Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Phối Trí Cánh Quạt Đến Lực Đẩy Trên Máy Bay Nhiều Chong Chóng

Nghiên cứu ảnh hưởng của phối trí cánh quạt đến lực đẩy trên máy bay nhiều chong chóng mang, cung cấp cái nhìn sâu sắc về hiệu suất bay.

• Tác giả: Vũ Thị Trang
• Người hướng dẫn: TS. Vũ Đình Quý
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực
• Đề tài: Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Phối Trí Cánh Quạt Đến Lực Đẩy Trên Máy Bay Nhiều Chong Chóng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
• 1.1. Tổng quan về máy bay không ngƣời lái (UAV)
• 1.2. Máy bay không ngƣời lái dạng nhiều chong chóng mang (Multicopter)
• 1.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
• 1.2.2. Phân loại máy bay nhiều chong chóng mang
• 1.2.3. Các cách phối trí cánh quạt trên multicopter
• 1.3. Nội dung nghiên cứu của luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT ĐỘNG LỰC HỌC MÁY BAY NHIỀU CHONG CHÓNG MANG
• 2.1. Nguyên lý lực nâng của cánh quạt
• 2.2. Cơ sở lý thuyết khí động
• 2.3. Động lực học máy bay không ngƣời
• 2.4. Phƣơng trình chuyển động
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA PHỐI TRÍ CÁNH QUẠT TỚI LỰC ĐẨY
• 3.1. Xây dựng bộ thí nghiệm đo lực đẩy
• 3.1.1. Thiết kế, chế tạo bộ thí nghiệm
• 3.2. Phối trí cánh quạt đơn
• 3.2.1. Hai cánh GF8045 gá đồng phẳng
• 3.2.2. Hai cánh GF1045 gá đồng phẳng
• 3.2.3. So sánh kết quả lực đẩy phụ thuộc vào vận tốc của 2 loại cánh đơn khác nhau
• 3.3. Phối trí cánh kép đồng trục
• 3.3.1. Hai cánh GF8045 gá đồng trục
• 3.3.2. Hai cánh GF1045 gá đồng trục
• 3.3.3. So sánh kết quả lực đẩy phụ thuộc vào vận tốc của 2 loại cánh đơn GF8045 gá đồng trục và GF1045 gá đồng trục
• 3.3.4. So sánh lực đẩy cánh kép đồng trục với đồng phẳng
• KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Phối Trí Cánh Quạt 55 ký tự

Nghiên cứu về ảnh hưởng phối trí cánh quạt đến lực đẩy máy bay nhiều chong chóng đang ngày càng trở nên quan trọng. Máy bay không người lái (UAV), đặc biệt là drone (máy bay nhiều chong chóng), đã chứng minh được tính ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như quay phim, giám sát và cứu hộ. Tuy nhiên, việc tối ưu hóa thiết kế cánh quạt máy bay nhiều chong chóng vẫn còn nhiều thách thức. Lực đẩy hiệu quả là yếu tố then chốt quyết định khả năng hoạt động của multicopter. Các nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc tìm ra phương pháp tối ưu hóa phối trí cánh quạt để đạt được hiệu suất cao nhất. Luận văn này sẽ đi sâu vào phân tích các yếu tố ảnh hưởng, từ đó đưa ra các giải pháp thiết kế tối ưu. Theo Vũ Thị Trang (2018), lực đẩy là yêu cầu cơ bản nhất để máy bay thực hiện các chức năng khác. Do đó, việc nghiên cứu rotorcraft aerodynamics là vô cùng cần thiết.

1.1. Tầm Quan Trọng Của Lực Đẩy Trong Máy Bay Drone

Đối với máy bay drone, lực đẩy là yếu tố sống còn, quyết định trực tiếp đến khả năng cất cánh, di chuyển và thực hiện nhiệm vụ. Nếu lực đẩy không đủ, máy bay sẽ không thể bay lên hoặc không thể duy trì độ cao. Ngoài ra, lực đẩy còn ảnh hưởng đến thời gian bay và khả năng mang tải của máy bay. Multirotor thrust analysis giúp hiểu rõ hơn về cách tạo ra và điều khiển lực đẩy hiệu quả. Thiết kế cánh quạt tối ưu góp phần tăng cường hiệu suất cánh quạt máy bay drone.

1.2. Ứng Dụng Thực Tế Của Nghiên Cứu Về Cánh Quạt

Kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng phối trí cánh quạt có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Trong quân sự, nó có thể giúp cải thiện hiệu suất của drone trinh sát và tấn công. Trong dân sự, nó có thể giúp drone hoạt động hiệu quả hơn trong các nhiệm vụ giám sát, cứu hộ và vận chuyển. Propeller configuration optimization là chìa khóa để nâng cao hiệu quả hoạt động của drone trong mọi lĩnh vực. Ngoài ra, nó cũng góp phần giảm tiêu thụ năng lượng và kéo dài tuổi thọ của máy bay.

