Nghiên cứu, tính toán, thiết kế máy bay cực nhỏ cánh vẫy điều khiển từ xa

+ Xác định quy luật chuyển động của cánh để hình thành lực nâng+ Xác định các kích thước hình học của cánh theo yêu cầu của đầu bài+ Thiết kế khí động học của cánh vẫy B- Phần thực nghiệ

- Sải cánh tối đa 180 mm

- Lực nâng tối đa khi bay bình ổn 200g

+ Xác định quy luật chuyển động của cánh để hình thành lực nâng

+ Xác định các kích thước hình học của cánh theo yêu cầu của đầu bài+ Thiết kế khí động học của cánh vẫy

B- Phần thực nghiệm

+ Thiết kế chi tiết các bộ phận của MAV1V

+ Chế tạo thử nghiệm MAV1V cung cấp nguồn và điều khiển bằng dây+ Xác định các thông số động lực học của MAV1V

C- Phần bảo vệ

- Phần bảo về chung

+ Bảo vệ kết quả nghiên cứu của thế giới

+ Bảo vệ lựa chọn kết cấu của MAV1V

+Bảo vệ đặc tính làm việc của MAV1V với động cơ

- Phần riêng

Nguyễn Trinh Hiếu

+ Bảo vệ cơ cấu tạo chuyển động vẫy cánh

+ Bảo vệ phần điều kiện của MAV1V

Nguyễn Thái Vinh

+ Bảo vệ chế tạo cánh (thiết kế và chế tạo)

+ bảo vệ xác định lực khí động cho 1 chu kỳ hoạt động của cánh (1 lầnvẫy)

Phần I: TỔNG QUAN VỀ MÁY BAY SIÊU NHỎ

(Micro Air Vehicle)

Chương 1: Giới thiệu sơ lược, ứng dụng và yêu cầu về kỹ

thuật của MAV

1.1 Giới thiệu về máy bay siêu nhỏ MAV

MAV (Micro Air Vehicle) là một loại máy bay rất nhỏ với kích thước chỉkhoảng 6 inches hoặc cĩ thể nhỏ hơn nữa và nĩ hoạt động ở số Reynold nhỏhơn 250,000 Nĩ đã thể hiện được mong muốn tiến xa hơn nữa về ngành Hàngkhơng, khi mà khoa học kỹ thuật đã phát triển 1 cách vượt bậc như hiện nay,thời đại mà mọi thứ đều bắt nguồn từ cơng nghệ Nano

Nghiên cứu đầu tiên cĩ tính khả thi về MAV là của cơng ty RAND vào năm

1993 Và nĩ đã được phát triển liên tục vào những năm sau Trong vịng 2năm đã cĩ nhiều nghiên cứu chi tiết được thực hiện tại phịng thí nghiệmLincoln Kết quả của nghiên cứu này đã được trình bày tại hội thảo MAVmang tên DAPRA diễn ra năm 1995 Năm 1996, DARPA đã cĩ được nhữngnghiên cứu xa hơn với chương trình mang tên SBIR (Small BusinessInnovation Reasearch) AeroVironment đã thực hiện giai đoạn 1 của việcnghiên cứu với kết quả là chiếc MAV cĩ kích thước với chỉ 6 inches mangtính khả thi rất cao Mùa xuân năm 1998 AeroVironment đã quyết định thựchiện hợp đồng giai đoạn 2 của SBIR Và kết quả thu được là cấu hình chiếcmáy bay mang tên “Cửa sổ đen” (Black Window)

Một vài trường đại học cũng đã cĩ những nghiên cứu mang tính bao hàmđối với máy bay MAV Và cuộc đua tranh về vấn đề này đã diễn ra từ năm

1997 giữa 2 trường đại học nổi tiếng đĩ là trường đại học Florida và trường

Chúng ta sẽ điểm qua một chút về chiếc MAV mang tên Black Window.Đây là công trình nghiên cứu của DARPA Trong giai đoạn đầu của chươngtrình nghiên cứu Black Window, một vài mẫu dầu tien đã được xây dựng vớikích thước chỉ là 6 inches Có thể nói đây là 1 ẩn số lớn vào thời gian này Với loại gỗ balsa, các loại cánh có cấu hình khác nhau đã được xây dựng.Các cuộc kiểm tra đơn giản đã được thực hiện để xác định tỷ lệ giữa lực nâng

và cản Các cuộc kiểm tra này đã được diễn ra trên chiếc MAV có hình dạngdạng đĩa và có vẻ rất có triển vọng trong tương lai Một phiên bản khác củaMAV này đã ra đời tiếp theo đã được gắn động cơ Vào mùa xuân năm 1996chiếc MAV 6 inches sử dụng động cơ đã thực hiện thành công 9 giây bay lênkhông trung Thời gian bay đã dần dần được nâng cao với chiếc MAV này, và

