BÀI GIẢNG cơ học bay 2 (ngô khánh hiếu)

- Đối với dòng lưu chất chuyển động, «static pressure» chỉ áp suất trong dòng lưu chất ở «far upstream» của bất kỳ vật thể nào nhúng p T : total pressure Stagnation pressure, p: áp su

Ngô Khánh Hiếu

Các khái niệm cơ bản (1/8)

Áp suất tĩnh (Static pressure):

- Là áp lực do lưu chất gây ra khi nó ở trạng thái

nghỉ (fluid at rest).

- Đối với dòng lưu chất chuyển động, «static

pressure» chỉ áp suất trong dòng lưu chất ở

«far upstream» của bất kỳ vật thể nào nhúng

p T : total pressure (Stagnation pressure),

p: áp suất tĩnh, bất kể nó có thỏa các điều kiện

của “free-stream” hay không.

- Trong trường hợp không có năng lượng nào cung cấp thêm cho dòng khí, áp suất toàn phần không đổi tại mọi điểm của dòng.

- Áp suất tĩnh được đo theo hướng thẳng góc với dòng khí chuyển động nhờ vào các lỗ trên thành đo.

- Trong trường hợp dòng khí nhận được thêm năng lượng (như dòng sau cánh quạt,…), áp suất động bị thay đổi, dẫn đến sự thay đổi của

áp suất toàn phần Tuy nhiên áp suất tĩnh sẽ không thay đổi.

- Khi nói đến áp suất của dòng khí chuyển động trong các sách về khí động lực học, ta thường hiểu là nói đến áp suất tĩnh (static pressure).

Các khái niệm cơ bản (2/8)

Ngô Khánh Hiếu

- Phương trình trạng thái của khí lý tưởng:

0

p p

 

- Điểm dừng (Stagnation point): là điểm trên

cố thể mà ở đó dòng lưu chất qua nó được

xem là đứng yên (at rest) Áp suất tại điểm

này được gọi là áp suất điểm dừng:

2

1 2

T

p   V  p

V  : là vận tốc lưu chất ở xa cố thể trong

trường hợp lưu chất chuyển động; và là

vận tốc của cố thể trong trường hợp cố

thể chuyển động.

- Atmospheric air: gọi p 0 là áp suất của

không khí ở cao độ mặt nước biển, p là áp

suất của không khí ở cao độ bất kỳ, ta có:

p   RT

Nhiệt độ (Temperature):

- Được dùng như là một thước đo đánh giá sự

chuyển động giữa các phân tử bên trong lưu

chất.

- Nhiệt độ thường được xác định theo nhiệt độ

tuyệt đối Rankine ( o R) hoặc Kelvin ( o K).

9

32 5

5

9 459.67

- Nhiệt độ khí quyển thay đổi đáng kể theo cao

độ Gọi T 0 là nhiệt độ khí quyển ở cao độ mặt

nước biển, T là nhiệt độ khí quyển ở cao độ

geopotential earth geometric

Các khái niệm cơ bản (3/8)

Khối lượng riêng (Density): Mass

Unit volume

Đối với chất lỏng và chất rắn, sự ảnh hưởng

của áp suất và nhiệt độ lên sự thay đổi của khối

lượng riêng là nhỏ Tính nén được của chất

lỏng và rắn theo thay đổi áp suất và nhiệt độ là

khoảng 10 -6 Bar -1 , 10 -5 K -1

Đối với chất khí, sự ảnh hưởng của áp suất và

nhiệt độ lên sự thay đổi của khối lượng riêng là

rất đáng kể Từ phương trình trạng thái khí lý

tưởng, ta thấy khối lượng riêng tỉ lệ thuận theo

áp suất, và tỉ lệ nghịch theo nhiệt độ.

Gọi  là khối lượng riêng của không khí, và  0 là

khối lượng riêng của khí tiêu chuẩn ở cao độ

Khối lượng riêng của không khí theo nhiệt độ

Tính nhớt (Viscosity):

- Là thước đo sức cản của lưu chất trước đối với

sự biến dạng dước tác động của ứng suất

trượt (shear stress).

- Còn được gọi là lực cản bên trong của lưu chất

(Internal friction of fluid) Lưu chất lý tưởng là

lưu chất không có tính nhớt.

