Chương 1 nêu tổng quan về TBB cánh vẫy nói chung và TBB kiểu côn trùng nói riêng, cũng như các đặc trưng khí động lực học và đàn hồi khí động của chúng. Trên cơ sở đó, tập trung phân tích các phương pháp mô phỏng đàn hồi khí động cho cánh vẫy kiểu côn trùng, các nghiên cứu về ảnh hưởng của các thông số động học và độ cứng kết cấu đến khả năng tạo lực và hiệu suất năng lượng của cánh. Từ đó rút ra các vấn đề cần tiếp tục giải quyết và đề xuất hướng nghiên cứu trọng tâm của luận án. Tổng quan về thiết bị bay cánh vẫy kiểu côn trùng Trên thế giới có hàng trăm nghìn loài động vật có khả năng bay như chim, côn trùng, dơi, v.
với đủ các hình dạng, kích thước, đặc tính sinh học khác nhau [13]. Đây là nguồn cảm hứng lớn cho các nhà nghiên cứu trong việc chế tạo các thiết bị bay cánh vẫy phỏng sinh học. Trên thực tế, các nhà khoa học đã chứng minh rằng ở chế độ bay với số Reynolds nhỏ và trung bình, việc sử dụng cánh vẫy sẽ đem lại hiệu suất bay cao hơn so với các TBB truyền thống sử dụng cánh cố định và cánh quay [1]. Với tính cơ động, an toàn cao, tiếng ồn nhỏ và khí thải ít, cũng như hình dạng bên ngoài lý tưởng để ngụy trang, TBB cánh vẫy có khả năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực dân sự và quân sự như giám sát, do thám, cứu hộ cứu nạn.
Do các hạn chế về mặt công nghệ mà hiện nay chủ yếu các TBB cánh vẫy trên thế giới mới chỉ dừng lại ở mức độ sản phẩm phòng thí nghiệm. “Microbat” [14] là TBB cánh vẫy chạy điện đầu tiên được phát triển bởi ĐH công nghệ California (Mỹ) vào năm 2002 (Hình 1. TBB này mô phỏng chuyển động của loài dơi với khối lượng 12,5 g, sải cánh 25 cm và bay được 42 giây. Ngoài ra, còn có thể kể đến “Robo Raven” của ĐH Maryland (Mỹ) mô phỏng chim đại bàng [15], “Smart Bird” của công ty Festo (Đức) mô phỏng chim hải âu [16], TBB KUBeetle [17] của đại học Konkuk (Hình 1.
Cùng với sự phát 6 triển của công nghệ vật liệu và điện tử, đã xuất hiện những sản phẩm có ứng dụng thiết thực trong cuộc sống như TBB cánh vẫy thương mại “Hummingbird” (Hình 1.1c) của hãng AeroViroment (Mỹ) [18]. TBB mô phỏng chim ruồi này được trang bị camera và hệ thống tự động điều khiển, đã được Quân đội Mỹ triển khai trong một số nhiệm vụ. Năm 2018 Đại học Công nghệ Tây Bắc, Trung Quốc đã phát triển TBB cánh vẫy Dove (Hình 1.1d) được trang bị camera trên khoang để sử dụng cho việc giám sát từ trên cao [19]. Bên cạnh đó, một số sản phẩm TBB cánh vẫy khác cũng có tiềm năng lớn đối với các ứng dụng thực tiễn như TBB Delfly của Đại học TU Delf, Hà Lan với sải cánh chỉ 10 cm, nhưng có khả năng bay tự động và tự tránh vật cản [20] (Hình 1.1e); TBB cánh vẫy kiểu côn trùng Robobee của Đại học Harvard, Hoa Kỳ, với sải cánh 3 cm, có khả năng bay ổn định và đang được định hướng phát triển theo hướng sử dụng trí thông minh bầy đàn [21] (Hình 1.