II. Thách Thức Trong Thiết Kế Cánh Quạt Tối Ưu Lực Đẩy 58 ký tự

Việc thiết kế cánh quạt máy bay nhiều chong chóng tối ưu để đạt được lực đẩy cao là một thách thức lớn. Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của cánh quạt, bao gồm hình dạng cánh, góc nghiêng cánh quạt, tốc độ quay, số lượng cánh và khoảng cách giữa các cánh quạt. Ngoài ra, sự tương tác giữa các cánh quạt cũng ảnh hưởng đến lực đẩy tổng thể. Các nghiên cứu cần phải xem xét tất cả các yếu tố này để tìm ra thiết kế tối ưu. Theo Vũ Thị Trang (2018), việc nghiên cứu tính toán thiết kế là khá khó khăn do phải khắc phục hạn chế về khí động học. Cần có các phương pháp mô phỏng khí động lực học cánh quạt tiên tiến để đánh giá hiệu suất của các thiết kế khác nhau.

2.1. Ảnh Hưởng Của Góc Nghiêng Cánh Quạt Đến Lực Đẩy

Góc nghiêng cánh quạt là một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến lực đẩy. Góc nghiêng quá lớn có thể dẫn đến hiện tượng stall, làm giảm hiệu suất của cánh quạt. Góc nghiêng quá nhỏ có thể không tạo ra đủ lực đẩy. Cần phải tìm ra góc nghiêng tối ưu để đạt được hiệu suất cao nhất. Việc propeller configuration optimization sẽ giúp xác định góc nghiêng tối ưu cho từng loại cánh quạt.

2.2. Tầm Quan Trọng Của Khoảng Cách Giữa Các Cánh Quạt

Khoảng cách giữa các cánh quạt cũng ảnh hưởng đến sự tương tác giữa chúng. Nếu các cánh quạt quá gần nhau, luồng khí từ cánh quạt này có thể ảnh hưởng đến cánh quạt kia, làm giảm hiệu suất. Nếu các cánh quạt quá xa nhau, lực đẩy tổng thể có thể không đạt được mức tối đa. Việc tối ưu hóa phối trí cánh quạt bao gồm cả việc điều chỉnh khoảng cách giữa các cánh quạt để đạt được hiệu suất cao nhất.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Phối Trí Cánh Quạt 56 ký tự

Nghiên cứu ảnh hưởng phối trí cánh quạt đến lực đẩy máy bay nhiều chong chóng cần kết hợp cả lý thuyết và thực nghiệm. Các phương pháp mô phỏng khí động lực học cánh quạt giúp dự đoán hiệu suất của các thiết kế khác nhau. Các thí nghiệm thực tế giúp kiểm chứng kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu suất của cánh quạt trong điều kiện thực tế. Cần có các thiết bị đo lường chính xác để đo lực đẩy và vận tốc cánh quạt. Theo luận văn của Vũ Thị Trang, thí nghiệm được thực hiện bằng cách xây dựng bộ thí nghiệm đo lực đẩy với các loại cánh quạt và phối trí khác nhau.

3.1. Mô Phỏng Khí Động Lực Học Cánh Quạt Bằng CFD

Mô phỏng khí động lực học cánh quạt bằng phương pháp CFD (Computational Fluid Dynamics) là một công cụ mạnh mẽ để đánh giá hiệu suất của các thiết kế khác nhau. CFD cho phép tính toán dòng khí xung quanh cánh quạt và dự đoán lực đẩy, lực cản và các thông số khác. Các kết quả mô phỏng CFD có thể giúp tối ưu hóa hình dạng cánh, góc nghiêng cánh quạt và các yếu tố khác.

3.2. Thiết Kế Và Chế Tạo Bộ Thí Nghiệm Đo Lực Đẩy

Việc thiết kế và chế tạo một bộ thí nghiệm đo lực đẩy chính xác là rất quan trọng. Bộ thí nghiệm cần phải có khả năng đo lực đẩy với độ chính xác cao và cho phép thay đổi các thông số như vận tốc cánh quạt, góc nghiêng cánh quạt và khoảng cách giữa các cánh quạt. Các kết quả thí nghiệm giúp kiểm chứng kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu suất của cánh quạt trong điều kiện thực tế.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Phối Trí Cánh Quạt 59 ký tự

Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng phối trí cánh quạt có ảnh hưởng đáng kể đến lực đẩy máy bay nhiều chong chóng. Việc sử dụng cánh quạt kép đồng trục có thể tăng lực đẩy so với cánh quạt đơn, nhưng cũng có thể làm giảm hiệu suất nếu không được thiết kế tối ưu. Góc nghiêng cánh quạt và vận tốc cánh quạt cũng ảnh hưởng đến lực đẩy. Các kết quả này có thể được sử dụng để tối ưu hóa thiết kế cánh quạt cho các ứng dụng khác nhau. Theo luận văn của Vũ Thị Trang, khi so sánh lực đẩy cánh kép đồng trục với đồng phẳng cho thấy sự khác biệt rõ rệt.

4.1. So Sánh Lực Đẩy Giữa Cánh Quạt Đơn Và Cánh Quạt Kép

Nghiên cứu cho thấy rằng cánh quạt kép đồng trục có thể tạo ra lực đẩy lớn hơn so với cánh quạt đơn, nhưng cũng có thể tiêu thụ nhiều năng lượng hơn. Hiệu quả của cánh quạt kép phụ thuộc vào thiết kế và phối trí của nó. Cần phải cân nhắc giữa lực đẩy và hiệu suất khi lựa chọn giữa cánh quạt đơn và cánh quạt kép.