đã đạt được thời gian ở mức cực điểm với chuyến bay kéo dài tới 16 phút sửdụng pin lithium vào tháng 11 năm 1997 Chiếc MAV này nặng 40rgam, nóđược điều khiển bằng tay và nó không mang thêm được gì lên người

Đây là mẫu MAV cókích thước 6 inches doDARPA thiết kế

Đây là mẫu MAV phiênbản mới nhất củaDARPA

Mẫu MAV đầu tiên với kích thước 6 inches đã là lời minh chứng cho tínhkhả thi của nĩ Tuy nhiên, càng về sau này thì những yêu cầu đối với chiếcMAV đã khơng cịn đơn giản như trước nữa, nĩ được trang bị thêm camera vàvới 1 hệ thống điều khiển tiên tiến đã cho phép nĩ hoạt động được mà chỉcần 1 người khơng cĩ nhiều chuyên mơn cũng cĩ thể điều khiển được nĩ.

1.2 Những ứng dụng của máy bay siêu nhỏ MAV

Những nhiệm vụ chính của MAVs bao gồm giám sát, theo dõi, phát hiện,truyền thông và đặt những cảm biến bí mật Nhiệm vụ giám sát theo dõibao gồm thu hình video (ngày và đêm ), chụp hình bằng tia hồng ngoại củachiến trường và những khu vực đô thị Những hình ảnh thực sẽ cho biết sốlượng và vị trí của lực lượng đối phương Bằng cách này thì những thông tincũng sẽ rất hữu dụng trong việc giải cứu con tin hay những hoạt độngchống ma tuý Với những cảm biến rất nhỏ, nhiệm vụ phát hiện bao gồmnhững hoạt động sinh học, những hợp chất hoá học hay là vật liệu hạtnhân…MAVs cũng có thể được sử dụng để nâng cấp hệ thống thông tin liênlạc trong đô thị và những nơi khác Ngoài ra MAV còn rất hữu dụng trongviệc dự báo thời tiết, theo dõi cháy rừng hay những địa hình mà con ngườihiện tại chưa thể đặt chân tới

1.3.Những yêu cầu kỹ thuật

Do máy bay bay ở độ cao thấp và với tốc độ thấp nên kết hợplại, kết quả là nó bay ở chế độ với số Reynolds cực thấp Khốilượng của MAVs và các vật thể bay khác quan hệ với số Reynoldsđược biểu diễn như hình vẽ dưới

Một đặc tính khí động khác của MAVs đó là hệ số dạng cánh nhỏ.

+Hệ số dạng cánh : AR= b2/S

Trong đó b : sải cánh

S : diện tích cánh

Sự kết hợp giữa số Renoylds bay thấp và hệ số dạng cánh nhỏ dẫn đếnchế độ dòng tổng hợp khác với các máy bay thông thường Mặc dù các loạichim nhỏ và côn trùng vẫn bay trong điều kiện này, nhưng đây thật sự vẫnlà môi trường bay mới mẻ đối với các máy bay do con người chế tạo

Những yêu cầu đối với MAVs là có thể hoạt động ở những môi trườngkhác nhau, như là đô thị, rừng rậm, sa mạc, vùng biển, vùng núi và bắccực Xa hơn nữa, MAVs phải có khả năng thực hiện nhiệm vụ trong mọi điều kiện thời tiết Bởi vì loại máy bay này bay ở độ cao thấp ( ít hơn100m) có những ngôi nhà, cây cối, đồi … nên trên thực tế phải có hệ thốngtránh va chạm

MAV là loại máy bay nhỏ bay với tốc độ thấp Hệ thống của MAVs sẽ córất nhiều khó khăn to lớn về mặt công nghệ Bao gồm việc đưa ra 1

tỷ lệ nhỏ giữa năng lượng và khoang chứa, hệ thống dẫn đường, và thôngtin cũng như hệ thống lực đẩy, khí động và điều khiển

Những thách thức trong việc nghiên cứu chế tạo máy bay siêu nhỏ baogồm :

 Khí động học ở số Reynolds thấp

 Hệ số dạng cánh nhỏ

 Sự ổn định và khả năng điều khiển khi khối lượng nhỏ, mômen quántính nhỏ, và khi có gió mạnh hoặc thời tiết xấu

 Sự thu nhỏ các trang thiết bị :động cơ, cơ cấu chấp hành, thiết bịthông tin, dẫn đường, các cảm biến…

1.4 Quan hệ giữa lực nâng, lực cản, gĩc tấn và số Reynolds trong máy bay MAV

Đối với máy bay MAV ta xác định đặc điểm khí động bằng thí nghiệm với

vận tốc giĩ 13m/s và số Reynolds 113,000 Máy bay được gắn trên trục quacánh để xác định gĩc tấn quét và được gắn ở gĩc quay 900 để xác định gĩc tấnquét khi trượt cạnh (sideslip)