- Newton đã đưa ra định đề về tính nhớt của lưu

chất như sau: đối với dòng chảy thẳng, song

song và đồng nhất, ứng suất trượt  giữa các

lớp của dòng chảy sẽ tỉ lệ thuận với gradient

vận tốc theo hường vuông góc với các lớp này,

Các khái niệm cơ bản (5/8)

- Đơn vị của độ nhớt động lực học là Stokes với:

1 stokes = 100 centistokes = 0.00001 m 2 /s

1 centistokes = 1 mm 2 /s

- Đối với không khí, tính nhớt phụ thuộc phần lớn vào nhiệt độ Theo đó, tính nhớt sẽ tăng khi nhiệt độ tăng Độ nhớt của không khí ở 15oC là:  = 1.78 × 10 -5 kg/ms.

- Sự thay đổi của độ nhớt động học theo nhiệt

độ có thể được thể hiện bằng thực nghiệm dưới đây:

Gas Viscosity

T C

Số Mach (Mach number): V

M

a



- Ở nhiệt độ 15 o C, tại cao độ mực nước biển, Mach 1 là 340.3 m/s.

- Tuy nhiên, Mach 1 này không phải là 1 hằng số Nó là một số phụ thuộc vào nhiệt độ, bởi:

a   RT

- Số Mach là một số vô thứ nguyên Do đó, máy bay bay ở Mach 1 ở cao độ mực nước biển (340.3 m/s) sẽ chịu tác động của sóng shock gần tương tự như khi máy bay đang bay ở Mach

1 cao độ 11000 m (295 m/s).

- Phân loại chế độ dòng chảy theo số Mach:

Incompressible subsonic flow 0 < M < 0.3 Compressible subsonic flow 0.3 < M < 0.8 Transonic flow 0.8 < M < 1.2 Supersonic flow 1.2 < M < 5.0

Các khái niệm cơ bản (7/8)

2

1 1

0

2

1 1

P V

Bầu khí quyển (The atmosphere)

- Tầng đối lưu (Troposphere): nhiệt độ

thay đổi tuyến tính theo cao độ.

g R

T

h

p p

- Tầng bình lưu (Stratosphere): nhiệt độ

không thay đổi theo cao độ.

(với h 1  h  h 2 )

1 1

1 1

1

1

1 1

.

Aerodynamic Nomenclature

- Hai hệ trục tọa độ sử dụng, một là hệ trục toạ độ mặt đất được dùng để phân tích các

chuyển động của máy bay như là một hệ trục tọa độ quán tính (Inertial coordinate system); một hệ trục khác đặt trên máy bay và được dùng như là hệ trục tọa độ của máy bay (Body coordinate system).

- Các lực tác dụng lên máy bay trong quá trình bay gồm lực khí động, lực đẩy, và lực trọng

trường Các lực này sẽ được quy về các hợp lực và các moment qua/đối với một điểm tham chiếu trên máy bay, điểm này chính là trọng tâm của máy bay (Airplane’s center of gravity).

- Xác định vận tốc máy bay bằng ống Pitot được thực hiện như sau: ống Pitot cho phép đo áp suất dừng (P T , Total pressure) gây ra do chuyển động về phía trước của máy bay và áp suất tĩnh (P, Static pressure) của khí quyển.

  12

1 2

T T

Ngô Khánh Hiếu

- V IAS : là vận tốc hiển thị bởi thiết bị đo (Indicated airspeed) Vận tốc này xác định từ độ chênh

áp suất ghi nhận từ thiết bị đo, sau đo quy về điều kiện khí quyển tiêu chuẩn ở cao độ mặt biển (Standard sea-level air), và bỏ qua các sai số do thiết bị đo, do vị trí đặt thiết bị, cũng như do tính nén được của không khí.

- V EAS : là vận tốc V CAS sau khi đã được hiểu chỉnh để xét đến các ảnh hưởng của tính nén

được của không khí (Equivalent airspeed) Cụ thể từ phương trình Bernoulli cho lưu chất nén được, ta suy ra:

Hệ số áp suất điểm dừng (stagnation pressure coefficient):

Đối với dòng không nén được, khối lượng riêng và nhiệt độ của dòng khí được giả thiết là

không đổi trong cả trường chuyển động của nó Tuy nhiên, khi vận tốc máy bay tăng lên, sự thay đổi áp suất lớn hơn được tạo ra dẫn đến sự nén của các phần tử lưu chất, là nguyên

nhân làm gia tăng nội năng của dòng mà thể hiện rõ nhất là sự tăng nhiệt độ.

