Chương 1 luận án trình bày tổng quan các vấn đề nghiên cứu liên quan đến nội dung đề tài luận án: bài toán tối ưu biên dạng khí động khí cụ bay, các phương pháp giải bài toán tối ưu, các nghiên cứu tối ưu biên dạng khí động khí cụ bay và xu hướng nghiên cứu, phát triển khí cụ bay điều khiển một kênh. Trên cơ sở các phân tích, nhận định các vấn đề tồn tại và đề xuất hướng nghiên cứu của luận án. Tổng quan tối ưu hóa biên dạng khí động khí cụ bay Mục tiêu của bài toán tối ưu hóa biên dạng khí động KCB là tìm ra phương án thiết kế khí động tối ưu theo một nghĩa nào đó và đáp ứng các yêu cầu ràng buộc của lớp KCB nghiên cứu. Nội dung dưới đây trình bày bài toán tối ưu biên dạng khí động KCB, phương pháp giải cũng như tổng quan tình hình nghiên cứu tối ưu biên dạng khí động của KCB.
Bài toán tối ưu biên dạng khí động khí cụ bay Bài toán tối ưu đa mục tiêu biên dạng khí động KCB được phát biểu ở dạng toán học tổng quát như sau: Tìm ( 1 , 2 ,., n ) sao cho các hàm mục tiêu m ( ) đạt cực tiểu với m 1, 2,., M , đồng thời phải thỏa mãn các điều kiện sau: f j ( ) 0, j 1,2,., n Trong đó, m ( x ) là hàm mục tiêu, f j ( x) là hàm ràng buộc; i* và i** là cận trên và cận dưới của các tham số tối ưu; M là số lượng hàm mục tiêu, (1 , 2 , , n ) là véc-tơ tham số thiết kế, n là số lượng biến thiết kế, J là luan an tien si TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat (LUAN.kenh 6 số lượng các điều kiện ràng buộc. Tham số thiết kế của bài toán tối ưu biên dạng khí động KCB là tọa độ các điểm giới hạn bề mặt chảy bao của KCB. Với các KCB có hình dạng phức tạp, số lượng các điểm này có thể rất lớn. Do đó, bài toán tối ưu biên dạng khí động KCB thường là bài toán tối ưu nhiều tham số.
Giá trị opt (1opt , 2opt ,., nopt ) mà tại đó các hàm mục tiêu đạt cực trị gọi là nghiệm của bài toán tối ưu. Trong bài toán tối ưu đa mục tiêu thường thì các mục tiêu xung đột với nhau nên việc cố gắng cực đại hóa hoặc cực tiểu hóa hàm mục tiêu này có thể làm cực tiểu hóa hoặc cực đại hóa hàm mục tiêu khác. Vì vậy, thông thường người ta tìm ra một phương án nhằm thỏa mãn tất cả các yêu cầu của các hàm mục tiêu ở một mức độ chấp nhận được. Phương án đó được gọi là phương án thỏa hiệp giữa các hàm mục tiêu.
Tập các nghiệm của bài toán tối ưu đa mục tiêu được xác định theo nguyên lý Pareto [10], [11], [49], [53], được gọi là tập nghiệm Pareto. Theo nguyên lý Pareto, nghiệm opt của bài toán tối ưu đa mục tiêu phải có các tính chất sau: - Nghiệm opt phải thuộc tập các điểm chấp nhận được của bài toán. - Mọi phương án thuộc tập D khác của bài toán mà có một hàm mục tiêu nào đó tốt hơn opt , ví dụ i ( ) i ( opt ) , thì phải có ít nhất một hàm mục tiêu khác kém hơn opt , tức là j ( ) j ( opt ) với i j. Hàm mục tiêu của bài toán tối ưu biên dạng khí động KCB thường được chọn là hệ số lực cản, hệ số lực nâng, hệ số chất lượng khí động, hệ số dự trữ ổn định tĩnh, tầm bắn, vận tốc, tính ổn định, tính cơ động và tính điều khiển được.
Do đó, bài toán tối ưu biên dạng khí động KCB là bài toán tối ưu đa mục tiêu. luan an tien si TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat (LUAN.kenh 7 Hệ số lực cản, hệ số lực nâng, hệ số chất lượng khí động và hệ số dự trữ ổn định tĩnh là các tham số có thể được xác định từ việc tính toán các đặc trưng khí động. Trong khi đó, tầm bắn, vận tốc, độ ổn định động, tính cơ động và tính điều khiển được xác định thông qua việc giải bài toán mô phỏng động lực học bay. Một số các hàm mục tiêu mang tính thời điểm như tốc độ, khả năng điều khiển, tính cơ động.
Một số các hàm mục tiêu mang tính tích lũy như tầm bắn tối đa, vận tốc trung bình. Đối với các hàm mục tiêu mang tính thời điểm cần phải tìm ra thời điểm mà chúng chiếm ưu thế nhất. Khi đó không cần tiến hành kiểm tra các điều kiện thỏa mãn của chúng trong tất cả các thời điểm. Đây là cách tiếp cận hiệu quả và tiêu tốn ít thời gian hơn [45].
Các ràng buộc cơ bản đối với bài toán tối ưu biên dạng khí động được chỉ ra trong các tài liệu [45] và [47] là ràng buộc về tần số dao động riêng kênh chúc ngóc, tần số quay của KCB, hệ số quá tải pháp tuyến cho phép, góc tấn. Dưới đây luận án xét một số hàm mục tiêu và ràng buộc cơ bản. Các hàm mục tiêu - Hệ số chất lượng khí động Hệ số chất lượng khí động K của KCB là một đại lượng phụ thuộc vào góc tấn. Ở một giá trị góc tấn nhất định được xác định bằng tỉ số của hệ số lực nâng và hệ số lực cản tại góc tấn đó.2) CD ( ) Trong đó, CL là hệ số lực nâng khí động, CD là hệ số lực cản khí động.