Từ các thí nghiệm đối với chúc ngĩc, liệng, hướng ta xác định được quan

hệ giữa các thơng số: Hệ số lực nâng, hệ số lực cản, gĩc tấn Thí nghiệm đượcthực hiện với sự lên xuống đối xứng của cánh lái độ cao (xem hình vẽ)

Quan hệ giữa CL và góc tấn Quan hệ giữa CL và CD

Không may điều kiện không cho phép để đánh giá về mặt khí động Sự thayđổi của lực và mô men tỷ lệ với sự thay đổi của góc tấn và góc trượt cạnh.Tuy nhiên, tỷ lệ đó là không xác định được Chắc chắn, dữ liệu thu được từống khí động là không hoàn toàn đầy đủ đặc điểm của mô hình động học bay

1.5 Nguồn năng lượng hoạt động cho MAV

Trong thời gian đầu của chương trình sản xuất máy bay MAV, chúng ta đãđánh giá về rất nhiều loại năng lượng có thể sử dụng cho MAV, bao gồmđộng cơ đốt trong, năng lượng pin, động cơ tuabin siêu nhỏ hay là năng lượngmặt trời Nhưng qua đánh giá thì cúng ta đã nhận ra rằng năng lượng tốt nhất

để sử dụng cho MAV đó chính là mẫu pin Lithium Nhiên liệu xăng, dầu, khíđốt có chứa nhiều năng lượng với mật độ cao hơn pin, tuy nhiên để sản xuấtđược động cơ đốt trong loại nhỏ có thể gắn vào được MAV thì rất khó thựchiện

Công nghệ dung nhiên liệu là pin có vẻ rất hứa hẹn, nhưng nó không có sẵn.Động cơ tuabin siêu nhỏ cũng là 1 hướng khá triển vọng, nhưng chúng ta cóthể phải mất 1 thời gian dài nữa để có thể hoàn thiện nó Năng lượng mặt trời

thì không thể đủ cung cấp để duy trì được chuyến bay, nhưng người ta cũng

có thể dung chúng để nạp nhiên liệu cho pin khi MAV đậu xuống

Pin và động cơ điện là giải pháp đáng tin cậy nhất Nó hoàn toàn không đắt

và đặc biệt là không gây ồn Tuy nhiên có khá nhiều loại pin hoá học khácnhau như Nikel Cadimium (Ni-Cd) hay Nikel-Metal-Hydrid (NiMH) là nhữngloại pin có cường độ hoạt động cao nhưng mật độ năng lượng thì lại rất thấp.Loại pin Litium (Li) thì ngược lại là có mật độ năng lượng dày đặc và cường

độ hoạt động của nó thì thấp hơn Ngoài ra thì NiCd và NiMH có thể sạc lạiđược sau khi dung hết trong khi Li thì không Chúng ta sẽ lựa chon NiCd vàNiMH cho những chuyến bay thử nghiệm và Litium cho những chuyến baymang tính chất triển lãm

Cũng như là mọi chiếc máy bay khác thì nguồn năng lượng chính là điềuđáng nói nhất Chính vì vậy cho nên nó là một đề tài được các chuyên gia đưa

ra bàn tán nhiều nhất và có nhiều laọi pin khác nhau được xem xét nhằm tìmkiếm cho MAV một nguồn năng lượng tối ưu nhất

1.6 Động cơ dùng cho máy bay siêu nhỏ MAV

Xuyên suốt trong quá trình thiết kế MAV, từ mẫu đầu tiên cho đến mẫu gầnđây nhất, chúng ta đã thử nghiệm và đánh giá 1 vài loại động cơ điện Chúng

ta đã tạo ra 1 loại dụng cụ đo đặc biệt dung để kiểm tra các loại động cơ nhỏ,

và chúng ta đã thử nghiệm với các loại động cơ hoạt động trong các điều kiệnkhác nhau Thông số có được từ những cuộc kiểm tra được dung để tạo ranhững phân tích toán học cho mỗi loại động cơ Những loại động cơ này sau

đó đã được tích hợp những mã MDO (Multidisciplinary DesignOptimization)

Thiết bị đặc biệt dùng để kiểm tra cho thấy hiệu quả cao hơn 70% có thể đạtđược ở động cơ loại nhỏ Hướng sản xuất động cơ lớn hơn cho kết quả caohơn về mặt năng lượng sử dụng, tương tự động cơ dùng điện áp cũng cho hiệu

quả cao như vậy Thật không may là động cơ dung điện áp lại bị giới hạn vềpin, trừ khi có một nguồn năng lượng khác được chuyển hoá thành dạng pin

