Thiết kế máy bay trực thăng bốn chong chóng ứng dụng lau kính

Luận văn tập trung nghiên cứu động lực học để tính toán công suất động cơ, tiến hành mô phỏng CFD để lựa chọn cấu hình chong chóng phù hợp và tính toán sự ảnh hưởng của lực cản ứng với t

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Mã số: 60520110

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Trần Tiến Anh

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS TS Nguyễn Quốc Chí

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Trương Quang Tri

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM ngày 28 tháng 08 năm 2020

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LVThS và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: 05/08/1993 Nơi sinh: Tp.HCM

Chuyên ngành: Kỹ thuật Hàng Không Mã số: 60520110

I TÊN ĐỀ TÀI: Thiết kế máy bay trực thăng bốn chong chóng ứng dụng lau kính

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

 Thiết kế cấu hình máy bay trực thăng bốn chong chóng

 Tính toán, mô phỏng khí động học để lựa chọn được loại chong chóng tối ưu và tính toán giá trị lực cản tương ứng với từng giai đoạn bay

 Tính toán, mô phỏng sức bền kết cấu khung sườn máy bay

 Tiến hành chế tạo và bay thử nghiệm để nghiệm thu kết quả

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 02/2020

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 08/2020

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS.TRẦN TIẾN ANH

Tp HCM, ngày tháng năm 20

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT GIAO THÔNG

Lời cảm ơn

Tôi xin cảm ơn quý thầy cô trong Bộ môn Kỹ thuật Hàng Không – Đại học Bách

Khoa Tp Hồ Chí Minh đã giúp đỡ và dạy cho tôi rất nhiều kiến thức bổ ích, tạo tiền đề

để tôi có thể thực hiện được luận văn tốt nghiệp này

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình tới thầy hướng dẫn TS Trần Tiến Anh,

giáo viên hướng dẫn của tôi Thầy đã chỉ dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện

đề tài

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến gia đình, những người thân yêu nhất, đã

luôn yêu thương, khích lệ và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập

Tôi xin chân thành cảm ơn Nguyễn Mạnh Cường và Trần Khắc Phong người đã

giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình làm luận văn

Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn tất cả!

Trương Đình Quế

Tóm tắt luận văn

Ngày nay, lĩnh vực hàng không thế giới được áp dụng công nghệ tiên tiến, kỹ thuật

số và tự động Chính vì thế mà công nghệ máy bay trực thăng bốn chong chóng ngày càng phát triển và phục vụ nhiều trong cuộc sống hằng ngày (phun thuốc trừ sâu, quay phim, lau kính,…)

Những công nghệ tiên tiến này giúp ích con người tương tác trong môi trường khó khăn và độc hại mà có thể đảm bảo sức khỏe, an toàn Điển hình là việc ứng dụng máy bay trực thăng bốn chong chóng (quadrotor) trong việc vệ sinh kính ở các hộ dân hay tòa nhà cao tầng Trong đề tài này tập trung nghiên cứu đối tượng chính đó là thiết kế máy bay trực thăng bốn chong chóng ứng dụng cho việc lau kính phục vụ đời sống hằng ngày Mục đích của đề tài là thiết kế một sản phẩm đơn giản, tiết kiệm và hiệu quả cao, đồng thời hy vọng sẽ là bước tiến lớn cho phát triển công nghệ này ở Việt Nam

Trên thế giới có rất nhiều máy bay dạng này tùy thuộc vào số lượng cánh, tuy nhiên nguyên lý điều khiển chung là tương tự nhau Luận văn tập trung nghiên cứu động lực học để tính toán công suất động cơ, tiến hành mô phỏng CFD để lựa chọn cấu hình chong chóng phù hợp và tính toán sự ảnh hưởng của lực cản ứng với từng giai đoạn bay Ngoài

ra, phân tích kết cấu bền vật liệu của bộ khung máy bay được thực hiện để từ đó lựa chọn được sản phẩm kết cấu ổn định Sau khi hoàn thành thì mô hình 2D và 3D được phác thảo bằng phần mềm mô phỏng Solidworks, làm cơ sở cho việc lắp ráp, chế tạo và bay thử nghiệm đáp ứng cho mục đích thiết kế

