Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Cơ kỹ thuật (mã số 9 52 01 01) của nghiên cứu sinh Trần Mạnh Tuân, với đề tài "Nghiên cứu tối ưu biên dạng khí động của khí cụ bay điều khiển một kênh", được thực hiện tại Viện Tên lửa thuộc Viện Khoa học và Công nghệ quân sự - Bộ Quốc phòng, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. TS Nguyễn Văn Chúc và TS Lê Đức Hạnh (bảo vệ năm 2022).

1. Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong lĩnh vực kỹ thuật quân sự, việc nghiên cứu, cải tiến và nâng cấp các loại khí cụ bay (KCB) sẵn có là một xu hướng phổ biến nhằm nâng cao tầm bắn, vận tốc và hiệu quả tác chiến. Quá trình cải tiến kết cấu (như thay đổi phần chiến đấu, kéo dài thân hoặc lắp đặt thêm các cụm cánh) làm thay đổi đáng kể khối lượng, vị trí khối tâm và các đặc trưng khí động hình học. Điều này đòi hỏi phải tái thiết kế biên dạng khí động nhằm đảm bảo đồng thời các yêu cầu nghiêm ngặt về tính ổn định tĩnh, khả năng điều khiển và hệ số quá tải pháp tuyến.

Khí cụ bay điều khiển một kênh sử dụng dây vi cáp (điển hình như KCB kiểu CT14M trong tổ hợp CT11) có đặc thù chuyển động quay liên tục quanh trục dọc và chịu tác động liên tục của lực căng dây vi cáp được tời ra từ thân trong suốt hành trình bay. Mặc dù lý thuyết khí động học và động lực học bay tổng quát đã có nhiều tài liệu đề cập, các công bố khoa học đầy đủ, mang tính hệ thống về mô hình toán mô phỏng chuyển động 6 bậc tự do có tính đến lực căng dây vi cáp kết hợp bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu biên dạng khí động cho lớp KCB này hầu như chưa được công khai. Đề tài luận án được xác lập nhằm giải quyết khoảng trống kỹ thuật này.

2. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm:

  1. Xây dựng và giải bài toán tối ưu biên dạng khí động KCB điều khiển một kênh sử dụng dây vi cáp dựa trên cơ sở phân tích lời giải bài toán mô phỏng động lực học bay và kết quả tính toán bộ hệ số khí động.
  2. Ứng dụng phương pháp tối ưu tham số thiết kế bộ cánh trước cho KCB điều khiển một kênh cải tiến kiểu CT14M.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Khí cụ bay điều khiển một kênh sử dụng dây vi cáp kiểu CT14M và các phương án cải tiến hình học của KCB này.
  • Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu bài toán tối ưu biên dạng khí động, tập trung vào việc xác định bộ tham số hình học tối ưu cho cụm cánh trước của KCB trong phạm vi cự ly tác chiến từ 500 m đến 3.000 m.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

1. Các hướng nghiên cứu trước đây được tổng quan trong văn bản

Tác giả đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế theo hai hướng chính:

Hướng nghiên cứu tối ưu hóa biên dạng khí động KCB:

  • Tanil và cộng sự (2017): Kết hợp phần mềm Missile Datcom (MD) và MATLAB Simulink để mô phỏng động lực học bay, sử dụng thuật toán di truyền (GA) để tối ưu hóa hình dạng phối trí khí động với mục tiêu cực tiểu khối lượng phóng dưới các ràng buộc về tầm bay và vận tốc tối đa.
  • Riddle (2004): Sử dụng GA kết hợp phần mềm Aerodsn và Missile Datcom để tối ưu biên dạng KCB nhiên liệu lỏng nhằm cực tiểu hóa khối lượng.
  • Vidanovic (2013): Sử dụng GA đa mục tiêu kết hợp mô phỏng số động lực học dòng chảy (CFD) và thực nghiệm để cực đại tầm bay và cực tiểu khối lượng cánh ở vận tốc trên âm.
  • Yang và cộng sự (2011): Sử dụng GA tối ưu biên dạng cánh nâng và cánh lái nhằm cực đại tầm bay dựa trên phân tích quỹ đạo chuyển động.
  • Anderson (2002): Ứng dụng GA tối ưu biên dạng với các mục tiêu: cực đại lực pháp tuyến, cực tiểu lực cản và cực đại độ dự trữ ổn định tĩnh.
  • Runduo và Xiaobing (2017): Tối ưu KCB có điều khiển tầm xa bằng GA đa mục tiêu, kết hợp phương pháp bán thực nghiệm, CFD và ống thổi khí động để cực đại hệ số chất lượng khí động và khả năng cơ động.
  • Usta và cộng sự (2014): Sử dụng thuật toán tối ưu bầy đàn (PSO) kết hợp các phương pháp White, MD và Navier-Stokes để tối ưu cánh lái ở dải số Mach trên âm.
  • Xia và cộng sự (2015): Sử dụng PSO giảm lực cản cho cánh cận âm và KCB trên âm.
  • Feyzioglu (2017): Sử dụng phương pháp gradient ngược kết hợp tìm kiếm theo đường (Line Search) và CFD để cực tiểu vận tốc góc cánh lái.
  • Omer Tankulu và Veysi Ercant (2018), Colonno và cộng sự (2012): Tối ưu hóa cực đại tầm bắn hoặc cực tiểu hệ số lực cản.
  • Ahmed (2016): Sử dụng phương pháp Monte Carlo tối ưu hình dạng KCB trên âm nhằm cực đại hệ số chất lượng khí động.

Hướng nghiên cứu về KCB điều khiển một kênh và mô phỏng động lực học:

  • Kolesnikov (1993), Korosteleb (1973), Lebedev (1970): Đặt nền tảng cho phương pháp bán thực nghiệm tính toán hệ số khí động và mô hình động lực học bay của KCB có điều khiển.
  • Ocokoljic và cộng sự (2017): Tối ưu biên dạng phần thân trước KCB điều khiển một kênh cải tiến bằng phương pháp thực nghiệm ống thổi khí động để so sánh hệ số chất lượng khí động và độ dự trữ ổn định tĩnh với mẫu nguyên bản CT14M.

2. Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Các công trình trước đây chủ yếu tối ưu hóa dựa trên các thuật toán tiến hóa (GA, PSO) đòi hỏi khối lượng tính toán lớn, khó mở rộng cho bài toán có nhiều ràng buộc động lực học phức tạp, hoặc chỉ tiếp cận thuần túy từ góc độ khí động tĩnh trong ống thổi mà chưa gắn kết chặt chẽ với mô phỏng chuyển động 6 bậc tự do có sự hiện diện của dây vi cáp. Luận án lựa chọn giải quyết bài toán tối ưu đa mục tiêu biên dạng khí động bằng cách tích hợp mô phỏng động lực học bay 6 bậc tự do (có tính đến lực căng dây vi cáp, lực phụt điều khiển) với phương pháp nghiên cứu không gian tham số (Parameter Space Investigation - PSI) sử dụng chuỗi phân bố đều $LP_\tau$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

1. Khung lý thuyết và mô hình toán học

Luận án xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động 6 bậc tự do của KCB dạng vật rắn trong không gian thông qua các hệ tọa độ:

  • Hệ tọa độ mặt đất ($O_e x_e y_e z_e$): Gốc $O_e$ tại vị trí phóng, trục $O_e x_e$ hướng vào mục tiêu tại thời điểm phóng, $O_e x_e y_e$ là mặt phẳng bắn.
  • Hệ tọa độ liên kết ($O x_b y_b z_b$): Gốc $O$ tại khối tâm KCB, trục $O x_b$ dọc theo trục thân KCB, $O y_b$ hướng lên trên tại thời điểm phóng.
  • Hệ tọa độ vận tốc ($O x_w y_w z_w$): Trục $O x_w$ trùng với véc-tơ vận tốc $V$.
  • Hệ tọa độ cầu mặt đất ($O_e [r][\varepsilon][\beta]$): Dùng để xác định vị trí tương đối giữa đài điều khiển, KCB và mục tiêu theo phương pháp dẫn 3 điểm.