để sử dụng

1.7 Tính ổn định và điều khiển máy bay MAV

Với kích thước nhỏ của MAV thì sẽ tạo ra tính ổn định khi hoạt động rấtcao và kích thích điều khiển Từ 1 khối mômen quán tính bằng 1/5 năng lượngcủa toàn bộ máy bay Thiết bị bay nhỏ định hướng có tần số tự nhiên của giaođộng quay cao Để đạt được sự ổn định với hình ảnh yêu cầu phải có 1 chiếccamera ổn định hoặc là thiết bị bay ổn định Bở vậy yêu cầu tần số giao độngcao ở hệ thống điều khiển với bộ xử lý nhanh và kích thích tính ổn định củacamera hoặc là toàn bộ MAV Khi mà cánh có tải trọng giảm với kích cở giảmthì đồng nghĩa với việc tính ổn định của MAV cũng sẽ giảm theo, máy bay dễ

bị mắc phải những cơn gió to Thậm chí những con chim nhỏ cũng có thẻ làmcho máy bay không thể bay vững vàng và trong điều kiện thời tiết bất thường.Tính ổn định của hệ thống sẽ được tăng thêm khi MAV được gắn thêm cácthiết bị lá chắn giúp nó đi đúng quỹ đạo

MAV có 3 loại điều khiển tự động dó là điều khiển áp suất, điều khiển độcao và điều khiển hướng trong tương lai thì MAV có thể được gắn thêm cácthiết bị hiện đại hơn như là các bộ cảm ứng mới, thiết bị định vị toàn cầu GPS.Ngoài ra chúng ta đã phát triển hệ thống dữ liệu với 16 kênh đơn giản của dữliệu ở tần số 20Hz trong vòng 4 phút Điều này giúp đánh giá và cải tiến hệthống điều khiển động

Chương 2 : Phân loại máy bay siêu nhỏ

A- Máy bay siêu nhỏ cánh cứng (fixed wing MAVs)

1.Giới thiệu chung.

Những yêu cầu thiết kế bao trùm một phạm vi rộng những tham số khixem xét những ứng dụng có thể cho máy bay siêu nhỏ (MAVs)

Một máy bay siêu nhỏ phải được thiết kế là một hệ thống gồm có khungmáy bay, lực đẩy, tải trọng và điện tử hàng không Mặc dù nhỏ hơn rấtnhiều máy bay không người lái loại cánh cứng ( fixed wing UAVs) , MAVscũng có xấp xỉ tỉ số khối lượng giống như máy bay UAVs(theo ông R.JFoch, phòng nghiên cứu thí nghiệm Naval, Washington DC, 1996) đó là21% cho khung máy bay, 11% cho động cơ, 30% cho pin, 21% cho trọng tảivà 17% cho thiết bị điện tử và các thiết bị khác (theo ông R.J Foch, phòngnghiên cứu thí nghiệm Naval, Washington DC, 1996)

Thiết diện cánh và hình dáng bề mặt cánh tạo ra lực nâng là trọng tâmcủa toàn bộ quá trình thiết kế máy bay Cũng giống như các máy baykhác, MAVs lựa chọn hợp lý giữa mục đích cuối cùng của sự ổn định vàđiều khiển của máy bay với hệ số khí động lớn nhất Hệ số khí động họcđược định nghĩa là tỉ số lực nâng chia cho lực cản Thiết diện cánh có hệ số

Cl max; C d min và (Cl/Cd)max là hàm của số Reynolds

Quan hệ giữa tỷ số C L /C D và số Reynolds cho cánh có độ nhám và độ nhẵn

Hiệu suất của cánh giảm rất nhanh khi số Reynold giảm xuống dưới

100.000 Trong khi tỉ số (C l /C d ) max đối với các loại máy bay cánh cứng tốc

độ thấp, bao gồm các loại máy bay không người lái (U  50 m/s), thườnglớn hơn 10, thì các giá trị này đối với các loại côn trùng và chim nhỏthường là nhỏ hơn 10 Hơn nữa, để đạt được các giá trị này cho máy baysiêu nhỏ MAVs ở số Reynold thấp, các cánh phải rất mỏng ( tỉ số t/c<0.06 ) với độ vồng rất nhỏ

Những yêu cầu đối với cánh quạt lái của máy bay siêu nhỏ cánh cứng vídụ, bao gồm thời gian bay dài, ( giá trị cao của (Cl3/2/Cd) khi đạt tốc độ65km/h ở số Reynold thấp trong khoảng 45.000 đến 180.000 và ở độ cao từ

30 đến 100 m Bởi vì các máy bay này có cánh rất bé, nên cần phải pháttriển hiệu quả số Reynoylds thấp, tỉ số dãn dài của cánh thấp mà khôngảnh hưởng khi gió mạnh hoặc mưa có thể làm bẻ gãy cũng như các yếu tốthời tiết xấu khác

Mặc dù các phương pháp thiết kế đã phát triển trên 35 năm qua và đãđưa ra các loại cánh hiệu quả với cung số Reynolds lớn hơn 200.000, nhưng

các phương pháp này chưa thật thoả đáng với cung số Reynolds thấp hơn200.000 , đặc biệt đối với các thiết diện cánh cực mỏng.