Từ khóa: quadrotor, động lực học, độ bền vật liệu

Abstract

Nowadays, digital and automatic technology have become an essential part of human life In last few decades, small-scale unmanned aerial vehicles have been used for many applications The need for aircraft with greater maneuverability and hovering ability has led to a rise in quadcopter research Quadrotor is one of the oustanding model

of the quadcopter It can be used in many industries and fields, such as agriculture, photography, cleaning services,…

The application of quadrotor can help us to operate in a difficult, dangerous or toxic environment without affecting our health, such as cleaning window’s glasses in apartments or buildings This thesis focuses on designing a quadrotor aircraft with window- cleaning function The purpose of this topic is to design a simple, economical model that brings high efficiency, contributing to the development of quadrotor in Viet Nam

There are variation of quadrotor models but the general control principle is the same The thesis focuses on aerodynamic research by CFD method in order to select the suitable propeller configuration and computes the drag of flight phase It is accompanied

by an analysis of the material durability of the frame, from which a stable strength of structure model is selected After completing, I will outline the 2D and 3D model with Solidworks, as a foundation for manufacturing, asembling the model and perform test flight for design purpose

Keywords: cleaning quadrotor, strength of structure, aerodynamics

Lời cam kết

Tôi cam kết:

- Đây là luận văn tốt nghiệp do tôi thực hiện

- Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

- Các đoạn trích dẫn và số liệu kết quả sử dụng để so sánh trong luận văn này đều được dẫn nguồn và có độ chính xác cao nhất trong phạm vi hiểu biết của tôi