4.2. Ảnh Hưởng Của Vận Tốc Cánh Quạt Đến Lực Đẩy

Vận tốc cánh quạt có ảnh hưởng trực tiếp đến lực đẩy. Khi vận tốc cánh quạt tăng, lực đẩy cũng tăng theo. Tuy nhiên, khi vận tốc cánh quạt vượt quá một giới hạn nhất định, hiệu suất có thể giảm do các hiệu ứng khí động phức tạp. Cần phải tìm ra vận tốc cánh quạt tối ưu để đạt được lực đẩy cao nhất mà vẫn duy trì được hiệu suất.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn Và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu 54 ký tự

Nghiên cứu về ảnh hưởng phối trí cánh quạt có nhiều ứng dụng thực tiễn trong việc thiết kế máy bay nhiều chong chóng hiệu quả. Các kết quả có thể được sử dụng để tối ưu hóa drone cho các nhiệm vụ khác nhau, từ giám sát đến vận chuyển. Hướng phát triển của nghiên cứu là tập trung vào việc phát triển các phương pháp mô phỏng chính xác hơn và khám phá các loại phối trí cánh quạt mới. Nghiên cứu về động cơ máy bay nhiều chong chóng cũng quan trọng để nâng cao hiệu suất tổng thể.

5.1. Ứng Dụng Trong Thiết Kế Drone Chuyên Dụng

Các kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để thiết kế drone chuyên dụng cho các nhiệm vụ cụ thể. Ví dụ, drone giám sát có thể được thiết kế với hiệu suất cao để kéo dài thời gian bay, trong khi drone vận chuyển có thể được thiết kế với lực đẩy lớn để mang tải nặng.

5.2. Phát Triển Phương Pháp Mô Phỏng Khí Động Học Tiên Tiến

Phát triển các phương pháp mô phỏng khí động lực học tiên tiến là rất quan trọng để dự đoán hiệu suất của các thiết kế cánh quạt mới. Các phương pháp mô phỏng này cần phải có khả năng mô phỏng các hiệu ứng khí động phức tạp và cung cấp kết quả chính xác. Việc này sẽ giúp tiết kiệm thời gian và chi phí trong quá trình thiết kế.

VI. Kết Luận Về Nghiên Cứu Phối Trí Cánh Quạt Hiện Tại 55 ký tự

Nghiên cứu ảnh hưởng phối trí cánh quạt đến lực đẩy máy bay nhiều chong chóng là một lĩnh vực quan trọng và đầy tiềm năng. Các kết quả nghiên cứu hiện tại đã cung cấp nhiều thông tin hữu ích cho việc thiết kế cánh quạt hiệu quả. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần phải vượt qua để đạt được hiệu suất tối ưu. Nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc phát triển các phương pháp mô phỏng chính xác hơn và khám phá các loại phối trí cánh quạt mới. Điều khiển máy bay nhiều chong chóng hiệu quả cũng là một yếu tố quan trọng.

6.1. Tóm Tắt Những Điểm Quan Trọng Của Nghiên Cứu

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng phối trí cánh quạt, góc nghiêng cánh quạt và vận tốc cánh quạt là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến lực đẩy và hiệu suất. Việc sử dụng cánh quạt kép đồng trục có thể tăng lực đẩy, nhưng cũng có thể làm giảm hiệu suất nếu không được thiết kế tối ưu.

6.2. Hướng Nghiên Cứu Tiềm Năng Trong Tương Lai

Nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các phương pháp mô phỏng khí động lực học tiên tiến hơn và khám phá các loại phối trí cánh quạt mới, bao gồm cả các thiết kế biến hình. Nghiên cứu về vật liệu mới cho cánh quạt cũng có thể giúp cải thiện hiệu suất và độ bền.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Máy bay không người lái (UAV) dạng nhiều chong chóng mang (Multicopter) đã trở thành công nghệ quan trọng với nhiều ứng dụng thực tiễn trong quân sự, dân sự và cứu hộ cứu nạn. Theo ước tính, đến năm 2018, UAV được sử dụng tại hơn 60 quốc gia, chiếm khoảng 90% số máy bay trinh sát và ít nhất 30% máy bay cường kích. Lực đẩy là yếu tố cơ bản quyết định khả năng hoạt động và hiệu quả của UAV, đặc biệt với các loại multicopter có nhiều cánh quạt. Tuy nhiên, việc thiết kế và tính toán lực đẩy gặp nhiều khó khăn do ảnh hưởng của khí động học và phối trí cánh quạt.

Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của hai cách phối trí cánh quạt phổ biến trên máy bay nhiều chong chóng mang: phối trí cánh đơn và phối trí cánh kép đồng trục. Mục tiêu chính là phân tích sự tương tác giữa các cánh quạt trong từng phối trí, từ đó đánh giá hiệu quả lực đẩy và tiêu hao năng lượng, nhằm đề xuất giải pháp tối ưu cho thiết kế UAV có khả năng mang tải cao nhưng vẫn giữ được kích thước và trọng lượng hợp lý. Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội trong giai đoạn 2017-2018, sử dụng bộ thí nghiệm đo lực đẩy với các loại cánh quạt GF8045 và GF1045.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghiệp UAV tại Việt Nam, góp phần nâng cao hiệu suất bay, giảm tiêu hao năng lượng và mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực như giám sát an ninh, cứu hộ, nông nghiệp và khảo sát địa hình.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết động lực học và khí động học của máy bay nhiều chong chóng mang, bao gồm:

• Nguyên lý lực nâng của cánh quạt: Lực nâng được tạo ra do sự chênh lệch áp suất giữa mặt trên và mặt dưới cánh quạt, dựa trên định lý Kutta-Joukowski và luật Bernoulli. Cánh quạt được thiết kế với mặt cắt airfoil, góc xoắn và pitch cố định để tối ưu lực nâng trên toàn bộ chiều dài cánh.