Ma trận cô-sin chỉ phương chuyển từ hệ tọa độ liên kết sang hệ tọa độ mặt đất ($C_{eb}$) được xác định qua 3 góc định hướng không gian: góc tầm ($\vartheta$), góc hướng ($\psi$) và góc Cren ($\gamma$):

$$C_{eb} = \begin{bmatrix} \cos\vartheta\cos\psi & -\cos\vartheta\sin\psi\cos\gamma + \sin\vartheta\sin\gamma & \cos\vartheta\sin\psi\sin\gamma + \sin\vartheta\cos\gamma \ \sin\vartheta & \cos\vartheta\cos\gamma & -\cos\vartheta\sin\gamma \ -\cos\vartheta\sin\psi & \sin\vartheta\cos\psi\cos\gamma + \cos\vartheta\sin\gamma & -\sin\vartheta\cos\psi\sin\gamma + \cos\vartheta\cos\gamma \end{bmatrix}$$

Các thành phần lực và mô-men tác dụng lên KCB gồm:

  1. Lực và mô-men khí động ($F_a, M_a$): Lực cản $F_{xa}$, lực pháp tuyến $F_{ya}$, lực ngang $F_{za}$, mô-men lộn $M_{xa}$, mô-men chúc ngóc $M_{za}$, mô-men đảo $M_{ya}$ cùng các hệ số giảm chấn ($m_x^{\omega_x}, m_y^{\omega_y}, m_z^{\omega_z}$).
  2. Lực đẩy và mô-men động cơ ($F_P, M_P$): Phân tách thành động cơ phóng (ĐCP, thời gian cháy $t_{dcp}$) và động cơ hành trình (ĐCHT, thời gian cháy $t_{dcht}$). ĐCP có góc đặt loa phụt lệch 50' so với đường sinh để tạo mô-men quay vòng ban đầu. ĐCHT kết hợp 2 loa phụt lật qua lại theo tín hiệu điều khiển để tạo lực điều khiển pháp tuyến $F_{dk}$.
  3. Lực căng và mô-men do dây vi cáp ($F_d, M_d$): Bao gồm lực ma sát khi tời dây ($F_{ms}$) và lực phản lực do tách phần tử khối lượng dây (lực Mechersky $F_M$): $$F_d = F_{ms} + F_M = \frac{K_d \cdot m_{day} \cdot V^2}{2 \cdot l_{day}} + \rho_d \cdot V^2$$ (trong đó $K_d$ là hệ số hình dạng phụ thuộc độ giãn dài $\lambda_d$, $m_{day}$ và $l_{day}$ là khối lượng và chiều dài dây đã tời, $\rho_d$ là khối lượng riêng trên mét chiều dài của dây vi cáp).
  4. Trọng lực ($F_{gra}$).

2. Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng số và thực nghiệm kiểm chứng:

  • Xác định hệ số khí động: Sử dụng phương pháp bán thực nghiệm trên phần mềm Missile Datcom để tính toán nhanh bộ hệ số khí động cho các phương án hình học; kiểm chứng bằng mô phỏng số CFD (phương trình Navier-Stokes) và thực nghiệm trong ống thổi khí động.
  • Mô phỏng động lực học bay: Lập trình giải hệ phương trình vi phân chuyển động 6 bậc tự do trong môi trường MATLAB Simulink, tích hợp thuật toán điều khiển bám đường ngắm 3 điểm (MCLOS/SACLOS) và tín hiệu bù trọng lượng ($U_b$), tín hiệu tuyến tính hóa ($U_{tt}$).
  • Phương pháp tối ưu hóa: Sử dụng phương pháp nghiên cứu không gian tham số (PSI) dựa trên chuỗi giả ngẫu nhiên phân bố đều $LP_\tau$ của I. M. Sobol và R. B. Statnikov để khảo sát không gian tham số thiết kế $P$, trích xuất tập các phương án thỏa mãn ràng buộc $G$, lập tập chấp nhận được $D$ và xác định tập nghiệm tối ưu Pareto ($E$).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về bài toán tối ưu biên dạng khí động KCB, phân tích ưu nhược điểm của các thuật toán tối ưu (GA, PSO, Gradient, Monte Carlo, PSI) và tổng quan xu hướng phát triển KCB điều khiển một kênh qua 3 thế hệ.