- V TAS : là vận tốc V EAS sau khi đã được hiểu chỉnh để xét đến các ảnh hưởng của sự thay đổi khối lượng riêng của không khí theo cao độ (True airspeed) Đây chính là vận tốc thực của máy bay.

EAS TAS

V V

σ



- Pressure altitude: là cao độ của máy bay hiển thị bởi thiết bị đo, cao độ này được

«calibrated» theo điều kiện khí quyển tiêu chuẩn (Standard atmosphere), và là cao độ tương ứng với áp suất tĩnh của không khí đo được ở cao độ đó.

- Density altitude: là cao độ của máy bay trong điều kiện khí quyển tiêu chuẩn (Standard

atmosphere) tương ứng với khối lượng riêng của không khí xác định được ở cao độ đó.

- Temperature altitude: là cao độ của máy bay trong điều kiện khí quyển tiêu chuẩn (Standard atmosphere) tương ứng với nhiệt độ của không khí đo được ở cao độ đó.

Bài tập:

1- Một máy bay đang bay ở cao độ 20000 ft (hiển thị bởi thiết bị đo cao độ), biết nhiệt

độ không khí bên ngoài là -15 oF, hãy tìm áp suất của không khí (air pressure) và độ

cao của máy bay ứng với áp suất không khí vừa xác định (pressure altitude)

2- Một máy bay đang bay ở cao độ 5000 m (hiển thị bởi thiết bị đo cao độ), biết nhiệt độ không khí bên ngoài là -20 oC, VTAS = 300 m/s, hãy tìm VIAS

3- Một máy bay đang bay ở cao độ 60000 ft (pressure altitude), biết nhiệt độ không khí bên ngoài là -75 oF, VIAS = 160 ft/s, hãy tìm số Reynolds của cánh dựa trên chiều dài trung bình dây cung cánh với cmean = 3.5 ft

1 λ Ro

Hướng dẫn giải bài tập:

Hướng dẫn giải bài tập:

3 Tìm Re của dòng qua cánh máy bay

Cao độ hiển thị là 60000 ft (= 18288 m > h 1 , và < h 2 ), máy bay đang bay ở tầng bình lưu

.

1 1

0

1 1

213.7 0.7416

3 0

3 2

_

6 TAS

V

σ ρ=ρ σ 0.1151 kg/m

Airplane Nomenclatures (1/20)

Airplane Nomenclatures (2/20)

Ngô Khánh Hiếu

- Empennage: là tổ hợp phần các thành phần cố định và di động của đuôi máy bay, bao gồm:

đuôi ngang (the horizontal stabilizer), "elevators", đuôi đứng (the vertical stabilizer), và "rudder"

Double empennage, B-24 Empennage of A380

Airplane Nomenclatures (3/20)

Butterfly empennage, Fouga magister

Empennage in T, Vicker 10

Airplane Nomenclatures (4/20)

Ngô Khánh Hiếu

Airplane Nomenclatures (5/20)

Control Yoke of Boeing 737

Airplane Nomenclatures (6/20)

Ngô Khánh Hiếu

- Ổn định (Stability): là khuynh hướng của máy bay trở về trạng thái trước đó nếu máy bay chịu

tác động bởi một nhiễu, như gió hay vùng không khí không ổn định.

- Điều khiển (Control): là khả năng ra lệnh cho một máy bay để thực hiện một chế độ bay đặc

biệt nào đó hoặc để giữ hoặc thay đổi các điều kiện bay của nó.

Trước WWII, ổn định và điều khiển thường không được chú trọng, chúng thường được đề cập đến ở góc độ cảm nhận của người phi công về khả năng máy bay được vận hành The Wright brothers felt that a less stable airplane was better because they believed it forced the pilot to be diligent The Wright’s competitor, Glenn Curtiss, believed that the airplane should be very

stable to reduce the pilot’s workload.

Sau WWII, các phương pháp định lượng được phát triển giúp xác định chính xác các đặc tính

ổn định và các tính chất điều khiển của máy bay.