• Mô hình khí động học cánh đơn và cánh kép đồng trục: Mô hình khí động học giả định cánh quạt như một đĩa kín, dòng khí qua cánh quạt liên tục và không nén. Đối với cánh kép đồng trục, luồng khí từ cánh trên ảnh hưởng đến cánh dưới, làm giảm lực nâng của cánh dưới do hiện tượng cản trở chiều quay.

• Động lực học máy bay UAV dạng Quadrotor: Sử dụng hệ tọa độ gắn với thân máy bay và hệ quy chiếu quán tính, mô hình động lực học tuyến tính được xây dựng dựa trên các phương trình Euler-Lagrange, tính toán lực đẩy, mô men xoắn và chuyển động góc (roll, pitch, yaw). Mô hình cũng bao gồm các lực cản tuyến tính và mô men quán tính.

Các khái niệm chính bao gồm: lực đẩy (thrust), mô men xoắn (torque), góc blade, pitch cánh quạt, hệ số lực đẩy, vận tốc quay rotor, và ma trận chuyển đổi tọa độ.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp mô hình lý thuyết để đánh giá ảnh hưởng phối trí cánh quạt đến lực đẩy trên máy bay nhiều chong chóng mang. Cụ thể:

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ bộ thí nghiệm đo lực đẩy gồm động cơ không chổi than A2212-1000kv, cánh quạt GF8045 và GF1045, cảm biến lực Loadcell, bộ điều tốc ESC, pin Lipo Tiger Power, bộ phát và thu tín hiệu, máy đo tốc độ quay Tachometer, và board mạch Arduino Uno R3 để xử lý tín hiệu.

• Thiết kế thí nghiệm: Bộ thí nghiệm được chế tạo để đo lực đẩy trực tiếp tác dụng lên cảm biến Loadcell khi động cơ quay với các loại phối trí cánh quạt: cánh đơn gá đồng phẳng và cánh kép đồng trục. Các thông số vận tốc quay và lực đẩy được ghi nhận và phân tích.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng các phương trình động lực học và khí động học để tính toán lực đẩy và mô men, so sánh kết quả thực nghiệm giữa các phối trí cánh quạt. Phân tích số liệu bằng đồ thị và bảng biểu để đánh giá hiệu quả lực đẩy theo vận tốc quay và loại cánh quạt.

• Cỡ mẫu và timeline: Thí nghiệm được thực hiện với hai loại cánh quạt chính, mỗi loại được thử nghiệm ở nhiều mức vận tốc quay khác nhau, đảm bảo độ tin cậy số liệu. Quá trình nghiên cứu kéo dài trong năm 2017-2018 tại Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của loại cánh quạt đến lực đẩy phối trí cánh đơn:

   • Cánh GF1045 tạo lực đẩy lớn hơn cánh GF8045 khoảng 15-20% ở cùng vận tốc quay.
   • Lực đẩy tăng theo vận tốc quay, với lực đẩy tối đa đạt khoảng 800g ở vận tốc cao nhất thử nghiệm.
   • Đồ thị lực đẩy phụ thuộc vận tốc quay cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa hai loại cánh, minh chứng cho ảnh hưởng kích thước và thiết kế cánh quạt đến hiệu suất.

2. Ảnh hưởng phối trí cánh kép đồng trục:

   • Lực đẩy của cánh kép đồng trục thấp hơn so với phối trí cánh đơn cùng loại cánh quạt, giảm khoảng 10-12% do hiện tượng cản trở luồng khí giữa hai tầng cánh.
   • Cánh GF8045 đồng trục tạo lực đẩy thấp hơn cánh GF1045 đồng trục khoảng 18%, tương tự xu hướng phối trí cánh đơn.
   • Lực đẩy tăng theo vận tốc quay nhưng không đạt mức lực đẩy tối đa như phối trí cánh đơn.

3. So sánh lực đẩy giữa phối trí cánh đơn và cánh kép đồng trục:

   • Phối trí cánh đơn có lực đẩy cao hơn khoảng 10-15% so với cánh kép đồng trục ở cùng vận tốc quay và loại cánh quạt.
   • Tuy nhiên, phối trí cánh kép đồng trục có ưu điểm về kích thước nhỏ gọn và độ ổn định bay cao hơn, phù hợp với các ứng dụng yêu cầu không gian hạn chế.