Luận án chỉ rõ đặc điểm của KCB điều khiển một kênh CT14M: không sử dụng cánh lái khí động học mà duy trì vận tốc quay quanh trục dọc thông qua 4 cánh ổn định đuôi đặt lệch góc $\delta_c = 3^\circ 15'$, điều khiển hướng bay bằng cách đổi hướng luồng phụt của ĐCHT qua hai loa phụt lật.

Văn bản thiết lập các chỉ tiêu mục tiêu và điều kiện ràng buộc kỹ thuật:

  • Hàm mục tiêu:
    1. Cực đại hệ số chất lượng khí động $K(\alpha) = C_L(\alpha) / C_D(\alpha)$ tại góc tấn cân bằng.
    2. Độ dự trữ ổn định tĩnh $K_{od} = (x_T - x_F) / L_{ref} > 0$ (với $x_T$ là tọa độ khối tâm, $x_F$ là tọa độ tâm áp tính từ mũi KCB, $L_{ref}$ là chiều dài đặc trưng).
    3. Tính điều khiển được $K_{dk} = \alpha_{cb} / \delta_{cb}$.
    4. Tính cơ động thông qua bán kính cong quỹ đạo $R \approx m V^2 / F_{dk}$.
  • Hàm ràng buộc kỹ thuật:
    1. Tần số dao động riêng kênh chúc ngóc $f_z$ phải nằm trong khoảng 2,17 Hz (đầu hành trình) đến 2,87 Hz (cuối hành trình) đối với tên lửa chống tăng.
    2. Tần số quay quanh trục dọc $f_x$ phải thỏa mãn điều kiện tránh cộng hưởng: $f_x \ge 2 f_z$.
    3. Hệ số quá tải pháp tuyến cho phép $n_y$ phải đủ để duy trì quỹ đạo nằm ngang nhưng không vượt quá giới hạn bền kết cấu và yêu cầu độ chính xác bắn.
Nhóm thông số Ký hiệu / Đại lượng Ý nghĩa / Yêu cầu kỹ thuật
Mục tiêu tối ưu $K = C_L / C_D$ Cực đại hóa chất lượng khí động để giảm lực cản, tăng vận tốc và tầm bay
$K_{od} = (x_T - x_F)/L_{ref}$ Đảm bảo độ dự trữ ổn định tĩnh dương nhưng không quá lớn
$K_{dk} = \alpha_{cb}/\delta_{cb}$ Tăng góc tấn cân bằng sinh ra trên mỗi độ lệch cơ cấu lái
$R \approx m V^2 / F_{dk}$ Cực tiểu hóa bán kính cong quỹ đạo để tăng tính cơ động
Ràng buộc $f_z$ Tần số dao động riêng kênh chúc ngóc (2,17 – 2,87 Hz)
$f_x \ge 2 f_z$ Tần số quay quanh trục dọc tránh hiện tượng cộng hưởng
$n_y$ Quá tải pháp tuyến giới hạn theo độ bền và độ chính xác dẫn

Chương 2: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC BAY KHÍ CỤ BAY ĐIỀU KHIỂN MỘT KÊNH

