Tổng quan nghiên cứu

Máy bay trực thăng không người lái (UAV) đã trở thành công cụ quan trọng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là nông nghiệp, với ứng dụng chính là phun thuốc trừ sâu nhằm tăng năng suất và giảm thiểu tác động độc hại đến người vận hành. Tại Việt Nam, nông nghiệp đang trải qua quá trình hiện đại hóa với sự gia tăng sử dụng thiết bị kỹ thuật cao, tuy nhiên việc phun thuốc trừ sâu vẫn còn nhiều hạn chế do sử dụng thiết bị thô sơ và tiếp xúc trực tiếp với hóa chất độc hại. Do đó, nghiên cứu và thiết kế trực thăng không người lái phun thuốc trừ sâu phù hợp với điều kiện địa hình và môi trường Việt Nam là rất cần thiết.

Một trong những thách thức kỹ thuật lớn là hiệu ứng mặt đất, hiện tượng tạo ra lớp đệm khí bên dưới trực thăng khi bay ở độ cao thấp, làm tăng lực kéo nhưng gây khó khăn trong kiểm soát và dự đoán các thông số bay. Địa hình đa dạng của Việt Nam càng làm phức tạp thêm hiệu ứng này. Các nghiên cứu hiện tại chủ yếu tập trung vào trực thăng cỡ lớn, trong khi trực thăng nhỏ gọn, đặc biệt là loại một chong chóng mang dùng trong nông nghiệp, chưa được nghiên cứu sâu.

Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu hiệu ứng mặt đất và các yếu tố địa hình ảnh hưởng đến hoạt động bay của trực thăng không người lái phun thuốc trừ sâu, nhằm xác định các thông số bay tối ưu và đề xuất phương án phun thuốc phù hợp. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi mô phỏng CFD với phần mềm ANSYS Fluent, tập trung vào chế độ bay treo, khảo sát các yếu tố như độ cao bay, góc đặt cánh, tốc độ quay chong chóng mang và lái, cũng như ảnh hưởng của địa hình và thời gian đến hiệu ứng mặt đất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Hiệu ứng mặt đất (Ground Effect): Hiện tượng tăng lực nâng và giảm lực cản khi máy bay hoặc trực thăng bay ở độ cao thấp gần mặt đất, do sự hình thành lớp đệm khí dưới cánh hoặc chong chóng mang. Đối với trực thăng một chong chóng mang, hiệu ứng này làm tăng lực kéo lên đến 50% khi độ cao bay nhỏ hơn đường kính chong chóng mang.

  • Lý thuyết lớp biên (Boundary Layer Theory): Mô tả sự biến đổi vận tốc dòng chảy gần bề mặt vật thể, phân chia thành các vùng viscous sublayer, buffer layer và logarithmic layer, giúp xác định điều kiện chia lưới và mô hình rối phù hợp trong mô phỏng CFD.

  • Mô hình dòng chảy rối k – ω SST: Mô hình rối được sử dụng để mô phỏng chính xác dòng chảy sát bề mặt cánh và chong chóng, phù hợp với các bài toán có số Reynolds thấp và cần nắm bắt hiện tượng lớp biên.

  • Hệ phương trình Navier-Stokes và Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS): Cơ sở toán học để mô phỏng dòng chảy chất lỏng và khí, trong đó RANS được sử dụng để mô phỏng dòng chảy rối trong bài toán CFD.

Các khái niệm chính bao gồm: lực kéo (thrust), moment cản (drag moment), góc đặt cánh (pitch angle), tốc độ quay chong chóng mang và chong chóng lái, áp suất phân bố trên mặt đất và trên cánh, cũng như các đặc tính hình học của chong chóng mang như đường kính, diện tích quét, và hệ số điền đầy.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số CFD với phần mềm ANSYS Fluent để giải bài toán dòng chảy quanh trực thăng một chong chóng mang trong chế độ bay treo. Cỡ mẫu mô phỏng bao gồm toàn bộ mô hình 3D của trực thăng với các bộ phận chính: chong chóng mang, chong chóng lái và thân máy bay.

  • Nguồn dữ liệu: Các thông số đầu vào về hình học, tốc độ quay, góc đặt cánh được lấy từ các nghiên cứu trước và thực tế mẫu trực thăng không người lái phun thuốc trừ sâu tại Việt Nam.

  • Phương pháp chọn mẫu: Mô phỏng được thực hiện với các độ cao bay khác nhau (0.5 m, 2 m, 3.5 m, 5 m, 8 m) để khảo sát hiệu ứng mặt đất, cùng với các góc đặt cánh từ 9° đến 12° và tốc độ quay chong chóng lái tương ứng theo phương trình cân bằng moment.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng mô hình rối k – ω SST, chia lưới tập trung tại bề mặt cánh và thân máy bay để đảm bảo giá trị y+ ≤ 1, thỏa mãn điều kiện mô hình rối. Mô phỏng bao gồm cả steady-state và transient để đánh giá ảnh hưởng của thời gian đến hiệu ứng mặt đất và sự hình thành xoáy đầu mũi cánh.

