CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NHẬN DẠNG CÁC HỆ SỐ KHÍ ĐỘNG CỦA MÁY BAY 1. Nhiệm vụ nhận dạng các đạo hàm hệ số khí động trong quy trình thiết kế thiết bị bay 1. Các giai đoạn thiết kế thiết bị bay Thiết kế chế tạo TBB là một dự án phức tạp [2], [55], [65]. Trong thực tế, quá trình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo TBB được thực hiện theo một quy trình chung gồm có những bước theo thứ tự như hình 1.
Xác định các ĐHHSKĐ Phương pháp Thử nghiệm ống Thử nghiệm tính toán thổi khí động bay Thiết kế Thiết kế Thiết kế Sản xuất mẫu sơ bộ kỹ thuật thi công và thử nghiệm Đặt yêu cầu và lựa Lập dự án chọn giải pháp thiết kế Hình 1. Sơ đồ quy trình thiết kế thiết bị bay Qua nghiên cứu tài liệu về thiết kế, chế tạo, thử nghiệm TBB, có thể chia quy trình thiết kế thành các giai đoạn sau: Giai đoạn đặt yêu cầu và lựa chọn giải pháp Dựa trên các yêu cầu đối với TBB cần thiết kế, cần phải chỉ ra mức độ cải tiến của TBB (nếu dự án dựa trên thiết kế đã có trước đó) hoặc các yêu cầu hoàn toàn mới về cấu trúc, tính năng, chỉ tiêu chiến – kỹ thuật; từ đó đưa ra các yêu cầu và giải pháp thiết kế phù hợp. 8 Các yêu cầu cần phải xác định trong giai đoạn này: Kích thước và khối lượng giới hạn, vật liệu sử dụng trong chế tạo TBB cần thiết kế, điều kiện khai thác sử dụng, hiệu quả kinh tế kỹ thuật… Giải pháp kỹ thuật cơ bản cần phải xác định: số lượng, kiểu dạng động cơ, giải pháp kỹ thuật hệ thống phát hiện và theo dõi mục tiêu, phóng và dẫn tên lửa đến mục tiêu (đối với máy bay) hoặc phương pháp bám sát, điều kiển quỹ đạo bay tiếp cận mục tiêu (đối với tên lửa). Giai đoạn thiết kế sơ bộ Nhiệm vụ chính của giai đoạn này là thực hiện chọn cấu hình, hình dạng bên ngoài, xác định được cấu trúc phân hệ của TBB (hệ thống động lực, hệ thống điều khiển, hệ thống quan sát không gian…).
Đối với các TBB dạng thiết kế hoàn toàn mới, cần phải tính toán các tham số hình học, dạng sơ đồ cấu trúc khí động, các tham số cơ bản về cấu trúc thân, cánh, vỏ…; đối với các TBB dạng thiết kế có sẵn cần phải chỉnh sửa và hiệu chỉnh lại sơ đồ thiết kế trước đó theo yêu cầu nhiệm vụ mới đặt ra. Với những cấu trúc thiết kế đã chọn, trong giai đoạn này cần tiến hành mô phỏng trên các mô hình nhằm đưa ra đánh giá bộ tham số về hình dạng khí động và bố trí cấu trúc các thành phần của thiết bị bay thỏa mãn các yêu cầu đặt ra. Giai đoạn thiết kế kỹ thuật Trên cơ sở bộ tài liệu thiết kế sơ bộ, các bộ phận thiết kế cần phải tính toán thiết kế chi tiết cho các hệ thống cấu thành của thiết bị bay theo tiêu chuẩn thiết kế. Giai đoạn thiết kế này rất quan trọng, quyết định đến khả năng thực hiện các chức năng của các hệ thống.
Sản phẩm đầu ra của giai đoạn thiết kế này là các bộ bản vẽ cấu trúc tổng thể, các bản vẽ chi tiết (hoặc chương trình phần mềm) tính toán thiết kế cho từng phần tử, chi tiết kỹ thuật trong mỗi hệ thống. 9 Giai đoạn thiết kế thi công Từ các bộ bản vẽ (chương trình phần mềm) thiết kế kỹ thuật, giai đoạn này cần phải hình thành các bản vẽ thi công một cách chi tiết, các quy trình công nghệ, thiết bị phương tiện dùng trong thi công từng chi tiết đơn cũng như các cụm chi tiết cấu thành hệ thống của TBB. Dựa trên các bản vẽ và quy trình công nghệ, các chi tiết sản phẩm sẽ được gia công chế tạo (nếu là chi tiết cơ khí), hoặc tích hợp cài đặt thuật toán, chương trình phần mềm (với các modul điện tử điều khiển), sau đó sẽ được kiểm tra đánh giá chất lượng theo bộ chỉ tiêu đánh giá. Nếu kết quả không đạt cần phải gia công lại hoặc chỉnh sửa chương trình phần mềm thuật toán.
Tiếp theo đó, các cụm chi tiết cũng được tổ hợp, lắp ráp kiểm tra và hoàn thiện. Giai đoạn sản xuất nguyên mẫu và thử nghiệm bay Trên cơ sở bộ tài liệu thiết kế kỹ thuật, thi công, cơ quan thiết kế phải kết hợp chặt chẽ với các cơ sở chế tạo từng cụm khối cụ thể để xây dựng bộ tài liệu, quy định rất chặt chẽ các yêu cầu kỹ thuật của từng chi tiết, từng đơn vị lắp ráp và có quy trình công nghệ chế tạo cho đến từng công đoạn, ví dụ bản vẽ các khuôn mẫu, quy trình gia công v.trên cơ sở các cụm, khối, hệ thống đã được thiết kế thực hiện việc lắp ráp theo từng hệ thống, kiểm tra chất lượng và lắp ráp hoàn chỉnh TBB. Trước khi thực hiện bay thử cần phải có sự đánh giá kiểm tra nghiêm ngặt theo phân cấp và được cho phép thử nghiệm bay. Mỗi giai đoạn thiết kế có thể không nhận được các kết quả mong muốn.