Chương 2 hoàn thiện mô hình toán học mô phỏng chuyển động không gian 6 bậc tự do của KCB điều khiển một kênh có dây vi cáp. Luận án thiết lập hệ phương trình chuyển động khối tâm và chuyển động quay quanh khối tâm trong hệ tọa độ liên kết:

$$\begin{cases} m \left( \frac{d V_{xb}}{dt} + \omega_{yb} V_{zb} - \omega_{zb} V_{yb} \right) = \sum F_{xb} \ m \left( \frac{d V_{yb}}{dt} + \omega_{zb} V_{xb} - \omega_{xb} V_{zb} \right) = \sum F_{yb} \ m \left( \frac{d V_{zb}}{dt} + \omega_{xb} V_{yb} - \omega_{yb} V_{xb} \right) = \sum F_{zb} \end{cases}$$

$$\begin{cases} J_x \frac{d\omega_{xb}}{dt} + (J_z - J_y) \omega_{yb} \omega_{zb} = \sum M_{xb} \ J_y \frac{d\omega_{yb}}{dt} + (J_x - J_z) \omega_{zb} \omega_{xb} = \sum M_{yb} \ J_z \frac{d\omega_{zb}}{dt} + (J_y - J_x) \omega_{xb} \omega_{yb} = \sum M_{zb} \end{cases}$$

Nội dung chương trình mô phỏng bao gồm:

  • Tính toán sự thay đổi khối lượng $m(t)$, mô-men quán tính $J_x(t), J_y(t), J_z(t)$ và vị trí khối tâm $x_T(t)$ do tiêu hao nhiên liệu động cơ phóng ($\Delta m_{nlp}$), động cơ hành trình ($\Delta m_{nlht}$) và khối lượng dây tời ra ($m_{day}$).
  • Mô hình hóa lực căng dây vi cáp $F_d$ và mô-men $M_d$ dựa trên quy luật tời dây từ ống dây trên thân.
  • Xây dựng sơ đồ khối vòng điều khiển tự động trong MATLAB Simulink: tiếp nhận sai lệch tọa độ góc giữa KCB và mục tiêu trong hệ tọa độ cầu mặt đất ($r_{KCB}, \varepsilon_{KCB}, \beta_{KCB}$ so với $r_{MT}, \varepsilon_{MT}, \beta_{MT}$), xử lý qua khâu giữ chậm máy lái $t_{gc}$, khâu bù trọng lượng và tạo tín hiệu điều khiển $U_{dk}$ đóng cắt luồng phụt ĐCHT.
  • Chương trình có khả năng tự động liên kết dữ liệu với tệp kết quả khí động học từ Missile Datcom để mô phỏng quỹ đạo bay hoàn chỉnh.

Chương 3: XÂY DỰNG BÀI TOÁN TỐI ƯU BIÊN DẠNG KHÍ ĐỘNG CỦA KHÍ CỤ BAY ĐIỀU KHIỂN MỘT KÊNH

Chương 3 thiết lập quy trình giải bài toán tối ưu đa mục tiêu biên dạng khí động KCB điều khiển một kênh bằng phương pháp PSI. Các nội dung chính gồm:

  • Xác định các tham số thiết kế: Đối với KCB cải tiến có lắp thêm cụm cánh trước, 5 tham số hình học được lựa chọn để tối ưu hóa bao gồm:
    1. Vị trí điểm đầu dây cung gốc cánh ($x_a$).
    2. Sải cánh ($L$).
    3. Góc mũi tên cánh trước ($\chi$).
    4. Chiều dài dây cung gốc cánh ($b_0$).
    5. Chiều dài dây cung mút cánh ($b_k$).
Tham số thiết kế Ký hiệu Đơn vị Miền khảo sát ban đầu ($P$)
Vị trí điểm đầu dây cung gốc cánh $x_a$ mm $[\alpha_1^*, \alpha_1^{**}]$
Sải cánh trước $L$ mm $[\alpha_2^*, \alpha_2^{**}]$
Góc mũi tên cánh trước $\chi$ độ $[\alpha_3^*, \alpha_3^{**}]$
Chiều dài dây cung gốc cánh $b_0$ mm $[\alpha_4^*, \alpha_4^{**}]$
Chiều dài dây cung mút cánh $b_k$ mm $[\alpha_5^*, \alpha_5^{**}]$
  • Quy trình thuật toán PSI 3 bước:
    • Bước 1 (Lập bảng kết quả tính toán): Khởi tạo $N$ phương án tìm kiếm $A_1, A_2, \dots, A_N$ phân bố đều trong miền hộp $P$ bằng chuỗi $LP_\tau$. Chạy tự động Missile Datcom và mô phỏng 6 bậc tự do để tính toán các hàm mục tiêu $\Phi_v(A)$ và hàm ràng buộc $f_l(A)$. Lọc các phương án thỏa mãn ràng buộc kỹ thuật để thu được tập $G$.
    • Bước 2 (Xác định tập chấp nhận được $D$): Người thiết kế thiết lập ngưỡng giới hạn hàm mục tiêu $\Phi_v^{}$ (thường lấy từ giá trị của mẫu KCB cơ sở). Các phương án thỏa mãn $\Phi_v(A) \le \Phi_v^{}$ lập thành tập $D$. Nếu $D = \emptyset$, tiến hành tăng gấp đôi số điểm khảo sát ($2N$) theo ưu điểm của chuỗi $LP_\tau$ mà không cần tính lại $N$ điểm trước đó.
    • Bước 3 (Lựa chọn phương án tối ưu): Tìm biên Pareto $E^*$ trong không gian mục tiêu và chọn phương án tối ưu thỏa hiệp.