4. Hiệu suất tiêu hao năng lượng:

   • Động cơ sử dụng trong thí nghiệm có hiệu suất khoảng 70-80%.
   • Phối trí cánh đơn tiêu hao năng lượng thấp hơn phối trí cánh kép đồng trục do lực đẩy cao hơn ở cùng mức công suất đầu vào.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự khác biệt lực đẩy giữa hai phối trí cánh quạt là do luồng khí và tương tác khí động học. Cánh kép đồng trục chịu ảnh hưởng của luồng khí từ cánh trên làm giảm hiệu quả lực đẩy của cánh dưới, dẫn đến tổng lực đẩy thấp hơn phối trí cánh đơn. Điều này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về khí động học rotor đồng trục.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả cho thấy phối trí cánh đơn phù hợp với các UAV yêu cầu lực đẩy lớn và thời gian bay dài, trong khi phối trí cánh kép đồng trục thích hợp cho UAV cần kích thước nhỏ gọn, cơ động cao và độ ổn định bay tốt hơn. Các đồ thị lực đẩy theo vận tốc quay và bảng số liệu minh họa rõ ràng sự khác biệt này, giúp người thiết kế lựa chọn phối trí phù hợp với mục đích sử dụng.

Ý nghĩa của nghiên cứu là cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm để tối ưu thiết kế UAV multicopter, nâng cao hiệu suất bay và giảm tiêu hao năng lượng, góp phần phát triển công nghiệp UAV trong nước.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu phối trí cánh quạt theo mục đích sử dụng:

   • Đối với UAV cần lực đẩy lớn và thời gian bay dài, ưu tiên sử dụng phối trí cánh đơn với cánh quạt kích thước lớn như GF1045.
   • Đối với UAV yêu cầu kích thước nhỏ gọn, cơ động cao, phối trí cánh kép đồng trục là lựa chọn phù hợp.
   • Thời gian thực hiện: 6-12 tháng, chủ thể: các nhà thiết kế UAV và viện nghiên cứu.

2. Nâng cao hiệu suất động cơ và hệ thống điều khiển:

   • Áp dụng động cơ không chổi than có hiệu suất cao hơn 80%, kết hợp bộ điều tốc ESC tối ưu để giảm tiêu hao năng lượng.
   • Phát triển thuật toán điều khiển tốc độ quay động cơ chính xác để cân bằng lực đẩy và mô men xoắn.
   • Thời gian thực hiện: 12 tháng, chủ thể: các nhà sản xuất động cơ và nhóm nghiên cứu điều khiển.

3. Phát triển bộ thí nghiệm đo lực đẩy và mô men hiện đại:

   • Cải tiến bộ thí nghiệm với cảm biến lực Loadcell có độ chính xác cao hơn, tích hợp hệ thống đo tốc độ quay tự động và phần mềm phân tích dữ liệu.
   • Mở rộng thí nghiệm với nhiều loại cánh quạt và phối trí khác nhau để có dữ liệu toàn diện.
   • Thời gian thực hiện: 6 tháng, chủ thể: viện nghiên cứu và trường đại học.

4. Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thiết kế UAV thương mại và quân sự:

   • Hỗ trợ các doanh nghiệp và cơ quan quân sự trong việc lựa chọn phối trí cánh quạt phù hợp với yêu cầu nhiệm vụ.
   • Tích hợp công nghệ mới như vật liệu nhẹ, pin dung lượng cao để nâng cao hiệu quả tổng thể.
   • Thời gian thực hiện: 12-24 tháng, chủ thể: doanh nghiệp công nghệ và cơ quan quản lý.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật cơ khí động lực:

   • Nắm bắt kiến thức chuyên sâu về khí động học và động lực học UAV multicopter.
   • Áp dụng phương pháp thí nghiệm và phân tích dữ liệu trong nghiên cứu khoa học.

2. Kỹ sư thiết kế UAV và drone:

   • Lựa chọn phối trí cánh quạt tối ưu cho từng loại UAV dựa trên dữ liệu thực nghiệm.
   • Cải tiến thiết kế để nâng cao hiệu suất lực đẩy và giảm tiêu hao năng lượng.

3. Doanh nghiệp sản xuất và phát triển UAV:

   • Ứng dụng kết quả nghiên cứu để phát triển sản phẩm UAV có hiệu suất cao, phù hợp với nhu cầu thị trường.
   • Tối ưu chi phí sản xuất và nâng cao tính cạnh tranh.

4. Cơ quan quản lý và tổ chức đào tạo:

   • Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo trong đào tạo và xây dựng chính sách phát triển công nghiệp UAV.
   • Định hướng nghiên cứu và phát triển công nghệ UAV trong nước.

Câu hỏi thường gặp

1. Phối trí cánh đơn và cánh kép đồng trục khác nhau như thế nào về lực đẩy?
   Phối trí cánh đơn tạo lực đẩy cao hơn khoảng 10-15% so với cánh kép đồng trục do không bị ảnh hưởng bởi luồng khí cản trở giữa các tầng cánh. Ví dụ, cánh GF1045 phối trí đơn đạt lực đẩy tối đa khoảng 800g, trong khi phối trí đồng trục chỉ khoảng 700g.

2. Tại sao cánh kép đồng trục lại có lực đẩy thấp hơn?
   Do luồng khí từ cánh trên làm giảm hiệu quả quay và lực nâng của cánh dưới, gây hiện tượng cản trở khí động học. Điều này làm giảm tổng lực đẩy so với phối trí cánh đơn.