Trong trường hợp này cần phải quay lại các giai đoạn thiết kế trước đó và có thể phải bắt đầu lại toàn bộ. Mô hình khí động của thiết bị bay Xem xét hình dạng cấu trúc một loại máy bay dạng cánh bằng thông thường (hình 1.2), khi biểu diễn các tham số chuyển động của máy bay trong 10 hệ tọa độ liên kết và hệ tọa độ tốc độ sử dụng các ký hiệu như sau [32]: Hình 1. Ký hiệu quy ước trong hệ tọa độ liên kết của máy bay - , - góc tấn công và góc trượt; - V - không tốc của máy bay; - X , Y , Z - các thành phần lực khí động tác động lên MB xác định trong HTĐ liên kết; - Mx , My , Mz - các thành phần mô men khí động tác động lên MB xác định trong HTĐ liên kết; - Vx , Vy , Vz - các thành phần tốc độ máy bay trong HTĐ liên kết; - x ,y , z - các thành phần tốc độ góc trong HTĐ liên kết; - a, e, r - góc lệch cánh lái liệng, cánh lái độ cao và cánh lái hướng.1 Phương trình động lực học Tất cả các bài toán nhận dạng động học dùng cho TBB đều phải dựa trên các mô hình động học mô tả chuyển động của TBB (chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay) cùng các tập dữ liệu mang thông tin về biến đầu vào, trạng thái, đầu ra. Phương trình chuyển động cơ bản của máy bay dạng véc tơ được xác định như sau [32]: 11 F mV ω mV FG ( ) FP FA( V,ω,u,θ ) (1.2) trong đó: - các góc Euler biểu diễn tư thế máy bay so với HTĐ đất; - u - véc tơ tác động điều khiển; - F lực tác động tổng ( FG trọng lực; FP lực đẩy động cơ; F A lực khí động); - M mô men tác động tổng ( M P mô men do lực đẩy động cơ sinh ra, M A mô men do lực khí động sinh ra); - - véc tơ các tham số mô hình; - I - ma trận quán tính; - m - khối lượng TBB.
Nhận dạng các ĐHHSKĐ sẽ tập trung vào việc xác định cấu trúc mô hình đối với lực khí động ( FA ) và mô men khí động ( M A ); ước lượng các tham số chưa biết trong các cấu trúc mô hình đó, dựa trên dữ liệu bay ghi nhận được. Cấu trúc mô hình đối với F A và M A được gọi là các mô hình khí động, được xác định trong HTĐ liên kết như sau [14]: X Cx FA Y = qS Cy (1.mx M A M y qS bA .mz trong đó: - Cx , Cy , Cz - các thành phần hệ số lực khí động trong HTĐ liên kết; - mx , my , mz - các thành phần hệ số mô men khí động trong HTĐ liên kết; 12 - q V / 2 - áp lực khí động, với - mật độ không khí; 2 - S - diện tích đặc trưng cánh; - l - sải cánh nâng; - bA - cung khí động trung bình cánh nâng.2 Mô hình hệ số khí động tổng quát của thiết bị bay Một cách tổng quát nhất, các HSKĐ của thiết bị bay có thể được mô tả dưới dạng quan hệ hàm số như sau [32]: l Vl V 2 V m I tV l l 2 Vl xi f ( , , , , 2 , 2 , dd , , , , , , ) (1.5) V V V V lg a l 3 l 5 l trong đó: xi - ký hiệu các thành phần hệ số lực và mô men khí động trong HTĐ liên kết ( Cx , Cy , Cz , mx , my , mz ); - độ lệch các cánh lái ( a ,e ,r ); - tốc dd l độ góc TBB ( x , y , z ); l - đặc tính độ dài; dd - tần số dao động; - V số Strouhal (đặc trưng cho hiệu ứng dòng chảy dao động không ổn định); V l V l - số Reynolds (Re); - độ nhớt động học; V 2 - số Froude (tỷ r lg số lực quán tính /lực hấp dẫn đối với TBB). Đối với các chuyến bay thử nghiệm, các tác động của chuyển động quay và dao động cưỡng bức được mô hình hóa dưới dạng hàm của tốc độ góc trong HTĐ liên kết, góc tấn công và góc trượt ( , ) và các đạo hàm bậc nhất của chúng. Khi MB bay trong dòng chảy được xem như là dừng và tốc độ bay là thấp, sự phụ thuộc dạng hàm hệ số lực và mô men như sau: V l b l b l xi f ( , , , , x , y A , z , A , ) (1.6) V0 2V 2V 2V 2V 2V trong đó V0 là tốc độ bay ở điều kiện tham chiếu.
13 Các biến trong phương trình (1.6) được gọi là biến độc lập. Các HSKĐ là hàm của các biến trạng thái Vx , Vy , Vz , x , y , z (V , , , x , y , z ) và điều khiển . Sự phụ thuộc này là phi tuyến [13].