TP.HCM, ngày tháng năm 2020

Trương Đình Quế

Mục lục

Lời cảm ơn iv

Tóm tắt luận văn v

Abstract vi

Lời cam kết vii

Mục lục viii

Chú giải ký hiệu xi

Ký hiệu xi

Ký hiệu Hy Lạp xii

Viết tắt xii

Danh mục hình ảnh xiii

Danh mục bảng biểu xviii

Chương 1 1

Giới thiệu đề tài 1

1.1 Tổng quan nghiên cứu trong, ngoài nước 1

1.1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 1

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 2

1.2 Ý tưởng khoa học, tính cấp thiết và tính mới 2

1.3 Mục tiêu, nội dung và kế hoạch nghiên cứu 4

1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu 4

1.3.2 Nội dung và phương pháp & kế hoạch nghiên cứu 4

1.3.3 Tóm tắt và phân công công việc 5

Chương 2 6

Thiết kế sơ bộ máy bay 6

2.1 Lịch sử phát triển 6

2.2 Nguyên lý hoạt động 9

2.3 Một số mẫu máy bay trên thế giới 11

2.4 Thiết kế sơ bộ máy bay 12

2.4.1 Điều kiện tự nhiên 12

2.4.2 Phương thức hoạt động 13

2.4.3 Thiết kế công suất và vận tốc bay 15

2.4.4 Khung lau kính 24

2.4.5 Lựa chọn bộ dụng cụ máy bay 24

2.5 Thiết kế bộ khung lau kính 25

2.5.1 Thiết kế ống nhôm 25

2.5.2 Thanh nhôm chữ L và bông lau kính 26

2.5.3 Khối vuông nhôm 27

2.5.4 Bông lau kính 28

2.5.5 Tổng khối lượng của bộ khung lau kính 28

2.5.6 Vật liệu ứng dụng cho máy bay 29

2.5.7 Hệ số an toàn và hệ số tải 29

2.5.8 Thiết kế điện-điện tử 30

2.5.9 Thiết kế cấu hình máy bay 34

Chương 3 35

Tính toán và mô phỏng khí động 35

3.1 Cơ sở lý thuyết 35

3.1.1 Thuyết động lượng thẳng ứng dụng trong trường hợp bay tại chỗ 35

3.1.2 Bay lên thẳng đứng và bay xuống 40

3.1.3 Trường hợp bay tới 44

3.2 Tính toán công suất lực đẩy 45

3.2.1 Biên dạng chong chóng 45

3.2.2 Tính toán công suất động cơ trong các trường hợp 47

3.3 Khảo sát khí động học chong chóng 50

3.3.1 Phương pháp mô phỏng 50

3.3.2 Giải thuật 51

3.3.3 Mô hình rối 51

3.3.4 Khoảng cách tường không thứ nguyên (y+) 53

3.3.5 Tiến hành mô phỏng 54

3.4 Hiện tượng hiệu ứng mặt đất 61

3.4.1 Giới thiệu 61

3.4.2 Giải thích hiện tượng 61

3.4.3 Đánh giá kết quả 63

3.5 Tính toán lực cản của máy bay 64

3.5.1 Cơ sở lý thuyết 64

3.5.2 Tính toán lực cản 65

3.6 Tổng kết 75

Chương 4 77

Tính toán và mô phỏng kết cấu 77

4.1 Tính toán lý thuyết 77

4.1.1 Đặc tính vật liệu 77

4.1.2 Tính toán kích thước bộ khung lau kính 78

4.2 Phân tích kết cấu khung bằng phương pháp phần tử hữu hạn 82

4.2.1 Mô tả phân tích phần tử hữu hạn 82

4.2.2 Lý thuyết bền 82

4.3 Mô phỏng kết cấu khung bằng công cụ phân tích phần tử hữu hạn 84

4.3.1 Tải và điều kiện biên 84

4.3.2 Chia lưới 85

4.3.3 Kết quả 85

4.4 Tổng kết 91

Chương 5 92

Chế tạo và lắp ráp máy bay thực tế 92

5.1 Quá trình lắp ráp máy bay 92

5.1.1 Thiết kế cơ khí 92

5.1.2 Thiết kế điện tử 93

5.1.3 Phân bố khối lượng máy bay 94

5.1.4 Thời gian bay của máy bay 94

5.2 Đáp ứng điều khiển 95

5.3 Bay thử nghiệm thực tế 97

Chương 6 100

Kết luận 100

6.1 Kết quả nghiên cứu 100

6.1.1 Các sản phẩm mềm 100

6.1.2 Các sản phẩm cứng 100

6.2 Đóng góp của đề tài cho đào tạo 101

6.3 Ý nghĩa khoa học 101

6.4 Ý nghĩa thực tiễn 102

6.5 Khả năng chuyển giao kết quả nghiên cứu 102

Tài liệu tham khảo 103 Phụ lục 105

BET Blade Element Theory Thuyết phần tử cánh

BEMT Blade Element Momentum Theory Thuyết động lượng phần tử cánh VTOL Vertical Take-off Landing Thiết bị bay lên/xuống thẳng đứng UAV Unmaned Aerial Vehicle Thiết bị bay không người lái CFD Computational Fluid Dynamics Mô phỏng động lực học lưu chất