Hiện tượng tách dòng trên bề mặt cánh tại vận tốc thấp

Trong mối quan hệ với lớp biên của cánh, vùng xảy ra hiện tượng táchdòng là khá quan trọng, nó thường xảy ra ở vùng mép vào và mép ra củacánh và chuyển tiếp từ dòng tầng sang dòng rối khi nó xảy ra Sự táchdòng và chuyển tiếp có ảnh hưởng rất lớn đến số Reynolds, građien ápsuất và xáo trộn môi trường Sự tách dòng và chuyển tiếp đóng vai tròquyết định trong việc xác định sự phát triển của lớp biên, nơi mà ảnhhưởng toàn bộ tới việc chế tạo cánh Đặc tính khí động học của cánh vàcác thành phần khác lần lượt ảnh hưởng tới tĩnh học, động học, độ ổn địnhcủa toàn bộ máy bay Do đó thành công trong xử lý ảnh hưởng của lớp biênvới thiết kế máy bay có số Reynolds thấp là yếu tố quyết định

2.Máy bay siêu nhỏ cánh cứng (fixed wing MAVs) của thế giới.

 MAVs của trường Bách Khoa Worcester, Mỹ

2.1 Trình tự thiết kế

Được thiết kế dựa trên những yêu cầu đặc tính chính của MAVs và cóthể tóm tắt như sau :

 Thu nhỏ kích thước tuyến tính lớn nhất.

 Tổng khối lượng không quá 100 gram

 Khả năng chịu đựng cao

 Bay ổn định

 Vận tốc bay khoảng 10m/s.(hoặc 22mph)

 Bền

2.1.1 Số liệu đánh giá sơ bộ

Dựa trên những yêu cầu về khối lượng, tốc độ và kích thước và sử dụngcác thành phần nhẹ nhất, thì máy bay này có :

Khối lượng :80-120 gram

Tốc độ bay: 6,7m/s - 11,18m/s (15 - 25mph)

Kích thước tuyến tính lớn nhất:12,7cm - 25,4cm

Dựa trên những tính toán và đánh giá các thông số khí động học thì diệntích cánh nằm trong khoảng từ 161,3cm2 đến 645,2cm2

Sử dụng công thức :

Trong đó :

W :khối lượng(kg);

 :khối lượng riêng không khí ở mực nước biển (kg/m3);

V :tốc độ bay (m/s) ;

S : diện tích cánh (m2)

Tính toán và dựa vào yêu cầu thực tế của hệ số lực nâng thì hệ số CL,req

khoảng 0,641

Sử dụng công thức :

trong đó  : độ nhớt động học của không khí

c : chiều dài dây cung của cánh

Số Re nằm trong khoảng 60.000 đến 140.000 thì xác định được chiều dàidây cung (c) nằm trong khoảng từ 12,7 đến 17,8 cm

2.1.2.Khái niệm về cánh

Với việc không có thân và đuôi thì sự ổn định của máy bay bị giảm mạnhtrừ phi có sự xem xét phân tích cẩn thận sự ổn định này

Những nghiên cứu gần đây cho thấy rằng những cánh dày với số Renoyldstrong khoảng 60.000 đến 100.000 hoạt động không tốt như cánh mỏng.Ranh giới giữa cánh dày và cánh mỏng là tại độ dày của cánh là 10%.Những cánh có độ dày lớn hơn 10% chiều dài dây cung thì dẫn đến khảnăng làm việc giảm do ảnh hưởng của lực cản ở số Reynolds thấp này.Chính vì những lý do đó nên họ đã sử dụng loại cánh mỏng

Mẫu cánh Selig 4083 (độ dày 8%, độ vồng 3%)

Và họ đã lựa chọn cánh hình elip với thiết diện cánh là Selig4083 (S4083)có độ dày 8% và độ vồng 3%.(xem hình trên)

2.1.3 Lực đẩy và động cơ.

Có 2 sự lựa chọn cho phần tạo lực đẩy cho máy bay siêu nhỏ, đó là động cơkhí và động cơ điện Động cơ khí tạo được lực đẩy lớn hơn nhưng động cơđiện thì sạch hơn và dễ dàng sử dụng Sau khi xem xét và thử nghiệm vớicả 2 loại động cơ, thì họ đã chọn động cơ khí để có thể tạo được lực đẩylớn Nhược điểm của động cơ này là khí thải ra không đều gây ảnh hưởngkhí động học của máy bay

Họ đã sử dụng động cơ Micro-Flite Cox Tee-Dee 0.010 với bình xănghình cầu cho hệ thống tạo lực đẩy của MAVs Hình dáng của động cơ nhưtrên hình vẽ Các thông số của động cơ :

Khối lượng 14 g

Thể tích làm việc 0,010 in3

Số vòng quay 30.000 (rad/phút)

Lực đẩy tĩnh lớn nhất 95g

Đường kính trục 0,237 in

2.1.4Xây dựng và chế tạo cánh.