Airplane Nomenclatures (7/20)

- Ổn định tĩnh (Static Stability):

For an airplane, static stability means that if a gust of air or some other perturbation causes

a change in its current state such as a heading, it will experience a restoring force Small

general aviation and commercial aircraft, it properly trimmed, will return to straight-and-level flight after a gust or an abrupt disturbance of the controls.

Airplane Nomenclatures (8/20)

Ngô Khánh Hiếu

- Ổn định theo phương dọc (Longitudinal Stability): is the tendency for an airplane at a

specific pitch attitude to return to that attitude when perturbed.

Khảo sát sự ổn định của một cánh đối xứng:

Airplane Nomenclatures (9/20)

- Đuôi ngang cân bằng (Horizontal Stabilizer): allows adjustment of the center of lift If the

horizontal stabilizer is lifting upward, it moves the center of lift after If it is pulling down, it

moves the center of lift forward.

The net increase in lift on the wing and reduced downward force on the horizontal stabilizer results in the center of lift moving after.

Airplane Nomenclatures (10/20)

Ngô Khánh Hiếu

- Đuôi ngang cân bằng (Horizontal Stabilizer): allows adjustment of the center of lift If the

horizontal stabilizer is lifting upward, it moves the center of lift after If it is pulling down, it

moves the center of lift forward.

This happens unique location where the wing’s lift and tail’s lift change together in exact balance Notice that the CG of wing is slightly after of the

center of lift of the wing alone.

Airplane Nomenclatures (11/20)

- Đuôi ngang cân bằng (Horizontal Stabilizer): allows adjustment of the center of lift If the

horizontal stabilizer is lifting upward, it moves the center of lift after If it is pulling down, it

moves the center of lift forward.

The lift on the wing grows faster than the lift on the tail The result is a rotational torque that rotates the toy airplane farther from its initial

straight-and-level flight state.

mà dòng khí chịu ảnh hưởng bởi downwash của cánh chính, điều này dẫn đến dòng khí tương đối đến cánh đuôi có góc tới thấp hơn so với trường hợp không có downwash.

- Điều rút ra cho ổn định phương dọc của máy bay là trọng tâm máy bay phải nằm phía trước điểm cân bằng "neutral point" của máy bay, hay nói cách khác máy bay phải nặng phần mũi (nose-heavy).

- Người phi công nhất thiết phải xác định trọng tâm của máy bay trước mỗi chuyến bay, tùy

thuộc vào lượng nhiên liệu nạp vào, số lượng hành khách trên máy bay, và tải trọng mang theo của máy bay, nhằm bảo đảm rằng trọng tâm của máy bay luôn nằm trong khoảng giới hạn cho phép của nó.

- Vai trò chính của đuôi ngang cân bằng phía sau là giữ sự ổn định của máy bay.

Airplane Nomenclatures (13/20)

- Máy bay phải có thể cân bằng được và có thể ổn định cho nhiều tải trong khác nhau Trong trường hợp này, tùy vào vị trí của trọng tâm, lực nâng sinh ra trên đuôi ngang cân bằng phía sau của máy bay phải được điều chỉnh để giữ máy bay cân bằng Người phi công có thể thực hiện được điều này bằng cách xác định vị trí của elevator.

- The horizontal stabilizer and trim tabs maintain pitch stability and it is the elevator that controls the pitch.

- Có hai cách giúp gia tăng tính hiệu quả cua đuôi ngang cân bằng (effectiveness of horizontal stabilizer): (1) gia tăng diện tích của đuôi ngang cân bằng này; (2) gia tăng khoảng cách của nó

so với cánh chính.

- The engineers must determine the lever arm, which is the fuselage length, and the horizontal stabilizer area to design a statically stable airplane.

- There is negative impact of increasing either the lever arm or the area of the horizontal

stabilizer Both translate into higher weight Both also contribute to higher drag due to skin

friction The airplane becomes too stable.

- Sizing a horizontal stabilizer involves a combination of versatility (adaptability) in CG, weight, drag, and handling properties.

Airplane Nomenclatures (14/20)

Ngô Khánh Hiếu

- Ổn định hướng (Directional Stability): được định nghĩa là sự ổn định của máy bay theo trục

xoay yaw, và do các thành phần của đuôi đứng (vertical stabilizer) đảm trách.