ESC Electronic Speed Controller Bộ điều tốc

IMU Inertial Measurement Unit Khối đo lường quán tính

I2C Inter-Intergrated Circuit Giao tiếp nối tiếp hai dây

Danh mục hình ảnh

Hình 1-1 Một số ứng dụng trên thế giới [8] 1

Hình 1-2 Máy bay trực thăng bốn chong chóng lau kính [8] 3

Hình 1-3 Công nhân vệ sinh kính [8] 3

Hình 1-4 Máy bay vệ sinh kính [8] 3

Hình 2-1 Con quay thời cổ đại [10] 6

Hình 2-2 Mô hình của Archimedes và Leonardo da Vinci [10] 6

Hình 2-3 Mô hình chong chóng của M V Lomonosov [10] 7

Hình 2-4 Mô hình chong chóng của Launoy và Bienvenu [10] 7

Hình 2-5 Chiếc trực thăng của anh em nhà Breguet [10] 8

Hình 2-6 Thiết kế máy bay của Etienne Oemichene [10] 8

Hình 2-7 Mô hình của Bothezat và Ivan Jerome [10] 8

Hình 2-8 Điều khiển bay thẳng đứng [9] 9

Hình 2-9 Điều khiển lăn [9] 9

Hình 2-10 Điều khiển xoay [9] 10

Hình 2-11 Điều khiển ngóc chúc [9] 10

Hình 2-12 Điều khiển máy bay bay tới [9] 10

Hình 2-13 Máy bay lau kính thiết kế bởi ESF ở Dresden, Đức [8] 11

Hình 2-14 Máy bay lau kính thiết kế bởi Aerones ở San Francisco, Mỹ [8] 11

Hình 2-15 Máy bay lau pin bởi Cleanquadrotor ở Tây Ban Nha [8] 12

Hình 2-16 Máy bay phá băng thiết kế bởi Latvian-Aerone, Mỹ [8] 12

Hình 2-17 Phương thức hoạt động lau kính [8] 13

Hình 2-18 Thông số kích thước kính và dụng cụ lau kính [8] 13

Hình 2-19 Bộ dụng cụ thí nghiệm đo lực tác động bề mặt kính [13] 14

Hình 2-20 Phân bố lực khi đi xuống của máy bay 14

Hình 2-21 Phân bố lực khi đi lên của máy bay 15

Hình 2-22 Quan hệ giữa lực đẩy và đường kính chong chóng 17

Hình 2-23 Quan hệ công suất chong chóng và vận tốc bay lên chậm 19

Hình 2-24 Quan hệ công suất chong chóng và vận tốc bay lên 20

Hình 2-25 Quan hệ vận tốc cảm ứng và vận tốc bay xuống [10] 21

Hình 2-26 Quan hệ công suất chong chóng và vận tốc bay xuống 22

Hình 2-27 Quan hệ công suất chong chóng và vận tốc bay tới 23

Hình 2-28 Phương án thiết kế sơ bộ khung sườn [8] 24

Hình 2-29 Đường kính của bộ dụng cụ máy bay [8] 25

Hình 2-30 Kích thước ống nhôm [14] 26

Hình 2-31 Kết nối thanh chữ L vào ống nhôm 26

Hình 2-32 Kích thước thanh nhôm chữ L 26

Hình 2-33 Kích thước của bông lau kính 27

Hình 2-34 Kích thước thanh chữ L 27

Hình 2-35 Cách làm việc của vải polymer [15] 28

Hình 2-36 Động cơ Emax RS2205 và ESC [13] 30

Hình 2-37 Thông số chi tiết động cơ Emax RS2205 [13] 31

Hình 2-38 Mô phỏng cấu hình máy bay 34

Hình 2-39 Hình chiếu theo các phương của máy bay 34

Hình 3-1 Mô hình dòng khi bay tại chỗ [10] 35

Hình 3-2 Quan hệ giữa CT và Cp khi hiệu chỉnh [10] 39

Hình 3-3 Mô hình dòng khi bay lên thẳng đứng [10] 40

Hình 3-4 Mô hình dòng khi bay xuống thẳng đứng [10] 41

Hình 3-5 Quan hệ giữa vận tốc cảm ứng và vận tốc thẳng đứng [10] 43

Hình 3-6 Biên dạng cánh chong chóng AG26 [17] 46

Hình 3-7 Đồ thị lực nâng theo góc tấn của AG26 [17] 46