3. Loại cánh quạt nào phù hợp cho UAV cần tải trọng lớn?
   Cánh quạt có kích thước lớn hơn như GF1045 phù hợp hơn vì tạo lực đẩy lớn hơn, giúp UAV nâng tải hiệu quả hơn. Kết quả thí nghiệm cho thấy GF1045 tạo lực đẩy cao hơn GF8045 khoảng 15-20%.

4. Hiệu suất động cơ ảnh hưởng thế nào đến lực đẩy?
   Động cơ hiệu suất cao (70-80%) giúp chuyển đổi năng lượng điện thành lực đẩy hiệu quả hơn, giảm tiêu hao năng lượng và tăng thời gian bay. Động cơ không chổi than là lựa chọn phổ biến cho UAV.

5. Làm thế nào để đo lực đẩy chính xác trong thí nghiệm?
   Sử dụng cảm biến lực Loadcell kết hợp với board Arduino và máy đo tốc độ quay Tachometer để thu thập dữ liệu lực đẩy và vận tốc quay chính xác. Phương pháp này cho phép phân tích chi tiết ảnh hưởng của phối trí cánh quạt.

Kết luận

• Luận văn đã nghiên cứu và đánh giá ảnh hưởng của phối trí cánh quạt đơn và cánh kép đồng trục đến lực đẩy trên máy bay nhiều chong chóng mang.
• Phối trí cánh đơn tạo lực đẩy cao hơn phối trí cánh kép đồng trục khoảng 10-15%, phù hợp với UAV cần tải trọng lớn và thời gian bay dài.
• Cánh quạt GF1045 có hiệu suất lực đẩy tốt hơn GF8045 khoảng 15-20% ở cùng vận tốc quay.
• Bộ thí nghiệm đo lực đẩy được thiết kế và vận hành hiệu quả, cung cấp dữ liệu thực nghiệm tin cậy cho phân tích khí động học và động lực học UAV.
• Đề xuất các giải pháp tối ưu phối trí cánh quạt, nâng cao hiệu suất động cơ và phát triển công nghệ đo lường để ứng dụng trong thiết kế UAV tương lai.

Next steps: Mở rộng nghiên cứu với các loại cánh quạt và phối trí mới, cải tiến bộ thí nghiệm, và ứng dụng kết quả vào thiết kế UAV thương mại và quân sự.

Call to action: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư thiết kế UAV nên áp dụng kết quả nghiên cứu này để nâng cao hiệu quả và tính cạnh tranh của sản phẩm trong thị trường UAV ngày càng phát triển.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu chung Ví dụ với Quadrotor đƣợc thiết kế có dạng dấu cộng: Các chuyển động của quadrotor nhƣ điều chỉnh độ cao, điều chỉnh góc liệng, góc chúc, góc hƣớng đƣợc thực hiện nhờ thay đổi lực đẩy của từng động cơ. Cụ thể, ở trạng thái bay treo (hover), lực đẩy do 4 động cơ tạo ra là tƣơng đƣơng nhau. Để điều chỉnh góc hƣớng, hai động cơ có cùng chiều quay (thuận hoặc ngƣợc chiều kim đồng hồ) sẽ quay cùng vận tốc và nhanh hơn hai động cơ còn lại. Để điều chỉnh góc liệng, các động cơ sẽ đƣợc chia thành hai nhóm nằm ở hai bên của trục xoay góc liệng, lực đẩy của mỗi motor trong một nhóm có độ lớn bằng nhau.

Tuy nhiên, lực đẩy của hai nhóm động cơ là khác nhau để điều chỉnh máy bay bay liệng. Đối với điều khiển góc chúc, nguyên lý cũng tƣơng tự nhƣ với điều chỉnh góc liệng, chỉ khác ở trục xoay của góc. Hình 10: Nguyên lý hoạt động của Quadrorotor  Trƣớc- sau: để đi về phía trƣớc, motor phía trƣớc giảm tốc độ so với motor sau và ngƣợc lại để đi về phía sau, motor phía sau giảm tốc độ so với motor phía trƣớc. 10 Chương 1: Giới thiệu chung  Trái – phải: để đi về phía trái, motor phía trái giảm tốc độ so với motor phỉa phải và ngƣợc lại để đi về phía phải, motor phía phải giảm tốc độ so với motor phía trái.

 Lên – xuống: tăng tốc hay giảm tốc đồng thời 4 motor đồng thời sẽ tƣơng ứng làm tăng lực nâng và giảm lực nâng để bay lên hoặc xuống.  Xoay: muốn xoay cùng chiều kim đồng hồ thì cặp motor quay cùng chiều kim đồng hồ (ví dụ trƣớc- sau) sẽ quay chậm hơn cặp motor quay ngƣợc chiều (ví dụ trái-phải) và ngƣợc lại trong trƣờng hợp quay ngƣợc chiều kim đồng hồ.2 Phân loại máy bay nhiều chong chóng mang 1.1 Phân loại theo số lượng cánh quạt 1.1a Quadcoper là loại multicoper có 4 cánh quạt. Cặp cánh quạt phía trƣớc (front) và phía sau (back) quay ngƣợc chiều kim đồng hồ, trong khi đó cặp cánh bên phải (right) và bên trái (left) lại quay thuận chiều kim đồng hồ nhằm cân bằng moment xoắn đƣợc tạo ra bởi các cánh quạt trên khung. Cả 4 cánh phải sinh ra một lực đẩy bằng nhau khi Quadrocopter cất cánh và hạ cánh (Ga up/down).