Trong sự ổn định này "rudder" giữ vai trò điều khiển, còn đuôi đứng cân bằng (vertical

stabilizer) giữ vai trò ổn định.

The main function of the vertical stabilizer is to help the airplane weathervane and keep the

nose pointed into the direction of flight.

The size of the vertical stabilizer depends on several

factors A larger vertical stabilizer is needer to counter

propeller rotation effects and adverse yaw in a turn

A single-engine airplane can get away with the minimum

size vertical stabilizer but will require more work on the

pilot’s part.

For multiengine airplanes, the size of the tail is dictated

by the torque caused by the loss of one engine.

Airplane Nomenclatures (15/20)

- Ổn định động (Dynamic Stability): được hiểu là cách thức mà một chuyển động được gây ra

bởi một nhiễu thay đổi theo thời gian Có 3 hình thức ổn định động như hình minh họa cho chuyển động theo phương dọc của một máy bay dưới đây:

Airplane Nomenclatures (16/20)

Ngô Khánh Hiếu

- Phugoid Motion: is a trade between kinetic and potential energy, that is, speed and altitude It

occurs at a constant angle of attack.

In a real airplane, the time it takes to complete one cycle, the period, is on the order of minutes

In fact, most pilots do not even recognize that they are controlling this motion.

- Dutch Roll: is a motion that couples roll and yaw It is kind of like the coupling of a small rolling

motion with a small wiggle of the tail Dutch roll has a short period and presents no major

stability problem.

Because of passenger discomfort, commercial airplanes use yaw dampers which move the

rudder to automatically damp out Dutch roll.

Airplane Nomenclatures (17/20)

- Spiral Instability: frequently referred to as Spiral Divergence, is instability in yaw and roll

which leads to a downward spiral.

- Spin: In a spin, one wing is sufficiently stalled and generates significant drag but little or no lift,

and the other is either not stalled or not stalled as fully as the other, and generates significant lift This causes the aircraft to autorotate due to the non-symmetric lift and drag Spins are

characterized by high angle of attack, low airspeed, and high rate of descent.

Spins differ from spiral dives which are characterized by low angle of attack and high airspeed

A spiral dive is not a type of stall because the wing is not stalled and the airplane will respond

to the pilot's inputs to the flight controls.

If a spirally unstable aircraft, through the action of a gust or other disturbance, gets a small

initial roll angle to the right, for example, a gentle sideslip to the right is produced The sideslip causes a yawing moment to the right If the dihedral stability is low, and yaw damping is small, the directional stability keeps turning the aircraft while the continuing bank angle maintains the sideslip and the yaw angle As this spiral gets continuously steeper and tighter until finally, if the motion is not checked a steep, high-speed, spiral dive results The motion develops so

gradually, however that it is usually corrected unconsciously by the pilot, who may not be

aware that spiral instability exists.

makes fast, tiny adjustments that allow the pilot to focus on other tasks If the computer were

to fail, the airplane would instantly become uncontrollable to the pilot, with fatal consequences.

Airplane Nomenclatures (19/20)

- Handling Qualities:

(1) “Stick free”: is a measure of how much force is required to make a certain change in a

control surface => sluggish or sporty

(2) “Control balance”: Suppose you have to put 5 lb on the control yoke for maximum roll but

30 lb for maximum pitch This is an unbalanced control system Ideally, 5 lb on the control yoke should give roughly the same changes in both the roll and the pitch axis.

(3) “Adverse yaw”: Older airplanes had significant adverse yaw, so a pilot had to be diligent with rudder pedals A modern trainer hardly needs any rudder input to counter adverse yaw The improvement has come primarily through the use of dihedral and larger vertical stabilizers Older pilots consider this sloppy (lacking care) flying, but the realities of a modern trainer are that rudder pedals are barely needed.

- Fly-by-wire: A fly-by-wire system is a control system where control actions are transmitted by

wire The pilot inputs a command on the yoke, which is read by a computer The computer translates the command, along with its own inputs to augment stability, to an electrical signal A wire then connects the cockpit to various actuators, which convert the signal into a mechanical action, like moving the elevator.

Airplane Nomenclatures (20/20)

Ngô Khánh Hiếu

Cơ học bay 2 – Static Stability and Control 09/2008