Hình 3-8 Đồ thị lực cản theo góc tấn của AG26 [17] 46

Hình 3-9 Quan hệ giữa công suất và vận tốc bay lên 48

Hình 3-10 Quan hệ giữa vận tốc cảm ứng và vận tốc bay lên 49

Hình 3-11 Quan hệ giữa công suất và vận tốc bay xuống thẳng đứng 50

Hình 3-12 Miền động của mô hình chong chóng [18] 54

Hình 3-13 Miền tĩnh của mô hình chong chóng [18] 54

Hình 3-14 Chất lượng lưới thông qua độ lệch kích thước tối ưu [18] 55

Hình 3-15 Chất lượng lưới theo độ lệch góc chuẩn hóa [18] 55

Hình 3-16 Lưới áp dụng cho chong chóng 3 cánh 56

Hình 3-17 Lưới áp dụng cho chong chóng 2 cánh 56

Hình 3-18 Vòng lặp hội tụ 56

Hình 3-19 Phân bố áp suất chong chóng 2 cánh với tỷ số tiến J = 0,1 57

Hình 3-20 Phân bố vận tốc chong chóng 2 cánh với tỷ số tiến J = 0,1 57

Hình 3-21 Phân bố đường dòng chong chóng 2 cánh với tỷ số tiến J = 0,1 58

Hình 3-22 Phân bố áp suất chong chóng 3 cánh với tỷ số tiến J = 0,1 58

Hình 3-23 Phân bố vận tốc chong chóng 3 cánh với tỷ số tiến J = 0,1 59

Hình 3-24 Phân bố đường dòng chong chóng 3 cánh với tỉ số tiến J = 0,1 59

Hình 3-25 So sánh kết quả lực đẩy của 2 loại cánh từ CFD 60

Hình 3-26 So sánh lực đẩy của chóng chóng 3 cánh từ CFD và thực nghiệm [22] 60

Hình 3-27 Mô hình dòng của hiệu ứng mặt đất [19] 61

Hình 3-28 Ảnh hưởng hiệu ứng mặt đất tới lực đẩy [19] 61

Hình 3-29 Quan hệ lực đẩy và độ cao theo hiệu ứng mặt đất 63

Hình 3-30 Mô hình tính lực cản [19] 64

Hình 3-31 Sơ đồ quá trình hoạt động của máy bay 65

Hình 3-32 Phân loại thành phần chịu lực cản 65

Hình 3-33 Trường hợp bay lên thẳng đứng 66

Hình 3-34 Quan hệ giữa lực cản và vận tốc bay lên thẳng đứng 68

Hình 3-35 Trường hợp bay tới tiếp cận 68

Hình 3-36 Quan hệ giữa lực cản và vận tốc bay tới tiếp cận 71

Hình 3-37 Trường hợp bay xuống lau kính của máy bay 71

Hình 3-38 Quan hệ giữa lực cản và vận tốc bay xuống lau kính 73

Hình 3-39 Trường hợp bay lùi 73

Hình 3-40 Trường hợp bay ngang 74

Hình 3-41 Quan hệ giữa lực cản và vận tốc bay ngang 75

Hình 4-1 Bộ khung lau kính 77

Hình 4-2 Liên kết khung nhôm và khớp nối 78

Hình 4-3 Thành phần lực trên ống nhôm 79

Hình 4-4 Mặt cắt ngang của ống nhôm [16] 79

Hình 4-5 Biểu đồ nội lực và mô-men 80

Hình 4-6 Lực phân bố trên ống nhôm 81

Hình 4-7 Điều kiện biên của khung khi bay lên thẳng đứng 84

Hình 4-8 Điều kiện biên của khung khi va chạm vào kính 84

Hình 4-9 Chia lưới trên bộ khung thiết kế 85

Hình 4-10 Chuyển vị của khung nhôm (t = 0,5 mm) 85

Hình 4-11 Ứng suất của khung nhôm (t = 0,5 mm) 86

Hình 4-12 Chuyển vị của khung nhôm (t = 1 mm) 86

Hình 4-13 Ứng suất của khung nhôm (t = 1 mm) 87

Hình 4-14 Chuyển vị của khung nhôm khi va chạm (t = 1 mm) 87

Hình 4-15 Ứng suất của khung nhôm khi va chạm (t = 1 mm) 88

Hình 4-16 Chuyển vị của khung ứng với dạng 1 88

Hình 4-17 Chuyển vị của khung ứng với dạng 2 89