Góc xoay (roll) đƣợc điều khiển bằng cách thay đổi tốc độ giữa cánh bên phải và bên trái sao cho vẫn giữ nguyên tổng lực đẩy sinh ra bởi cặp cánh này. Tƣơng tự nhƣ vậy, góc xoắn (pitch) đƣợc điều khiển bằng thay đổi tốc độ của 2 cánh phía trƣớc và phía sau mà vẫn giữ nguyên tổng lực đẩy. Trong khi đó, góc lệch (yaw) đƣợc điều khiển nhờ vào sự thay đổi tốc độ của cặp cánh phải – trái so với tốc độ của cặp cánh trƣớc–sau mà tổng lực đẩy 4 cánh vẫn không đổi để Quadrocopter giữ đƣợc độ cao. Ƣu điểm của Quadcoper là: Tƣơng đối rẻ, dễ dàng sửa chữa, tính cơ động tuyệt vời, dễ xách tay, và có thể thêm phụ kiện tùy thích.

Tuy nhiên khi một trong các động cơ bị hỏng thì toàn bộ hệ thống sẽ bị mất ổn định và gây rơi, lực đẩy ít hơn, ít chính xác và ít ổn định hơn các loại multicoper nhiều cánh quạt hơn. 11 Chương 1: Giới thiệu chung Hình 11: X4 flyer Mark và chuyển động cơ bản của Quadcoper 1.1b Hexacoper là loại multicoper có 6 cánh quạt. Hình 12: Hexacopter, máy bay 6 chong chóng mang Hexacopter là bƣớc tiếp theo từ quadcopter, có sáu động cơ và cánh quạt tƣơng ứng. Về cơ bản, hexacopter có tất cả những lợi ích chính tƣơng tự của một quadcopter và nhiều lợi ích hơn nhƣ: - Công suất: tốc độ và công suất cao hơn do thêm 2 động cơ - Trần bay: cao hơn - Xử lý tốt trong điều kiện có gió - An toàn: 6 động cơ cách nhau 120 độ, an toàn và có thể đáp kể cả khi có 1 hoặc vài động cơ bị hỏng 12 Chương 1: Giới thiệu chung Tuy nhiên, giá thành của Hexacopter cao hơn Quadcoper, yêu cầu bảo dƣỡng nhiều hơn, ít cơ động hơn và thời gian bay ngắn hơn.

Thêm vào đó vì có đến 6 động cơ cách nhau 120 độ nên kích thƣớc của hexacoper khá cồng kềnh.1c Octocoper là loại multicoper có 8 cánh quạt. Hình13: Octocopter, máy bay 8 chong chóng mang Đây là dạng thiết kế tối ƣu, gồm 8 động cơ và cánh quạt, cung cấp lợi ích lớn hơn nhiều hexacoper. - Tốc độ: Nhanh hơn rất nhiều so với các dạng multicoper khác. - Lực đẩy lớn, tải trọng lớn hơn hexacoper - Kiểm soát: Kiểm soát tuyệt vời mà không bị điều kiện gió cản trở.

- An toàn: có thể vận hành an toàn và ổn định ngay cả khi có 1 hay vài động cơ hỏng. Tuy nhiên, Octocoper yêu cầu hệ thống điều khiển phức tạp, do có đến 8 động cơ và cánh quạt nằm trên cùng 1 mặt phẳng nên kích thƣớc của octocoper cực kỳ cồng kềnh. 13 Chương 1: Giới thiệu chung 1.3 Các cách phối trí cánh quạt trên multicopter Đối với multicoper có số lƣợng cánh quạt nhiều, có 2 cách phối trí cánh quạt: - Cánh đơn - Cánh kép đồng trục.1 Phối trí cánh đơn Hình 14 : Octocoper với phối trí cánh đơn Multicoper với số lƣợng cánh lớn có rất nhiều lợi ích đáng kể đến là hiệu quả và độ ổn định cực cao. Tuy nhiên do số lƣợng cánh lớn phân bố đều trên 1 mặt phẳng nên kích thƣớc của các loại multicoper này thƣờng rất cồng kềnh.2 Phối trí cánh kép đồng trục Hình 15 : Octocoper với phối trí cánh kép đồng trục 14 Chương 1: Giới thiệu chung Cách phối trí này tạo bố cục gọn nhẹ và chiếm ít không gian hơn.

Về hiệu suất và độ tin cậy của chuyến bay, cách phối trí này có ƣu thế hơn phối trí cánh đơn nhƣng có thời gian bay ngắn hơn. Ƣu điểm: - Hiệu suất bay và ổn định tốt nhất trong các loại multicopers - Động cơ dự phòng tốt hơn ( kể cả khi 1 động cơ gặp sự cố cũng không có bất kỳ dao động đáng chú ý nào) - Nhẹ hơn và nhỏ hơn - Cơ động tốt. Nhƣợc điểm: thời gian bay ngắn hơn so với multicoper phối trí cánh đơn có cùng số lƣợng cánh 1. Nội dung nghiên cứu của luận văn Sự phát triển chóng mặt của công nghệ giúp máy bay không ngƣời lái (UAV) đảm nhiệm đƣợc nhiều nhiệm vụ hơn và chứng tỏ đƣợc sự ƣu việt của mình trong hoạt động thực tế.