Chương 4: TỐI ƯU THAM SỐ THIẾT KẾ BỘ CÁNH TRƯỚC CHO KHÍ CỤ BAY ĐIỀU KHIỂN MỘT KÊNH CẢI TIẾN

Chương 4 thực hiện việc kiểm chứng mô hình và áp dụng tối ưu hóa thực tế cho mẫu KCB CT14M cải tiến:

  • Kiểm chứng phương pháp tính toán khí động: So sánh kết quả tính toán hệ số khí động giữa phần mềm Missile Datcom, mô phỏng số CFD và thực nghiệm thổi trong ống thổi khí động cho cả hai cấu hình KCB CT14M nguyên bản và KCB CT14M cải tiến. Kết quả cho thấy sự phù hợp về phân bố áp suất và các hệ số lực nâng ($C_y$), lực cản ($C_x$), mô-men chúc ngóc ($m_z$).
  • Kiểm chứng chương trình mô phỏng động lực học bay: Tiến hành kiểm chứng quỹ đạo bay thực tế và đo đạc lực căng dây vi cáp bằng cảm biến chuyên dụng trên bệ thử ở các cự ly 500 m và 3.000 m. Các thông số vận tốc $V(t)$, vận tốc góc $\omega(t)$ và quỹ đạo trong mặt phẳng đứng ($y_e$), mặt phẳng ngang ($z_e$) chứng minh tính đúng đắn của chương trình mô phỏng.
  • Thực hiện tối ưu hóa tham số bộ cánh trước:
    • Quá trình tìm kiếm được thực hiện qua các bước thu hẹp không gian tham số từ miền ban đầu $P$ ($N = 1024$ phương án) sang miền $P_1$ ($N = 64$ phương án) và miền $P_2$ ($N = 64$ và $N = 128$ phương án).
    • Phân tích độ nhạy của quỹ đạo bay và các hàm mục tiêu theo từng tham số $x_a, L, \chi, b_0, b_k$.
    • Từ tập các phương án chấp nhận được trong miền $P_2$, xác định được phương án tối ưu $B_2$ với bộ tham số thiết kế cánh trước cụ thể. Phương án $B_2$ mang lại sự cân bằng giữa chất lượng khí động, tính ổn định tĩnh và độ chính xác dẫn hướng khi bắn mục tiêu ở các cự ly 500 m và 2.000 m – 3.000 m.