c) TBB Hummingbird a) TBB Microbat [14] b) TBB KuBeetle [17] [18] d) TBB Dove [19] e) TBB Delfly [20] f) TBB Robobee [21] Hình 1.1 Một số TBB cánh vẫy đặc trưng 7 Theo cơ chế bay, các TBB cánh vẫy có thể được chia làm các loại chính như sau (Hình 1.2): - TBB cánh vẫy phỏng theo cơ chế vẫy của các loài chim; - TBB cánh vẫy phỏng theo cơ chế bay của loài dơi; - TBB cánh vẫy sử dụng cánh đôi; - TBB cánh vẫy kiểu côn trùng; a) TBB cánh vẫy dạng loài chim [19] b) TBB cánh vẫy dạng loài dơi [22] c) TBB cánh vẫy dạng cánh đôi [20] d) TBB cánh vẫy kiểu côn trùng [21] Hình 1.2 Các dạng TBB cánh vẫy Trong các loại TBB cánh vẫy nêu trên, TBB phỏng theo cơ chế loài chim đã được bắt đầu nghiên cứu từ khá lâu do chúng có những đặc tính khí động lực học tương đối đơn giản tương tự máy bay cánh bằng như: tính không dừng khí động thấp do có tần số vẫy cánh nhỏ, số Reynolds cao nên ảnh hưởng của 8 độ nhớt không khí là không nhiều [23]. TBB cánh vẫy phỏng theo cơ chế loài dơi mới được bắt đầu chú ý nghiên cứu gần đây [22] và một phần do đặc thù cơ chế chuyển động của cánh rất phức tạp với nhiều khớp và bậc tự do nên chưa có nhiều số liệu thực nghiệm chi tiết được công bố. TBB cánh vẫy sử dụng cánh đôi cũng là dạng đối tượng tiềm năng. Có hai cơ chế quan trọng trong việc tạo lực đẩy đối với dạng TBB này đó là: cơ chế tạo lực đẩy từ cánh biến dạng bị động và cơ chế tạo lực đẩy nhờ hiệu ứng tương tác khí động giữa hai tầng cánh (clap-and-fling effect) [24].
Trong những năm gần đây, các TBB cánh vẫy kiểu côn trùng được tập trung nghiên cứu nhiều nhất do chúng có những đặc điểm được các nhà khoa học trong các lĩnh vực phỏng sinh học, cơ học, kỹ thuật hàng không quan tâm. Lịch sử của các TBB loại này được bắt đầu năm 1997 khi Cơ quan Chỉ đạo các Dự án Nghiên cứu Quốc phòng Tiên tiến Hoa Kỳ DARPA triển khai chương trình phát triển Thiết bị bay siêu nhỏ (MAV) cho các nhiệm vụ do thám trong không gian kín như tòa nhà, hang động, địa đạo. Các yêu cầu kỹ thuật chính đối với TBB là có kích thước nhỏ (chiều dài dưới 20 cm, khối lượng dưới 100 g), khả năng bay treo tốt, tính cơ động cao ở vận tốc thấp, ít tiếng ồn. Các thiết kế cổ điển đều không đáp ứng được yêu cầu đề ra.
TBB cánh bằng có tính cơ động thấp và không có khả năng bay treo. TBB dạng trực thăng (rotorcraft) có tính cơ động tốt, khả năng cất - hạ cánh thẳng đứng, nhưng lại có tiếng ồn lớn và hiệu suất kém ở số Reynolds thấp. Do đó, các nhà nghiên cứu đã hướng sự chú ý vào các TBB cánh vẫy, vốn dĩ đã được chứng minh rằng có hiệu suất năng lượng tốt hơn TBB cánh quay hoặc cánh bằng ở dải vận tốc nhỏ. Cánh của loài chim có khung xương và các cơ, nên thường nặng và tốn năng lượng.
Phần lớn thời gian loài chim sẽ xoải cánh để bay liệng. Điều này làm vận tốc bay của chúng quá nhanh để ứng dụng cho các TBB trong nhà. Ngoài ra, việc thiết kế kết cấu cánh phỏng theo kết cấu khung xương và các cơ của loài chim 9 cũng khá phức tạp. Ngược lại, cánh côn trùng không có xương và cơ, nên kết cấu cánh côn trùng rất nhẹ, chỉ chiếm khoảng 1% khối lượng của chúng [25].
Ưu điểm lớn nhất của cánh côn trùng so với các loại TBB dạng cánh vẫy khác là khả năng bay treo nhờ những chuyển động nhiều bậc tự do ở gốc cánh. Cánh côn trùng có kết cấu nhẹ, đàn hồi, thường là một tấm màng da được trợ lực bởi các gân (Hình 1. Các gân dọc lớn được liên kết bởi các gân ngang nhỏ hơn. Gân có dạng hình côn và rỗng bên trong (Hình 1.