  • Timeline nghiên cứu: Mô phỏng steady thực hiện trước để xác định các thông số cơ bản, sau đó mô phỏng transient với bước thời gian 0.015 s trong khoảng 3 s (tương đương 32.5 chu kỳ quay chong chóng mang) để phân tích biến đổi lực kéo theo thời gian.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của độ cao bay đến lực kéo:
    Lực kéo tạo ra bởi chong chóng mang tăng khi độ cao bay giảm, đặc biệt rõ rệt khi độ cao H < đường kính chong chóng mang D = 3.5 m. Tại H = 0.5 m, lực kéo tăng khoảng 25-50% so với trường hợp bay cao (8 m), phù hợp với lý thuyết hiệu ứng mặt đất. Lực kéo tại H = 5 m và 8 m chênh lệch dưới 1%, cho thấy hiệu ứng mặt đất gần như triệt tiêu ở độ cao trên 3.5 m.

  2. Góc đặt cánh và cân bằng moment:
    Góc đặt cánh 11° tạo lực kéo gần nhất với điều kiện bay treo khi trọng lượng máy bay tối đa (khoảng 670 N). Góc đặt 12° tạo lực kéo quá lớn, khiến trực thăng không thể bay treo mà chỉ bay lên thẳng đứng. Moment cản và moment do chong chóng lái cân bằng tốt, không bị ảnh hưởng đáng kể bởi độ cao bay.

  3. Ảnh hưởng của yếu tố thời gian và sự hình thành xoáy đầu mũi cánh:
    Mô phỏng transient cho thấy xoáy đầu mũi cánh xuất hiện ngay từ thời điểm ban đầu và phát triển theo thời gian. Khi bay thấp, xoáy bị đẩy xuống mặt đất và di chuyển ra xa theo hướng song song mặt đất, tạo ra dòng khí bất đối xứng. Khi bay cao, xoáy phát triển rộng hơn và đối xứng hơn. Lực kéo biến đổi theo thời gian với biên độ khoảng 60 N so với mô phỏng steady.

  4. Ảnh hưởng của hiệu ứng mặt đất lên cây lúa:
    Áp suất trung bình tác động lên vùng đất dưới trực thăng tăng khi độ cao bay giảm, gây nguy cơ làm đổ cây lúa thân mềm. Thí nghiệm thực tế cho thấy độ cao bay tối thiểu để không làm đổ cây lúa là trên 2 m. Kết quả này phù hợp với mô phỏng áp suất và lực tác động lên cây lúa.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy hiệu ứng mặt đất đóng vai trò quan trọng trong việc xác định lực kéo và an toàn cho cây trồng khi sử dụng trực thăng không người lái phun thuốc trừ sâu. Việc tăng lực kéo nhờ hiệu ứng mặt đất giúp trực thăng hoạt động hiệu quả hơn ở độ cao thấp, tuy nhiên cũng làm tăng áp lực lên cây trồng, gây rủi ro đổ ngã.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế về trực thăng cỡ lớn, kết quả của luận văn phù hợp với xu hướng chung nhưng tập trung vào trực thăng nhỏ gọn, phù hợp với điều kiện Việt Nam. Việc mô phỏng transient bổ sung thông tin quan trọng về biến đổi lực kéo và sự hình thành xoáy, giúp hiểu rõ hơn về hiện tượng phức tạp này.

Phân bố áp suất và vận tốc dòng khí tại vị trí 0.7 bán kính chong chóng mang cho thấy sự chênh lệch áp suất lớn giữa mặt trên và mặt dưới cánh, tạo lực nâng cần thiết. Địa hình đa dạng và sự hiện diện của tán cây cũng ảnh hưởng đến hiệu ứng mặt đất, đòi hỏi nghiên cứu tiếp theo để tối ưu hóa hoạt động bay và phun thuốc.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Điều chỉnh độ cao bay tối ưu:
    Khuyến nghị trực thăng bay ở độ cao trên 2 m khi phun thuốc trên đồng lúa để tránh làm đổ cây, đồng thời tận dụng hiệu ứng mặt đất để tăng lực kéo. Thời gian thực hiện: ngay trong giai đoạn triển khai ứng dụng thực tế. Chủ thể thực hiện: nhà sản xuất UAV và người vận hành.

  2. Tối ưu góc đặt cánh và tốc độ quay:
    Sử dụng góc đặt cánh khoảng 11° và tốc độ quay chong chóng mang 650 vòng/phút để đảm bảo lực kéo phù hợp với chế độ bay treo, tăng hiệu quả phun thuốc và ổn định bay. Thời gian thực hiện: trong quá trình thiết kế và hiệu chỉnh UAV. Chủ thể thực hiện: kỹ sư thiết kế và kỹ thuật viên vận hành.