Khi thiết kế khí động cho KCB, hệ số chất lượng khí động luôn được quan tâm do nhiều hiệu quả mang lại như: góc tấn cân bằng nhỏ, lực cản khí động nhỏ, từ đó có thể tăng vận tốc và tầm bắn tối đa [39]. - Tính ổn định luan an tien si TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat (LUAN.kenh 8 Chuyển động của KCB trong không gian được phân chia thành chuyển động ổn lập và chuyển động không ổn lập. Chuyển động của KCB trong điều kiện tiêu chuẩn về khí tượng, các tham số thiết kế. được gọi là chuyển động ổn lập.
Quỹ đạo KCB ứng với chuyển động ổn lập gọi là quỹ đạo chuẩn (hay còn gọi là quỹ đạo tính toán). Tuy nhiên, trong thực tế, trong quá trình chuyển động KCB chịu nhiều tác động không nằm trong tính toán như gió giật, các vùng không khí nhiễu động, sai lệch về hướng lực đẩy động cơ. Chuyển động của KCB dưới ảnh hưởng của các tác động này được gọi là chuyển động không ổn lập. Tính ổn định chuyển động được đặc trưng bởi khả năng KCB quay trở về quỹ đạo tính toán sau khi ngừng chịu tác động của các yếu tố không được tính đến kể trên.
Người ta phân chia ổn định KCB thành ổn định tĩnh và ổn định động. Ở đây ta chỉ xét ổn định tĩnh là đại lượng đặc trưng cho tính ổn định của KCB. Độ dự trữ ổn định tĩnh được xác định thông qua vị trí tâm áp xF so với vị trí khối tâm xT của KCB theo biểu thức: x xF Kod T (1.3) Lref trong đó, Lref là chiều dài đặc trưng của KCB. Khí cụ bay được gọi là ổn định nếu K od 0 (Hình 2.6), mất ổn định nếu K od 0 và cân bằng không bền nếu K od 0 [15].
Giá trị tuyệt đối độ dự trữ ổn định tĩnh càng lớn thì KCB càng có xu hướng nhanh chóng trở lại vị trí cân bằng sau khi ngừng tác động ngoại lực. Tuy nhiên, độ dự trữ ổn định tĩnh quá lớn khiến KCB phản ứng chậm hơn đối với các tác động của hệ thống điều khiển [45]. - Tính điều khiển được Có nhiều quan niệm khác nhau về tính điều khiển được của KCB. Trong luan an tien si TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat (LUAN.kenh 9 số đó, tính điều khiển được có thể được hiểu là việc thay đổi vị trí trục dọc của KCB (hoặc góc tấn) dưới tác động của lực điều khiển tác dụng lên KCB [15].
Khi góc lệch cánh lái điều khiển là cb KCB sẽ xác lập một trạng thái cân bằng mô-men với góc tấn cb. Tính điều khiển được của KCB có thể được định lượng là tỉ số của góc tấn cân bằng và góc lệch cánh lái [38], [50]: cb Kdk (1.4) cb - Tính cơ động Tính cơ động được hiểu khả năng KCB thay đổi hướng bay dưới tác động của lực điều khiển. Tính cơ động thường được biểu diễn bằng giá trị bán kính cong quỹ đạo chuyển động R khi KCB chịu tác động của lực điểu khiển Fdk. Dưới tác dụng của lực điều khiển KCB sẽ chuyển động theo một quỹ đạo cong gần như đường tròn.
Bán kính cong quỹ đạo trong trường hợp lực điều khiển không đổi có thể được tính gần đúng theo biểu thức [15]: mV 2 R (1.5) Fdk Khi lực điều khiển thay đổi theo thời gian thì KCB chuyển động theo một số đường cong thay đổi về giá trị và hướng của bán kính cong R. Tính cơ động của KCB được đặc trưng bởi độ cong của quỹ đạo bay khi lực điều khiển không thay đổi. Tính cơ động của KCB là đặc trưng quan trọng, đặc biệt khi tấn công mục tiêu các mục tiêu ở cự ly gần. Các hàm ràng buộc - Tần số dao động riêng kênh chúc ngóc Yêu cầu về tần số dao động riêng kênh chúc ngóc được đặt ra để đảm bảo sự phù hợp giữa tính cơ động và khả năng điều khiển bắn trúng mục tiêu luan an tien si TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat (LUAN.kenh 10 của KCB.
Khí cụ bay được mô tả bởi hàm truyền có dạng khâu dao động với hằng số thời gian được xác định bởi tần số dao động riêng của KCB [48]. Tần số dao động riêng càng nhỏ thì hằng số thời gian càng lớn và quá trình quá độ khi xuất hiện nhiễu càng lâu. Kết quả là khi KCB bay đến gần mục tiêu không kịp dập tắt các dao động do nhiễu trong khoảng thời gian cần thiết. Điều này làm giảm tính chính xác của KCB.
Đồng thời, giá trị cực tiểu của tần số dao động riêng phụ thuộc vào phương pháp điều khiển KCB. Tần số dao động riêng quá lớn đồng nghĩa với độ dự trữ ổn định tĩnh quá lớn, làm giảm tính cơ động cần thiết cho KCB. Đối với KCB phòng không tầm thấp, giá trị tần số dao động riêng ở mức xấp xỉ 5 Hz [45].