Kết quả và những đóng góp mới

1. Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  • Xây dựng hoàn chỉnh mô hình toán học và chương trình tính toán mô phỏng chuyển động không gian 6 bậc tự do cho KCB điều khiển một kênh sử dụng dây vi cáp, phản ánh đầy đủ tác động của lực căng dây vi cáp, lực phản lực tời dây Mechersky, lực ma sát cuộn dây và cơ chế lái bằng luồng phụt khí động lực học của động cơ hành trình.
  • Đề xuất và hoàn thiện quy trình giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu biên dạng khí động KCB điều khiển một kênh bằng phương pháp nghiên cứu không gian tham số (PSI) sử dụng chuỗi phân bố đều $LP_\tau$, kết hợp tự động hóa giữa tính toán khí động bán thực nghiệm và mô phỏng quỹ đạo bay 6 bậc tự do.

2. Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  • Xác định được bộ tham số hình học tối ưu cho cụm cánh trước của mẫu KCB điều khiển một kênh cải tiến kiểu CT14M (phương án $B_2$), đảm bảo cải thiện chất lượng khí động và độ ổn định chuyển động trong dải cự ly tác chiến quy định.
  • Cung cấp công cụ phần mềm mô phỏng và bộ số liệu khí động học tin cậy (đã qua kiểm chứng bằng CFD và ống thổi khí động) phục vụ trực tiếp cho công tác nghiên cứu, thiết kế mới và nâng cấp các tổ hợp KCB có điều khiển tại các cơ sở nghiên cứu kỹ thuật quân sự.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Luận án tập trung khảo sát tối ưu hóa cho 5 tham số hình học của cụm cánh trước trên nền tảng biên dạng thân và cánh đuôi sẵn có của mẫu KCB CT14M cải tiến; các tham số về cấu trúc vật liệu và ảnh hưởng nhiễu động khí tượng phức tạp chưa được khảo sát đồng thời trong bài toán tối ưu.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    1. Mở rộng bài toán tối ưu hóa đồng thời toàn bộ cấu hình phối trí khí động (bao gồm cả cánh ổn định đuôi và hình học thân vỏ).
    2. Khảo sát động học bay của KCB trong điều kiện gió nhiễu ngẫu nhiên và tích hợp các thuật toán điều khiển hiện đại cho thế hệ KCB điều khiển bán tự động (SACLOS).

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu sinh và học viên sau đại học: Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu về phương pháp xây dựng mô hình toán học 6 bậc tự do, phương pháp tích hợp công cụ tính toán khí động (Missile Datcom, CFD) với mô phỏng động lực học (MATLAB Simulink) và kỹ thuật tối ưu hóa đa mục tiêu bằng phương pháp PSI.
  • Đối với giảng viên và cán bộ nghiên cứu ngành Cơ kỹ thuật, Kỹ thuật Hàng không - Vũ trụ: Cung cấp phương pháp luận và dữ liệu thực nghiệm ống thổi, đo lực căng dây vi cáp phục vụ giảng dạy và nghiên cứu chuyên ngành Động lực học bay và Khí động lực học.
  • Đối với các đơn vị thiết kế, chế tạo vũ khí: Cung cấp giải pháp kỹ thuật cụ thể để cải tiến nâng cấp các tổ hợp tên lửa chống tăng điều khiển một kênh thế hệ cũ đáp ứng yêu cầu tác chiến mới.

Câu hỏi thường gặp

1. Khí cụ bay điều khiển một kênh trong luận án có nguyên lý tạo lực điều khiển như thế nào khi không có cánh lái khí động?

KCB điều khiển một kênh kiểu CT14M không sử dụng các cánh lái khí động học ở thân hay đuôi. Thay vào đó, KCB duy trì chuyển động quay liên tục quanh trục dọc (nhờ các cánh ổn định đuôi đặt lệch góc $\delta_c = 3^\circ 15'$). Lực điều khiển được tạo ra từ hai loa phụt của động cơ hành trình (ĐCHT) lật qua lật lại dưới tác động của khí cháy cao áp điều khiển bởi máy lái. Khi loa phụt lật, luồng phụt bị đổi hướng tạo ra thành phần lực đẩy vuông góc với trục dọc KCB. Kết hợp với chuyển động quay quanh trục thân, thành phần lực này tạo nên lực điều khiển hướng KCB theo góc tầm và góc hướng tương ứng.