Kích thước và mặt cắt ngang của các gân thay đổi giữa các gân cũng như dọc theo chiều dài của từng gân. Đường kính gân lớn ở gốc cánh và thon dần về mút cánh. Không giống như cánh chim, cánh côn trùng không có cơ ở bên trong cánh. Do đó, chuyển động của cánh côn trùng chỉ được phát động ở gốc cánh bởi các nhóm cơ lồng ngực.
a) Phân bố gân và màng trên cánh ve sầu b) Mặt cắt ngang cánh của loài bướm Manduca Sexta [26] Hình 1.3 Cấu trúc cánh côn trùng Trong mỗi chu kỳ vẫy, cánh côn trùng chuyển động tương đối so với một mặt phẳng gọi là mặt phẳng vẫy (stroke plane). Mặt phẳng vẫy có thể được xác định thông qua 3 điểm: điểm gốc cánh và vị trí của mút cánh tại cuối mỗi nửa chu kỳ vẫy. Khi bay treo, mặt phẳng vẫy gần như nằm ngang còn khi côn trùng bay tiến, mặt phẳng vẫy nghiêng một góc gần 90°. Hệ trục tọa độ (𝑂𝑂𝑋𝑋0 𝑌𝑌0 𝑍𝑍0 ) gắn với mặt phẳng vẫy, gồm các trục 𝑂𝑂𝑋𝑋0 𝑌𝑌0 nằm trong mặt phẳng vẫy sao cho 10 trục 𝑂𝑂𝑋𝑋0 nằm trong mặt phẳng đối xứng dọc của côn trùng, trục 𝑂𝑂𝑍𝑍0 vuông góc với mặt phẳng vẫy.
Lực nâng Lực khí Mặt cắt động cánh Mặt Vẫy xuống phẳng vẫy Vẫy lên a) Chu kỳ vẫy cánh khi bay treo [27] b) Các góc Euler Hình 1.4 Chuyển động của cánh côn trùng trong một chu kỳ vẫy Mỗi chu kỳ vẫy có thể chia ra thành hai giai đoạn: vẫy lên và vẫy xuống (Hình 1. Quỹ đạo chuyển động ở mút cánh của côn trùng có thể có dạng số 8, dạng chữ O, dạng chữ U tùy vào loài và chế độ bay. So với mặt phẳng vẫy, chuyển động của cánh có thể phân tích thành ba thành phần, tương ứng với ba góc Euler: chuyển động quét (góc quét 𝜙𝜙), chuyển động xoay (góc xoay 𝛼𝛼) và 11 chuyển động lên - xuống (góc lên – xuống 𝜃𝜃), trong đó chuyển động quét là chuyển động chính (Hình 1. Nếu coi cánh là cứng tuyệt đối và 𝑂𝑂𝑌𝑌1 là đường nối gốc cánh và mút cánh, thì góc 𝜙𝜙 được định nghĩa là góc giữa hình chiếu của 𝑂𝑂𝑌𝑌1 lên mặt phẳng vẫy với trục 𝑂𝑂𝑌𝑌0.
𝜃𝜃 là góc giữa 𝑂𝑂𝑌𝑌1 và hình chiếu của nó trên mặt phẳng vẫy, 𝛼𝛼 là góc giữa dây cung cánh và mặt phẳng vẫy khi góc 𝜃𝜃 bằng không. Cánh phải thực hiện các chuyển động quay theo trình tự (3 − 1 − 2) tương ứng với các góc Euler 𝜙𝜙, 𝜃𝜃 và 𝛼𝛼. Ở cuối mỗi nửa chu kỳ, cánh thực hiện chuyển động xoay nhanh dọc theo sải cánh để lật cánh theo hướng ngược lại. Khi đó, mặt trên của cánh khi vẫy xuống trở thành mặt dưới khi vẫy lên.
Những chuyển động nhiều bậc tự do này kết hợp với sự biến dạng của cánh khi vẫy khiến cho các hiện tượng khí động cánh côn trùng trở nên rất phức tạp. Trong quá trình thiết kế, chế tạo TBB kiểu côn trùng, các nhà khoa học thường dựa trên các đặc tính kết cấu, động lực học của côn trùng trong tự nhiên, vốn đã được tối ưu hóa thông qua quá trình chọn lọc kéo dài hàng trăm triệu năm (Hình 1. Trong đó, thiết kế cánh là nhiệm vụ quan trọng nhất do cánh côn trùng đồng thời vừa là cơ quan tạo lực nâng, lực đẩy cũng như điều khiển.