Chương I: Tổng quan về cánh Delta; Chương II: Nghiên cứu dòng qua cánh Delta; Chương III: Đặc tính khí động dòng Delta. Với những kiến thức cũng như kinh nghiệm trong nghiên cứu còn hạn chế, tôi rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các Thầy Cô. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến toàn thể giảng viên thuộc Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đặc biệt là PGS. Hoàng Thị Kim Dung đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức và động viên, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian hoàn thành luận văn này.
TỔNG QUAN CÁNH DELTA Phần này trình bày các đặc điểm chung của cánh Delta, lịch sử phát triển cánh Delta và ứng dụng của cánh Delta.1 Giới thiệu chung Cánh Delta là cánh có hình dạng tam giác, được đặt theo tên của chữ cái Delta hoa (Δ) trong bảng chữ cái Hy Lạp. Cánh Delta đã được nghiên cứu từ lâu, nhưng chỉ thực sự được ứng dụng rộng rãi trong kỷ nguyên của động cơ phản lực bởi nó hoạt động hiệu quả nhất ở vận tốc lớn. Khi hoạt động ở vận tốc thấp, cánh Delta bộc lộ nhiều nhược điểm như khó điều khiển và xuất hiện rung lắc (hiện tượng khí động đàn hồi hay còn gọi là hiện tượng wing rock). Mặc dù vậy, với sự phát triển hệ thống điều khiển “fly-by-wire” và cánh con vịt (canard), cánh Delta đã trở nên dễ điều khiển hơn.
Đặc điểm đáng chú ý của cánh Delta là nó có góc quét ngược (sweep-back angle) lớn, tỷ số dạng nhỏ, dây cung ở đuôi cánh lớn, bán kính của mép vào nhỏ (mép vào thường sắc cạnh) và diện tích cánh lớn, trong khi bề dày lại nhỏ. Điều này giúp nó có khả năng tạo ra lực nâng lớn, đồng thời giảm lực cản, nhất là lực cản sóng trong quá trình bay siêu thanh ở vận tốc Mach lớn hơn 1. Cánh Delta có nhiều biến thể khác nhau. Nó được sử dụng chủ yếu trong lĩnh vực quân sự, chủ yếu là các dòng máy bay chiến đấu tốc độ siêu thanh (Hình 1.
Ngoài ra, cánh Delta cũng từng được sử dụng trong lĩnh vực dân sự, nổi bật là máy bay vận tải hành khách tốc độ cao Concorde của Pháp (Hình 1.b) và trong lĩnh vực hàng không vũ trụ với tàu con thoi của NASA (Hình 1. Ngày nay, cánh Delta còn được nghiên cứu và ứng dụng cho các loại UAV (Hình 1. Launch Pad 39A, NASA [3] d. SkyEye Delta UAV [4] Hình 1.1 Máy bay sử dụng cánh Delta 6 1.2 Lịch sử phát triển cánh Delta Bằng sáng chế đầu tiên về cánh Delta được cấp cho 2 kỹ sư người Anh là J.
Tuy vậy, cũng giống như các ý tưởng cấp tiến khác, phải đến thế chiến II cánh Delta mới được nghiên cứu và thử nghiệm một cách nghiêm túc trong các ống khí động. Trong các cuộc chiến tranh, sức mạnh của lực lượng không quân là tiêu chí hàng đầu để đánh giá sức mạnh quốc phòng của một quốc gia. Các nhà khoa học luôn luôn tìm cách để nâng cao tốc độ, tầm hoạt động, khả năng tác chiến của các chiến cơ. Từ những năm 1950, các thiết kế về hình dạng cánh đã dần thay đổi để nâng cao được tốc độ hoạt động của các loại máy bay.
Sau thế chiến thứ I, kỹ sư Alexander Lippisch là người tiên phong trong các nghiên cứu, cải tiến máy bay cánh Delta và máy bay cánh Delta đầu tiên của ông đã bay vào năm 1931. Sau đó loại máy bay này được sử dụng rộng rãi và được cải tiến hơn, điển hình Convair F-102 Delta Dagger (Hình 1.a), là một kiểu máy bay tiêm kích đánh chặn cánh Delta, được chế tạo như là một phần cốt lõi của lực lượng phòng không không quân Hoa Kỳ vào cuối những năm 1950. Máy bay này được đưa vào hoạt động từ năm 1956 với mục đích chính là ngăn chặn sự xâm nhập của đội máy bay ném bom Xô Viết. Convair F-102 Delta Dagger, Hoa Kỳ [5] b.