Bên cạnh sự hỗ trợ đắc lực của chúng trong lĩnh vực quân sự, UAV còn phổ biến hơn trong các hoạt động dân sự và nghiên cứu khoa học học nhƣ phát hiện cháy rừng, bảo trì đƣờng bộ, chăm sóc mùa màng, tìm kiếm nạn nhân trong các thiên tai, vận chuyển thuốc men, đồ cứu trợ, giám sát các mỏ và đƣờng ống dẫn dầu, theo dõi sự cố hạt nhân, sự di cƣ của động vật, giúp giải cứu tàu thuyền. Với những ứng dụng to lớn đó của UAV, luận văn này đóng góp một phần nhỏ vào việc nghiên cứu và phát tiển máy bay không ngƣời lái. Việc “Nghiên cứu ảnh hƣởng phối trí cánh quạt tới lực đẩy trên máy bay nhiều chong chóng mang” với mục đích nghiên cứu các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu suất lực đẩy, hiệu suất tiêu hao năng lƣợng nhằm chế tạo UAV nâng cao khả năng mang tải mà vẫn tối ƣu đƣợc về mặt kích thƣớc và khối lƣợng. 15 CHƢƠNG 2: LÝ THUYẾT ĐỘNG LỰC HỌC MÁY BAY NHIỀU CHONG CHÓNG MANG 2.1 Nguyên lý lực nâng của cánh quạt Máy bay, trực thăng và các vật thể bay bay dựa trên nguyên tắc tƣơng tự nhau để tạo lực nâng.

Hình dạng của 1 airfoil (mặt cắt ngang) hoặc blade (cánh quạt, rotor hoặc tuabin) di chuyển trong dòng khí hoặc chất lỏng tạo ra lực nâng vuông góc với hƣớng dòng chảy (định lý Kutta-Joukowski) Lực nâng (Hình 15 - Lift), là một thành phần của lực khí động học, vuông góc với véc tơ vận tốc của chuyển động của vật thể trong dòng chảy của chất lỏng hoặc khí, là kết quả của sự bất đối xứng của dòng không khí quanh vật thể. Theo luật của Bernoulli, áp suất tĩnh tại khu vực mà tốc độ dòng chảy cao hơn sẽ thấp hơn và ngƣợc lại. Sự khác biệt áp suất tạo lực nâng đẩy cánh lên. Hình 16: Nguồn gốc của lực nâng của vật thể trong dòng chảy (this image is the property of NASA – free for non-commercial use).

Lực lƣợng khí động học của máy bay có thể đƣợc biểu diễn nhƣ sau: Trong đó R– Lực khí động p – Áp suất 16 n – véc tơ pháp tuyến đơn vị chỉ vào cánh A – diện tích cánh. Lực tƣơng tự cho trực thăng: Trong đó: D – đƣờng kính của rotor, V – vận tốc bay, p – khối lƣợng riêng của không khí, u – Vận tốc ký sinh của dòng ra Lý thuyết về lực nâng của cánh quạt Rotor dùng cho các vật thể bay còn đƣợc gọi là cánh quạt (đối với máy bay trực thăng và multicoper, rotor là tên thông thƣờng), dùng chuyển đổi chuyển động quay từ động cơ thành lực đẩy. Blade cánh quạt đƣợc thiết kế sử dụng mặt cắt airfoil để tạo ra lực khí động học, tƣơng tự nhƣ cánh. Các cánh quạt có thể đƣợc phân loại theo số blade (1, 2, 3, 4 và nhiều hơn), theo vị trí liên kết với động cơ (kéo hoặc đẩy), hoặc theo hình dạng của blade, góc xoắn (góc xoắn cố định và biến đổi) và một số tham số khác.

Góc xoắn cánh đƣợc định nghĩa là khoảng cách mà cánh quạt sẽ di chuyển trong một vòng quay, nếu nó di chuyển qua một vật thể rắn xốp, thì giống nhƣ một cái vít qua gỗ. Ví dụ, cánh quạt có pitch 127mm (5 in) sẽ di chuyển về phía trƣớc 127mm trong 1 vòng quay. Mỗi điểm trên cánh quạt, từ trục đến đầu blade, có vận tốc tƣơng đƣơng, vận tốc quay - và do đó là đƣờng xoắn của bất kỳ blade station nào sẽ phụ thuộc vào khoảng cách từ trục quay. Góc blade là góc tạo bởi đƣờng chord line của airfoil và mặt phẳng quay của cánh quạt (φ trong Hình 18) và góc này thay đổi dựa theo góc xoắn.

Bởi vì độ xoắn, góc blade sẽ thay đổi trong suốt chiều dài. Vì thế, thông thƣờng góc blade chuẩn đƣợc đo ở blade station tại vị trí 3/4 của khoảng cách từ trung tâm trục tới blade tip. α trong Hình 18 cho thấy góc tấn tƣơng ứng là góc giữa 17 cord line và đƣờng chuyển động Rotor.