Cách làm cánh truyền thống đó là tăng cường các thanh xà dọc của khungcánh và phủ lên bên ngoài lớp vỏ bằng nhựa hoặc vật liệu giãn nở nhiệthoặc một số vật liệu dùng để làm vỏ tương tự Cách thiết kế này gặp mộtvài vấn đề đó là tính không chính xác và dễ vỡ của nó Tuy nhiên đó làphương pháp chung vì nó khá đơn giản và vẫn có thể chấp nhận Trongthiết kế này, họ đã quyết định sử dụng cánh đặc để đảm bảo tính chính xáccũng như độ cứng vững Vật liệu để làm cánh là nhựa polistiren tổng hợp

2.1.5.Kiểm tra và kết quả.

Những kiểm tra quan trọng của MAV bao gồm kiểm tra về lực đẩy, ốngkhí động và kiểm tra bay

Kiểm tra lực đẩy:

Kiểm tra về lực đẩy phải dựa trên lực đẩy mà đã được thiết kế vàsản xuất.Bảng kết quả

Vận

tốc

(m/s)

Thamsốnhập(oz)

Lựccản(oz)

Lựcđẩy(oz)

% lựcđẩytĩnh

Lựcđẩyđộng

Kiểm tra trong ống khí động :

Để thu được những giữ liệu khí động học của cánh và của MAVs đầy đủphải tiến hành kiểm tra trong ống khí động khép kín

Hai kiểu cân bằng lực khác nhau và các đầu thu được sử dụng để thunhững dữ liệu khác nhau; một cho lực nâng và lực cản còn một thì cho dữliệu về momen

Các kiểm tra được tiến hành ở tốc độ từ 4,5 đến 17,4 m/s bao gồm toàn bộtốc độ bay lý thuyết đã được tính toán Cho lực nâng và lực cản, họ đã tiếnhành kiểm tra với góc tấn 0, 5,10,15 độ để có được một dải dữ liệu baogồm tất cả các góc tấn trong tính toán Góc tấn của cánh có thể thay đổi

độc lập với thân máy bay Sau những thử nghiệm khác nhau thì góc tấn tốtnhất cho cánh của máy bay này là ở 5 độ

2.2 Kết quaû

Kích thước lớn nhất :20,32

cm(8 inch)

Lực đẩy/khối lượng : 0,708

Tốc độ bay : 9,52 m/s

Tổng khối lượng : 113 g

Số Reynolds : 71.325

Thời gian bay : 8-10 phút

3 Máy bay siêu nhỏ cánh vẫy (Flapping wing)

3.1 Những nghiên cứu cơ sở về máy bay cánh vẫy

Sự quan tâm gần đây về máy bay siêu nhỏ đó là khôi phục lại toàn bộphần cơ học trong máy bay cánh vẫy Lý do thúc đẩy ý tưởng làm cánh vẫyđó là ở chỗ kích thước nhỏ có thể đưa ra một vài lợi ích khí động rất đángchú ý hơn là giải pháp máy bay cánh cứng Trong khía cạnh kia thì đã đi

ngược lại các giải pháp trước đây đã từng thành công ở máy bay kích thướclớn.

Những khái niệm đầu tiên của loài người về cơ khí hàng không là bắtnguồn từ loài chim và loài dơi Theo lý thuyết về cánh vẫy là yêu cầu lựcđẩy và lực nâng Cũng như là sự kích thích để mô phỏng được nhữngchuyến bay của loài chim hay dơi… điều này đã thành công năm 1799, bởingài George Cayley khi ông đưa ra mô hình máy bay cánh cứng cùng vớihệ thống lực đẩy Cuộc cách mạng này đã phân chia chức năng của lựcnâng và lực đẩy thành những bộ phận riêng biệt Chính điều này là chìakhoá cho sự thành công của loài người trong cuộc chinh phục bầu trời.Không lâu sau đó thì máy bay cánh vẫy tạm thời chưa được chú trọng, nótrở thành lĩnh vực ít được sự quan tâm hơn Ngoại trừ công trình nghiên cứucủa Alexander Lippisch vào năm 1920 về máy bay cánh vẫy

Điều này đã đón nhận được rất nhiều hưởng ứng của các nhà chuyênmôn Tương tự như vậy các nhà khí động học nổi tiếng như KarmanBurger, Garrick và Kuechmann và Von Holst …đã thực hiện các nghiên cứuchi tiết về bản chất vật lý của lực đẩy cánh vẫy Trong những năm gần đâynhững chủ đề về máy bay cánh vẫy đã thu hút được sự chú ý của ôngJames Lighthill và nhóm nghiên cứu của ông ta tại trường đại họcCambridge Tuy nhiên những sự quan tâm đó cũng đã gây nhiều tranh cãigiữa các nhà chuyên môn khác Có 1 người đã tìm ra rằng nghiên cứu quantrọng nhất, chắc chắn nhất về máy bay cánh vẫy là sự kết hợp giữa sinhvật học và động vật học

Có một sự khác nhau cơ bản giữa sinh vật học và động vật học đối vớicác nhà thiết kế máy bay cánh vẫy Động lực chính cho việc nghiên cứuđộng vật bay là tìm ra bản chất vật lý của các loài động vật này Điều nàycó nghĩa là thực tế nó có thể đạt được lực đẩy mong muốn vì vậy nhiều môhình phân tích khác nhau đã được điều chỉnh các kết quả đo đạc và cuốicùng là đạt được năng lượng mong muốn và khả năng di chuyển Mộthướng thiết kế kháclà phát triển một loại máy bay và khả năng của nó làđạt được những cái mà có thể coi là viễn tưởng Như vậy cái mà chúng tacần là một hướng phân tích thiết kế mà không mô phỏng theo nhữngnghiên cứu về động vật học như ở trên.