Sukhoi PAK FA, Nga [6] c. Thành Đô J-20, Trung Quốc [7] d. Lockheed Martin F-22 Raptor, Hoa Kỳ [8] Hình 1.2 Lịch sử phát triển cánh Delta Từ đó đến nay, các nhà khoa học không ngừng nghiên cứu và tìm kiếm các giải pháp để nâng cao tính năng, tốc độ, tầm hoạt động và khả năng tác chiến của máy bay cánh Delta với sự ra đời của các loại máy bay chiên đấu thế hệ thứ tư và thứ năm. Hiện nay, các chiến cơ thế hệ thứ năm đang khẳng định được sức mạnh vô địch của mình trên vùng trời với một số loại máy bay điển hình dạng cánh Delta đó là: Sukhoi PAK FA do hãng Sukhoi của Nga sản xuất (Hình 1.b), Thành Đô J-20 do Trung Quốc sản xuất (Hình 1.c) và Lockheed Martin F-22 7 Raptor do Mỹ sản xuất (Hình 1.
Trong thời gian tới, máy bay tiêm kích phản lực thế hệ thứ sáu là một loại máy bay được dự đoán sẽ được đưa vào phục vụ trong Không lực Hoa Kỳ và Hải quân Hoa Kỳ trong khoảng năm 2025–2030. Cánh Delta không những được phát triển cho máy bay quân sự mà còn cho máy bay dân sự và ngành vũ trụ, với 2 đại diện nổi bật nhất là máy bay Concorde (Hình 1.b) và tàu con thoi của NASA (Hình 1. Máy bay Concorde có thể đạt đến tốc độ Mach 2, trong khi tàu con thoi có thể dùng cho nhiều mục đích khác nhau. Tuy nhiên, hiện nay cả hai đều đã ngừng phục vụ.
Cánh Delta có khả năng tạo ra lực nâng lớn. Tuy nhiên, nó lại có nhiều nhược điểm như tốc độ máy bay lớn khi cất hạ cánh, đòi hỏi đường băng dài, khó ổn định ở góc tấn lớn đi cùng với lực cản lớn. Trong đó, nguy hiểm nhất là việc cất hạ cánh bởi cánh Delta rất khó điều khiển ổn định. Do đó, đến khoảng những năm 1980, ngoại trừ máy bay Concorde và tàu con thoi, cánh Delta đã dần trở nên lạc hậu.
Các nhược điểm trên khiến nó trở nên kém hấp dẫn, cùng với việc máy bay tốc độ cao không còn có vị trí chiến lược trong quân đội các nước nữa bởi chúng tiêu thụ nhiều nhiên liệu. Tuy nhiên, sự phát triển của máy tính và cánh con vịt đã cứu cánh Delta khỏi sự lạc hậu. Hệ thống điều khiển “fly-by-wire” giúp việc điều khiển ổn định cánh Delta. Trong khi đó, cánh con vịt gắn ở đầu máy bay cũng góp phần giúp cánh Delta dễ điều khiển hơn nhất là ở góc tấn lớn.
Kể từ khi sử dụng hệ thống hỗ trợ điều khiển và cánh con vịt, cánh Delta từ chỗ không còn được ưu tiên sử dụng đã có chỗ đứng trong ngành công nghiệp hành không và vẫn đang tiếp tục được phát triển hiện nay. Hiện nay, vẫn còn rất nhiều máy bay sử dụng cánh Delta, đặc biệt, một số mẫu UAV đã bắt đầu được thử nghiệm với cánh Delta (Hình 1.3 Đặc điểm cánh Delta 1.1 Đặc điểm hình học Cánh Delta có dạng hình tam giác (Hình 1. Cánh có dây cung gốc cánh lớn, dây cung mút cánh nhỏ hoặc không có. Đầu cánh quét ngược về đuôi với một diện tích lớn.