Hình 4-18 Chuyển vị của khung ứng với dạng 3 89

Hình 4-19 Chuyển vị của khung ứng với dạng 4 89

Hình 4-20 Điều kiện biên 90

Hình 4-21 Ứng suất của toàn bộ máy bay 90

Hình 4-22 Chuyển vị của toàn bộ máy bay 91

Hình 5-1 Khung bộ dụng cụ máy bay ZMR250 92

Hình 5-2 Bộ khung lau kính 93

Hình 5-3 Bộ khung sườn máy bay hoàn chỉnh 93

Hình 5-4 Quá trình lắp ráp mạch điện-điện tử 93

Hình 5-5 Sản phẩm máy bay hoàn chỉnh 94

Hình 5-6 Trạng thái bay của máy bay 95

Hình 5-7 Tốc độ vòng quay và chiều quay của chong chóng 96

Hình 5-8 Quá trình hạ cánh an toàn 96

Hình 5-9 Tín hiệu điều khiển từ tay cầm đến cảm biến 96

Hình 5-10 Đồ thị xung vận tốc góc và gia tốc góc 97

Hình 5-11 Máy bay khởi động động cơ 97

Hình 5-12 Máy bay bay tại chỗ 98

Hình 5-13 Máy bay thực hiện lau kính 98

Hình 5-14 Máy bay hoàn thành nhiệm vụ 99

Hình 6-1 Sản phẩm máy bay hoàn chỉnh 101

Danh mục bảng biểu

Bảng 1-1 Biểu đồ Gantt thể hiện kế hoạch và theo dõi tiến độ công việc 5

Bảng 1-2 Bảng phân công công việc trong nhóm thiết kế máy bay 5

Bảng 2-1 Vận tốc gió trung bình theo từng tháng trong năm [11] 12

Bảng 2-2 Giá trị thiết kế ban đầu 15

Bảng 2-3 Thống kê khối lượng một số mẫu trên thế giới [12] 16

Bảng 2-4 Tính toán khối lượng máy bay 16

Bảng 2-5 Thống kê đường kính chong chóng một số mẫu [12] 16

Bảng 2-6 Ước lượng đường kính chong chóng 17

Bảng 2-7 Trường hợp bay lên chậm 19

Bảng 2-8 Trường hợp bay lên với vận tốc bình thường 20

Bảng 2-9 Trường hợp bay xuống với vận tốc thấp 22

Bảng 2-10 Trường hợp bay tới 23

Bảng 2-11 Giá trị vận tốc và công suất thiết kế theo trạng thái bay 24

Bảng 2-12 So sánh bộ dụng cụ máy bay [13] 25

Bảng 2-13 Thông số trụ nhôm [13] 27

Bảng 2-14 So sánh vải tổng hợp và vải bông 28

Bảng 2-15 Thành phần bộ khung lau kính 28

Bảng 2-16 Đặc tính của carbon/epoxy [16] 29

Bảng 2-17 Hệ số an toàn ứng với tải [16] 30

Bảng 2-18 Thông số động cơ và ESC [13] 30

Bảng 2-19 Chong chóng máy bay [13] 32

Bảng 2-20 Thông số pin Li-Po [13] 32

Bảng 2-21 Mạch vi điều khiển [13] 32

Bảng 2-22 Mạch OmnibusF3 [13] 33

Bảng 3-1 Công suất động cơ khi bay lên 48

Bảng 3-2 Công suất động cơ khi bay xuống thẳng đứng 49

Bảng 3-3 Một số mô hình rối [18] 52

Bảng 3-4 Giá trị lực đẩy trong hiệu ứng mặt đất 63

Bảng 3-5 Thành phần tính lực cản phần I 66

Bảng 3-6 Lực cản khi bay lên của phần I theo Vc 66

Bảng 3-7 Thành phần tính lực cản phần II 67

Bảng 3-8 Lực cản khi bay lên của phần II theo Vc 67

Bảng 3-9 Lực cản tổng hợp tác động lên máy bay khi bay lên 67

Bảng 3-10 Lực cản khi bay tới của phần I theo Vc 69

Bảng 3-11 Lực cản khi bay tới của phần II theo Vc 69

Bảng 3-12 Lực cản tổng hợp theo phương 1 khi bay tới 69

Bảng 3-13 Thành phần tính lực cản theo phương 2 70

Bảng 3-14 Lực cản khi bay tới theo phương 2 70

Bảng 3-15 Lực cản tổng hợp khi bay tới 70