Đối với người thiết kế với nền tảng là kỹ thuật Hàng không thì nhữngcông bố của nhóm nghiên cứu động vật có thể là khá rắc rối Chính điềuđó họ xem mọi thứ trở nên đơn giản và kéo theo là những mô hình khíđộng không chính xác, hoặc quá định tính, những giả thuyết tiêu biểu đềcập đến lợi ích của dòng tự do và lớp xoáy Điều mà làm cho những kỹ sưcảm thấy thoải mái là những phân tích tổng quát đã được kiểm nghiệmtrên phạm vi rộng của nhiều thông số Hơn nữa, nó sẽ thực sự lôi cuốn vàhấp dẫn nếu có nhiều nhà nghiên cứu cũng thành công ở lĩnh vực đó Tuynhiên công bằng nói các nhà nghiên cứu về động vật bay đã không đượccung cấp những phân tích của nhóm kỹ thuật hàng không Cái mà có thểđược chấp nhận đó là nhiều cách đo, nhiều cách quan sát và có thể nhìnthấy được từ động vật bay Điều đó là đặc biệt đúng đối với những quantâm mới nhất về cơ học cánh vẫy Ví dụ rõ ràng những sinh vật bay có thể

bay được với nhiều cách khác nhau Thậm chí giữa các động vật hoạt độngcó cùng số Reynolds thì cũng có nhiều cách bay khác nhau.

Ở tỉ lệ lớn hơn như là ở các loài chim lớn và dơi mô hình khí động học cóthể vẽ tương tự như những khái niệm từ kỹ thuật hàng không Ở hệ số dạngcánh có hiệu quả cao, ví dụ người ta có thể giả sử có dây cung dọc theocánh với mỗi đặc điểm khí động tại mỗi mặt cắt được xác định bởi góc tấnđịa phương cũng như là ảnh hưởng bởi hiệu ứng giảm áp Đối với cánhkhông phải là cánh vẫy thì hiệu ứng giảm áp được mô phỏng tương tự nhưlà khái niệm dòng khí dạt ngang hoặc dòng khí bị đẩy xuống dưới Tuynhiên cánh vẫy thì yêu cầu không gian khí ở phía dưới cánh phải có áp suấtgiảm Điều đó cũng tương tự như việc nghiên cứu của nâng cao động họcbay và vùng khí bị co giãn Kết quả lực khí động tại mặt cắt có thể đượctính toán và tích phân để tạo thành lực đẩy và lực nâng cũng như mô hìnhcó thể bỏ qua những sắc thái quan trọng trong động vật bay Tuy nhiênđiều đó tiếp cận chính xác để có thể thành công áp dụng chế tạo máy baycánh vẫy Có thể nói rằng động vật sử dụng sức mạnh cơ bắp để vẫy cánh,chúng đã tạo ra hiệu quả nhiều hơn sự cần thiết Đó là dựa theo sự quan sátcủa Cayley cho rằng cá nhà thiết kệ máy bay không nên lệ thuộc quánhiều vào thiên nhiên Hơn nữa với rất nhiều quan sát chuển động củacánh trên các loài chim lớn thì kết quả là chu kỳ hoạt động của cơ bắp baogồm hoạt động và nghỉ ngơi Điều đó không bắt buộc đối với việc thiết kếmáy bay cánh vẫy ở chỗ người thiết kế có thể sử dụng tất cả các ưu điểmcủa toàn bộ công suất của động cơ trong hai quá trình vỗ lên và vẫy xuống

Tuy nhiên bên cạnh những ưu điểm thì thực tế là lực đảy được tạo ra ởnhững máy bay cánh vẫy lớn có thể đạt tới sự tốt nhất của máy bay cánhquạt Hơn nữa máy bay cánh vẫy phức tạp hơn so với máy bay cánh cứngtrừ việc bắt chước động vật Nhưng máy bay cánh vẫy siêu nhỏ thì khác,nó đem lại nhiều lợi ích trong nghiên cứu Sự di động, chức năng động họckhông ổn định là những ưu điểm hơn so với máy bay cánh cứng Đặc điểmcủa xoáy là gồm nhiều dòng riêng biệt và sự quan tâm chính là hiểu vàlàm thế nào để tăng cường lực đẩy, lực nâng và hiệu suất Điều đó là kháphức tạp vì sự thật là không phải tất cả các sinh vật có kích thước giốngnhau thì có kiểu bay giống nhau.