2. Lực căng dây vi cáp tác dụng lên KCB được mô hình hóa gồm những thành phần nào?

Lực căng dây vi cáp $F_d$ trong mô hình toán của luận án gồm hai thành phần chính:

  1. Lực ma sát tời dây $F_{ms}$ sinh ra khi dây vi cáp được rút ra khỏi các lớp cuộn dây trên thân KCB, tính theo công thức: $F_{ms} = \frac{K_d \cdot m_{day} \cdot V^2}{2 \cdot l_{day}}$ (với $K_d$ là hệ số hình dạng phụ thuộc độ giãn dài $\lambda_d$).
  2. Lực phản lực Mechersky $F_M$ sinh ra do sự biến thiên khối lượng khi phần tử dây rời khỏi KCB với vận tốc bay $V$: $F_M = \rho_d \cdot V^2$ (với $\rho_d$ là khối lượng trên một đơn vị chiều dài dây).

3. Tại sao phương pháp PSI sử dụng chuỗi $LP_\tau$ lại phù hợp hơn thuật toán di truyền (GA) cho bài toán tối ưu trong luận án?

Thuật toán di truyền (GA) đòi hỏi đánh giá độ thích nghi của toàn bộ quần thể qua rất nhiều thế hệ, dẫn đến số lượng lần chạy mô phỏng 6 bậc tự do rất lớn và khó kiểm soát thời gian hội tụ. Trong khi đó, phương pháp PSI sử dụng chuỗi $LP_\tau$ tạo ra các điểm thử nghiệm phân bố đều nhất trong không gian thiết kế nhiều chiều với số lượng tính toán vừa phải. Khi cần tăng độ chính xác tìm kiếm bằng cách nhân đôi số điểm ($2N$), người nghiên cứu chỉ cần tính bổ sung các điểm mới mà không phải tính toán lại $N$ điểm ban đầu. Đồng thời, PSI cho phép người thiết kế trực tiếp can thiệp điều chỉnh các ngưỡng giới hạn hàm mục tiêu $\Phi_v^{**}$ và trích xuất không gian nghiệm Pareto một cách trực quan.

4. Các tham số hình học nào của cụm cánh trước đã được lựa chọn để tối ưu hóa trên KCB cải tiến?

Luận án lựa chọn 5 tham số thiết kế hình học chính của cụm cánh trước:

  1. Vị trí điểm đầu dây cung gốc cánh tính từ mũi KCB ($x_a$).
  2. Sải cánh trước ($L$).
  3. Góc mũi tên của cánh trước ($\chi$).
  4. Chiều dài dây cung gốc cánh ($b_0$).
  5. Chiều dài dây cung mút cánh ($b_k$).

5. Kết quả kiểm chứng khí động học trong luận án được thực hiện bằng những phương pháp nào?

Kết quả tính toán hệ số khí động bằng phương pháp bán thực nghiệm trên phần mềm Missile Datcom được đối chứng và kiểm chứng độ tin cậy thông qua hai phương pháp:

  1. Phương pháp mô phỏng số động lực học dòng chảy (CFD) giải hệ phương trình Navier-Stokes trên lưới không gian 3D của KCB.
  2. Phương pháp thực nghiệm đo lực và mô-men khí động trong ống thổi khí động học trên mô hình thực tế của KCB CT14M và KCB CT14M cải tiến.

Kết luận

Luận án của NCS Trần Mạnh Tuân đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu biên dạng khí động cho lớp khí cụ bay điều khiển một kênh sử dụng dây vi cáp. Bằng việc kết hợp mô hình động lực học bay 6 bậc tự do có tính đến lực căng dây vi cáp với phương pháp nghiên cứu không gian tham số PSI sử dụng chuỗi $LP_\tau$, tác giả đã xác định được bộ tham số hình học tối ưu cho cụm cánh trước của mẫu KCB CT14M cải tiến. Công trình có đóng góp thiết thực cho lý luận tính toán khí động học quân sự và ứng dụng trực tiếp vào công tác thiết kế, nâng cấp vũ khí trang bị kỹ thuật.