  3. Phát triển mô hình mô phỏng transient chi tiết hơn:
    Mở rộng mô phỏng để bao gồm các yếu tố địa hình phức tạp và tán cây nhằm dự đoán chính xác hơn hiệu ứng mặt đất trong thực tế, hỗ trợ lập kế hoạch bay và phun thuốc. Thời gian thực hiện: nghiên cứu tiếp theo trong 1-2 năm. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu và các viện nghiên cứu.

  4. Thí nghiệm thực tế trên đồng ruộng:
    Tiến hành bay thử trực thăng không người lái trên các loại cây trồng khác nhau, đánh giá tác động áp lực khí động lên cây trồng và hiệu quả phun thuốc để hoàn thiện thiết kế và quy trình vận hành. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể thực hiện: nhà sản xuất UAV, nông dân và các tổ chức nghiên cứu nông nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế UAV:
    Hưởng lợi từ các phân tích chi tiết về hiệu ứng mặt đất và các thông số kỹ thuật tối ưu, giúp thiết kế trực thăng nhỏ gọn, hiệu quả cho nông nghiệp.

  2. Nhà quản lý và hoạch định chính sách nông nghiệp:
    Có cơ sở khoa học để thúc đẩy ứng dụng UAV trong phun thuốc trừ sâu, góp phần hiện đại hóa nông nghiệp và bảo vệ môi trường.

  3. Người vận hành UAV trong nông nghiệp:
    Nắm được các yếu tố ảnh hưởng đến an toàn bay và hiệu quả phun thuốc, từ đó điều chỉnh kỹ thuật bay phù hợp với từng loại địa hình và cây trồng.

  4. Nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ hàng không:
    Tham khảo phương pháp mô phỏng CFD và kết quả nghiên cứu về hiệu ứng mặt đất, làm nền tảng cho các nghiên cứu sâu hơn về khí động học UAV.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hiệu ứng mặt đất là gì và tại sao nó quan trọng với trực thăng UAV?
    Hiệu ứng mặt đất là hiện tượng tăng lực nâng và giảm lực cản khi trực thăng bay gần mặt đất do lớp đệm khí hình thành bên dưới. Nó giúp tăng lực kéo, cải thiện hiệu suất bay nhưng cũng gây khó khăn trong kiểm soát và có thể ảnh hưởng đến cây trồng khi phun thuốc.

  2. Tại độ cao nào hiệu ứng mặt đất ảnh hưởng rõ nhất?
    Hiệu ứng mặt đất rõ rệt khi độ cao bay nhỏ hơn đường kính chong chóng mang, tức dưới khoảng 3.5 m với mẫu trực thăng nghiên cứu. Trên 3.5 m, hiệu ứng này gần như không còn tác động.

  3. Làm thế nào để giảm thiểu tác động tiêu cực của hiệu ứng mặt đất lên cây trồng?
    Điều chỉnh độ cao bay trên 2 m khi phun thuốc trên cây lúa để tránh áp lực khí động làm đổ cây, đồng thời vẫn tận dụng được lợi ích của hiệu ứng mặt đất.

  4. Phương pháp mô phỏng CFD giúp gì trong nghiên cứu này?
    CFD cho phép mô phỏng dòng khí phức tạp quanh trực thăng, dự đoán lực kéo, phân bố áp suất và sự hình thành xoáy đầu mũi cánh, từ đó tối ưu thiết kế và quy trình bay.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu cho các loại UAV khác không?
    Kết quả chủ yếu áp dụng cho trực thăng một chong chóng mang nhỏ gọn trong nông nghiệp, tuy nhiên các nguyên lý về hiệu ứng mặt đất và mô phỏng CFD có thể tham khảo cho các loại UAV khác với điều chỉnh phù hợp.

Kết luận

  • Hiệu ứng mặt đất làm tăng lực kéo của trực thăng không người lái phun thuốc trừ sâu khi bay ở độ cao thấp dưới 3.5 m, giúp cải thiện hiệu suất bay nhưng cũng tạo áp lực lên cây trồng.

  • Góc đặt cánh 11° và tốc độ quay 650 vòng/phút là thông số tối ưu cho chế độ bay treo, cân bằng moment và lực kéo phù hợp.

  • Mô phỏng transient cho thấy sự biến đổi lực kéo theo thời gian và sự hình thành xoáy đầu mũi cánh, ảnh hưởng đến ổn định bay.

  • Thí nghiệm thực tế xác nhận độ cao bay trên 2 m là an toàn cho cây lúa, tránh làm đổ cây do áp lực khí động.

  • Đề xuất nghiên cứu tiếp tục mở rộng mô hình địa hình và thực nghiệm bay thực tế để hoàn thiện thiết kế và ứng dụng UAV trong nông nghiệp Việt Nam.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và kỹ sư áp dụng kết quả này để phát triển UAV phun thuốc trừ sâu phù hợp, đồng thời tiến hành thử nghiệm thực tế để đánh giá và hoàn thiện sản phẩm.