Trong một số trường hợp sự biến dạng của đôi cánh sẽ tạo ra xoáy đầucánh đối với hoặc là di chuyển hoặc là bay treo Trong một số trường hợpkhác dòng xoáy của đôi cánh trước ảnh hưởng đến đôi cánh sau, điều đóchúng ta có thể biết trước khi bay Có một số ví dụ khác vè một số thôngsố khác nhưng điểm chính đó là chất lượng của những thông số đó cũng sẽđược cải thiện khi mà chất lượng khí động đã đạt chuẩn Hiện tại nhữnggiải pháp đang được tìm kiếm từ phương pháp sử dụng máy tính cũng nhưlà cánh dùng tấm vô hình trong việc xác định xoáy Một hoạt động khácnhằm hiểu rõ đặc điểm khí động của động vật vẫy cánh nhỏ nhằm xâydựng những tiêu chuẩn cơ khí tương tự Cũng như một dụng cụ cho phép đolường và nhìn thấy dòng để thực hiện điều khiển và đường lặp, cung cấpnhững hướng dẫn sâu hơn để phát triển mô hình tương tự Dĩ nhiên thật sựlà cần thiết để tái tạo một cách chính xác những đặc điểm của cánh đang

được nghiên cứu.Tuy nhiên một kết quả quan trọng từ các hoạt động đó lànó có thể cung cấp một cầu nối để nhận ra sự thành công của việc thiết kếMAVs phụ thuộc vào sự lựa chọn vật liệu và thiết kế cơ khí.

Một ví dụ về vấn đề này đã được đưa ra bởi nhà động vật học TorkelWeis-Fogh người đã tìm ra hệ số lực nâng rất cao đối với những côn trùngrất nhỏ.Những côn trùng này có những cái cánh mà tạo ra sự liên hệ trongsuốt chu trình vẫy Chính hiệu ứng đó cho phép sự lưu thông lớp biên bêncạnh có thể đạt được bởi điều kiện Kutta, có thể tham khảo lý thuyết Clap-Fling Những tiêu chuẩn cơ khí thành công đã được giới thiệu và khẳngđịnh đó là sải cánh 12 inch của MAVs Điều đó là sự kết hợp giữa động vậthọc và kỹ thuật hàng không đã đem lại lợi ích cho ngành này

3.2 Máy bay siêu nhỏ cánh vẫy (flapping wing MAVs) của thế giới.

Các thiết kế máy bay cánh vẫy của trung tâm nghiên cứu những dự ánphòng thủ tiên tiến (Defense Advanced Research ProjectsAgency_DARPA), Hoa Ky.ø

Thiết kế cánh ban đầu: Mẫu máy bay chế tạo đầu tiên

Kích thước

( 6in )Khối lượng động cơ 36g Nhận xét :

Thiết kế cánh mới :

Hình ảnh gần của cơ chế dao động

Khối lượng quá lớn để bay

Mẫu cánh thiết kế ban đầu cóbề mặt quá lớn và ngăn cảnđộng cơ đạt tốc độ cao

Một thiết kế mới đã được xâydựng, có đầu cánh nhỏ hơn vàcó bề mặt đủ lớn để không ảnhhưởng nhiều đến động cơ

Cánh được xây dựng từ sợi phípcacbon và những tấm kim loạimỏng làm cho nó khoẻ và cókhối lượng nhẹ

Màng cánh làm từ các tấm chấtdẻo mỏng

Mẫu máy bay chế tạo thứ hai

Kích thước

( 3.55in )Khối lượng động cơ 3.5g Nhận xét :

Phiên bản này cần phải có mộtbộ giảm tốc

Tần số vẫy cánh khoảng 8Hz,sử dụng pin 1,5 Vôn

Mỗi khi động cơ giảm tốc thìđộng cơ sẽ đạt được ngẫu lựclớn tạo nên nhiều năng lượng

cho cánh.

Giống như mẫu chế tạo đầutiên, máy bay này chỉ có mộttrục chuyển động của cánh nênviệc bay lượn là không thể Dovậy để có thể bay được thì đòihỏi cánh vẫy của máy bay phảithay đổi được góc đặt cánhtrong quá trình vẫy

Phần 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY BAY SIÊU NHỎ CÁNH VẪY Chương 3: Các thông số kỹ thuật của máy bay cánh vẫy MAV

3.1 Tính toán chọn động cơ, công suất, số vòng quay theo yêu cầu

Theo nghiên cứu về máy bay cánh vẫy MAV đã được phát triển bởi tácgiả Jeremy M.V Rayner tại đại học Leeds, Vương quốc Anh đã có đượcnhững kết quả được rút ra từ thực nghiệm Qua quá trình nghiên cứu nhữngđối tượng trong tự nhiên như loài chim, loài dơi và các loài côn trùng ông