành.

Thứ hai, khi vận hành trong vùng hiệu ứng mặt đất, quy luật lực nâng của cánh có vành thể hiện tính chất phi tuyến phức tạp. Đối với cánh quạt không vành, lực nâng tăng đều đặn từ 12% đến 15% khi hạ dần độ cao từ 2.0R xuống 0.5R. Ngược lại, ở cấu hình có vành bảo vệ, dù lực nâng sinh ra trực tiếp trên lá cánh tăng theo hiệu ứng đệm khí, nhưng lực nâng sinh ra từ vành lại suy giảm do áp suất phản hồi từ mặt đất làm suy yếu chênh áp mép hút, dẫn đến đường đặc tính tổng lực nâng có dạng phi tuyến.

Thứ ba, khảo sát tác động của luồng gió ngang từ 5 m/s đến 20 m/s ở tốc độ 4500 vòng/phút cho thấy tổng lực nâng có xu hướng tăng thêm từ 4% đến 8%. Tuy nhiên, luồng gió ngang làm biến dạng bất đối xứng cấu trúc xoáy cuộn dưới cánh và tạo ra mô-men lật ngang thân thiết bị.

Thứ tư, mẫu thiết kế vành cải tiến dạng phẳng ngoài giúp tiết giảm tới 50% khối lượng vật liệu so với mẫu vành tròn truyền thống trong khi vẫn duy trì được hơn 98% hiệu quả tạo lực nâng khí động.

Thảo luận kết quả

Cơ chế gia tăng lực nâng của vành khi bay tự do bắt nguồn từ việc triệt tiêu dòng xoáy rò rỉ tại mút cánh thông qua khe hở hẹp 4 mm, đồng thời tạo ra vùng áp suất âm lớn tại bán kính cong mép hút. Phân tích phân bố áp suất trích xuất từ mô phỏng cho thấy vùng hạ áp từ mặt trên cánh lan tỏa sang bề mặt vành, biến vành thành một bề mặt tạo lực nâng thứ cấp hữu hiệu. Kết quả này có thể được biểu diễn trực quan thông qua đồ thị đường đẳng áp bề mặt và đồ thị so sánh lực nâng đa trục theo tốc độ quay.

Khi hạ thấp cao độ xuống dưới ngưỡng 1.0R, biểu đồ đường dòng mô phỏng phát hiện cấu trúc xoáy cuộn quẩn hình khuyên bị ép dẹp giữa mặt đất và miệng thoát của vành. Luồng khí dội ngược làm giảm vận tốc dòng cảm ứng qua đĩa cánh, khiến lực hút mép vào của vành bị triệt tiêu một phần. Xu hướng suy giảm lực nâng của vành khi áp sát mặt đất hoàn toàn tương đồng với các công bố khoa học quốc tế của tác giả Chopra năm 2011 và tác giả Yu năm 2018 trên các mẫu cánh quạt thu nhỏ. Độ lệch tương đối giữa mô phỏng số CFD và đo đạc thực nghiệm trên bệ thử RCBenchmark duy trì ở mức dưới 6.5%, khẳng định tính chuẩn xác và độ tin cậy của phương pháp nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên kết quả tính toán mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị kỹ thuật cụ thể nhằm nâng cao hiệu năng khai thác của máy bay không người lái nhiều chong chóng mang:

  • Tối ưu hóa biên dạng góc mở miệng khuếch tán: Nhóm kỹ sư khí động học cần tiến hành thử nghiệm mở rộng góc nghiêng miệng khuếch tán từ 0 độ lên dải 4 đến 6 độ kết hợp vát mép thoát khí, đặt mục tiêu nâng thêm 8% đến 12% tổng lực đẩy trong lộ trình nghiên cứu 6 tháng tới.
  • Chuyển đổi vật liệu chế tạo sang sợi carbon composite: Đội ngũ kỹ sư kết cấu cần triển khai đúc định hình vành bằng sợi carbon siêu nhẹ trong vòng 3 tháng nhằm cắt giảm trên 40% khối lượng cụm vành, khống chế trọng lượng vành dưới 120 gram để tối đa hóa tải trọng hữu ích cho thiết bị bay.
  • Xây dựng thuật toán điều khiển bay bù trừ phi tuyến: Các kỹ sư lập trình điều khiển cần phát triển thuật toán thích nghi cho mạch điều khiển bay trong thời gian 9 tháng, tự động điều chỉnh dải vòng quay động cơ tại vùng nhạy cảm dưới 1.0R nhằm duy trì sai số lực nâng dưới 3% và loại bỏ hiện tượng dao động khi tiếp đất.
  • Mở rộng hệ thống bệ thử nghiệm luồng gió đa hướng: Phòng thí nghiệm Kỹ thuật Hàng không cần nâng cấp bệ đo lực tích hợp cảm biến mô-men xoắn và mô phỏng luồng gió ngang đa hướng từ 0 đến 25 m/s trong vòng 12 tháng, phục vụ đánh giá toàn diện độ ổn định động học của các dòng drone có vành thế hệ mới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình luận văn thạc sĩ này mang lại giá trị học thuật và thực tiễn chuyên sâu cho 4 nhóm đối tượng chính:

  • Kỹ sư thiết kế và chế tạo máy bay không người lái: Tài liệu cung cấp toàn bộ thông số hình học chuẩn hóa của vành bảo vệ 15 inch cùng giải pháp liên kết kết cấu, giúp rút ngắn hơn 30% thời gian nghiên cứu tiền khả thi và chế tạo khung vỏ thiết bị bay.
  • Nhà nghiên cứu khí động học và cơ học chất lưu tính toán: Công trình mang đến quy trình thiết lập bài toán mô phỏng hoàn chỉnh, phương pháp chia lưới đa diện Polyhedral kiểm soát y-plus xấp xỉ 1 và mô hình SST k-omega chuẩn mực cho bài toán cánh quạt quay.
  • Học viên cao học và sinh viên kỹ thuật hàng không: Bản luận văn là tài liệu tham khảo giá trị về phương pháp luận nghiên cứu khoa học, kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết động lượng, mô phỏng số chuyên sâu và thực nghiệm kiểm chứng với độ lệch chuẩn dưới 6.5%.
  • Doanh nghiệp phát triển thiết bị bay công nghiệp và cứu hộ: Các số liệu về lực nâng trong hiệu ứng mặt đất và gió ngang từ 0 đến 20 m/s cung cấp cơ sở dữ liệu quan trọng để doanh nghiệp thiết lập giới hạn khai thác an toàn cho drone trong môi trường không gian hẹp.

Câu hỏi thường gặp

1. Vành bảo vệ đóng vai trò gì trong việc nâng cao lực đẩy của cánh quạt máy bay không người lái?
Vành bảo vệ hoạt động như một ống dẫn khí động bao quanh cánh quạt 15 inch, giúp triệt tiêu dòng rò rỉ áp suất tại đầu mút cánh. Đồng thời, biên dạng cong mép vào tạo ra vùng áp suất âm lớn, giúp sản sinh thêm khoảng 15% đến 20% lực nâng bổ sung tác dụng trực tiếp lên thân vành.

2. Tại sao lực nâng của hệ cánh quạt có vành lại biến thiên phi tuyến khi hoạt động gần mặt đất?
Khi độ cao hạ thấp dưới mức 1.0R, đệm khí áp suất cao dội ngược từ mặt đất làm tăng áp suất tĩnh ở miệng thoát của vành. Hiện tượng này làm suy giảm chênh lệch áp suất tại mép vào, khiến lực nâng của vành sụt giảm từ 20% đến 30% dù lực đẩy trực tiếp trên lá cánh vẫn tăng theo quy luật khí động.

3. Vì sao mô hình rối SST k-omega được ưu tiên lựa chọn trong bài toán mô phỏng này?
Mô hình SST k-omega kết hợp tối ưu giữa việc giải chính xác lớp biên sát bề mặt vật thể với độ kiểm soát y-plus xấp xỉ 1 và vùng dòng chảy tự do bên ngoài. Nhờ đó, phương pháp mô phỏng trên phần mềm ANSYS Fluent phản ánh chân thực hiện tượng phân tách xoáy, khống chế sai số so với thực nghiệm dưới 6.5%.

4. Khe hở giữa đầu mút cánh quạt và mặt trong của vành có ý nghĩa kỹ thuật như thế nào?
Khoảng cách khe hở lý tưởng được xác lập ở mức 4 mm, tương đương 0.01 lần đường kính trong của vành (389 mm). Nếu khe hở vượt quá 2% đường kính, hiện tượng xoáy rò rỉ mút cánh sẽ tái xuất hiện, làm tiêu hao từ 5% đến 10% tổng lực nâng khí động học sinh ra.

5. Luồng gió ngang ảnh hưởng ra sao đến khả năng vận hành của hệ cánh quạt có vành?
Khi vận tốc gió ngang tăng từ 0 m/s lên 20 m/s, tổng lực nâng tăng nhẹ từ 4% đến 8% do lưu lượng dòng khí nạp qua đĩa quay gia tăng. Tuy nhiên, gió ngang làm lệch tâm cấu trúc xoáy hạ lưu, sinh ra mô-men lật đòi hỏi hệ thống điều khiển bay phải bù góc nghiêng liên tục.

Kết luận

Bản luận văn thạc sĩ đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu nghiên cứu đề ra thông qua 5 đóng góp khoa học nổi bật:

  • Chứng minh định lượng việc lắp đặt vành bảo vệ giúp gia tăng 18.5% tổng lực đẩy cho cánh quạt APC 15x4 ở điều kiện bay tự do ngoài hiệu ứng mặt đất.
  • Làm sáng tỏ bản chất cơ học của tính chất phi tuyến lực nâng trong dải hiệu ứng mặt đất từ 0.5R đến 4.0R, chỉ rõ nguyên nhân suy giảm lực nâng trên vành khi áp sát bề mặt.
  • Khảo sát toàn diện tác động của trường gió ngang vận tốc 0 đến 20 m/s lên phân bố áp suất và cấu trúc đường dòng khí động học.
  • Sáng tạo mẫu thiết kế vành cải tiến giúp cắt giảm 50% khối lượng vật liệu chế tạo mà vẫn bảo toàn hơn 98% hiệu suất khí động so với mẫu vành tròn truyền thống.
  • Thiết lập quy trình phối hợp chặt chẽ giữa mô phỏng số CFD trên ANSYS Fluent và thực nghiệm đo đạc bệ thử RCBenchmark với sai số tin cậy dưới 6.5%.

Đóng góp cốt lõi của luận văn là xây dựng hệ phương pháp tính toán và cơ sở dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác cho ngành Kỹ thuật Hàng không tại Việt Nam. Trong lộ trình 6 đến 12 tháng tới, các hướng nghiên cứu tiếp theo cần tập trung chế tạo vành bằng vật liệu composite sợi carbon siêu nhẹ và tối ưu hóa thuật toán bay thích nghi ở cao độ thấp. Các kỹ sư và nhà phát triển thiết bị bay hãy ứng dụng ngay mô hình tính toán và thông số thiết kế từ công trình này nhằm nâng cao vượt bậc hiệu năng và độ an toàn cho các thế hệ máy bay không người lái tương lai.