Cánh có độ dày mỏng hơn so với các dạng cánh thông thường khác. Mép vào của cánh kéo dài về phía sau, có thể liền hoặc cách một đoạn nhỏ so với mép ra. Các đặc điểm này khiến cánh Delta có tỷ số thon xấp xỉ bằng không, tỷ số dạng thấp, diện tích cánh lớn, góc mũi tên lớn. Nhờ vậy, cánh có thể tạo ra lực nâng lớn.
Kết cấu cánh vững chắc, bền, khỏe, nhờ gốc cánh lớn, cánh mỏng và thon giúp giảm thiểu được lực cản sóng khi bay trên âm. Cánh có tỷ số dạng thấp nên có tính linh hoạt và khả năng cơ động cao. Cánh Delta bản thân nó đã có khả năng cân bằng theo phương chúc ngóc (pitch), do đó máy bay sử dụng cánh Delta không đòi hỏi phải có bề mặt điều khiển ổn định, tức là không cần đuôi (tailless). 8 ˄ cr ct b Hình 1.3 Hình học cánh Delta Trong đó: cr là chiều dài dây cung gốc cánh, ct là chiều dài dây cung mút cánh, b là chiều dài sải cánh và ˄ là góc quét ngược.
Cánh Delta thường được sử dụng trong rất nhiều các loại máy bay quân sự hiện nay do các đặc trưng khí động học có lợi như giới hạn thất tốc lớn, độ linh động cao và khả năng điều khiển ở tốc độ thấp. Thêm vào đó, thiết kế của cánh Delta cho phép hoạt động ở số Mach lớn, do hình dáng cánh quét ngược về phía sau, từ đó tránh được các sóng va sinh ra từ mũi máy bay trong quá trình hoạt động trên âm. Nhờ đó, cánh máy bay sẽ luôn nằm ở bên trong góc sóng va (Hình 1.4) và vận tốc dòng khí qua cánh sẽ luôn nhỏ hơn 1 Mach.4 Cánh máy bay nằm trong góc sóng va Một ưu điểm khác của cánh Delta là có kết cấu chắc chắn hơn hẳn so với cánh bình thường và diện tích khoang chứa bên trong rộng rãi giúp có thể để được một lượng lớn tải cũng như nhiên liệu. Hơn nữa việc chế tạo cánh Delta cũng không quá phức tạp vì vậy tiết kiệm được chi phí sản xuất.
Tuy nhiên, cánh Delta có nhược điểm lớn đó là dễ bị mất thăng bằng ngang khi hoạt động ở vận tốc thấp và lực cản lớn khi hoạt động ở độ cao thấp nơi có mật độ không khí cao điều này ảnh hưởng rất lớn đến khả năng ổn định và điều khiển của máy bay. Cánh Delta có rất nhiều kiểu khác nhau dựa trên hình dạng của nó. Kiểu cánh Delta đơn giản nhất là dạng hình tam giác, với cạnh góc tới quét đều về phía 9 sau. Loại cánh này được dùng chủ yếu cho các máy bay tốc độ cao, những máy bay chiến đấu trên cao ví dụ: Mig 21, Convair F-102A hay B-58 Hustler.
Nhưng ở nhiều máy bay hiện đại, người ta sử dụng một cách hỗn hợp các hình dạng khác nhau của cánh Delta để làm tăng thêm những lợi ích trong đặc tính khí động của cánh. Các dạng phổ biến của cánh Delta được tổng hợp trong Bảng 1.1 Các dạng cánh Delta phổ biến Dạng cánh Minh họa Đặc điểm Cánh delta có Cánh delta dạng cổ điển được gắn thêm đuôi đuôi đứng và đuôi ngang ở thân với mục đích tăng Tailed Delta độ ổn định điều khiển. Cánh delta không có bề mặt ổn định theo Cánh delta không đuôi phương ngang. Thiết kế này dựa trên một trong những ưu điểm của cánh delta là khả Tailess Delta năng tự ổn định theo phương chúc ngóc.
Đầu mút cánh bị cắt đi, tạo ra một đoạn đầu mút cánh mới có độ dài nhất định. Nhờ đó Cánh delta cắt cánh delta có tỷ số thon khác không.