Bảng 3-16 Lực cản tổng hợp khi xuống lau kính 72

Bảng 3-17 Thành phần tính lực cản theo phương 2 khi bay ngang 74

Bảng 3-18 Lực cản tổng hợp khi bay ngang 74

Bảng 4-1 Thông số đặc tính của nhôm 6061 [14] 77

Bảng 4-2 Thông số của ống nhôm 80

Bảng 4-3 Đặc tính vật liệu hỗn hợp [16] 90

Bảng 5-1 Thông số bay thực nghiệm và mục tiêu ban đầu 99

Bảng 6-1 Thành phần cấu tạo chính của máy bay 100

Chương 1

Giới thiệu đề tài

Chương này nêu ra khái quát thực trạng hiện nay, đặt ra vấn đề thực tiễn cũng như mục đích, phương pháp và nội dung nghiên cứu

1.1 Tổng quan nghiên cứu trong, ngoài nước

1.1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Ngành công nghiệp máy bay không người lái trên thế giới đang phát triển nhanh chóng và dự báo sẽ gia tăng trong giai đoạn từ 2019 – 2024, riêng ở thị trường Hoa Kỳ

dự báo sẽ có tới hơn 600,000 đơn vị ghi nhận vào năm 2020 Trong đó các ngành sử dụng tăng trưởng nhiều nhất lần lượt là: xây dựng (239%), khai khoáng (198%), nông nghiệp (172%), thăm dò (171%),…Các ngành này chủ yếu sử dụng để tạo lập bản đồ chính xác, xây dựng mô hình 3D của đối tượng lớn (như nhà cửa, kho bãi), kiểm tra tiến độ công việc xây dựng,…Các nước dẫn đầu trong tăng trưởng trong ngành này là Hoa Kỳ và Trung Quốc Tuy nhiên khu vực có tốc độ tăng trưởng nhanh nhất lại là Đông Nam Á

Hình 1-1 Một số ứng dụng trên thế giới [8]

Riêng đối với máy bay trực thăng bốn chong chong chóng ứng dụng cho vệ sinh kính thì trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu và chế tạo thành công các mẫu máy bay phục vụ cho việc này Một vài nghiên cứu trên thế giới liên quan đến đề tài bao gồm:

 “Modelling and control of quadcopter” [1] của tác giả Teppo Luukkone đã trình

bày phương pháp thiết kế và điều khiển máy bay trực thăng bốn chong chóng ở Trường Đại học Aalto, Phần Lan

 “Design and realization of a glass-curtain wall-cleaning robot” [2] của tác giả

Xin Wang và các cộng sự đã trình bày nghiên cứu về khả năng ứng dụng lau kính

các tòa nhà cao tầng của máy bay trực thăng bốn chong chóng ở Trường Đại học

Kỹ thuật Thâm Quyến, Trung Quốc

 “Development of a wall-climbing drone capable of vertical soft landing using a tilt-rotor mechanism” [3] của tác giả Wancheol Myeong và Hyun Myung đã

nghiên cứu và chế tạo chiếc máy bay trực thăng bốn chong chóng phục vụ cho việc lau kính tòa nhà, vệ sinh pin mặt trời ở phòng thí nghiệm robot, viện nghiên cứu Khoa học và Kỹ thuật, Hàn Quốc

giả Kazuya Aizawa và các cộng sự ở Trường Đại học Waseda, Nhật Bản đã nghiên cứu chế tạo máy bay trực thăng bốn chong chóng ứng dụng để lau kính và

vệ sinh các thiết bị nội thất trong nhà

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Quá trình phát triển máy bay trực thăng bốn chong chóng ở Việt Nam hiện nay vẫn chỉ tập trung vào lĩnh vực truyền thông, giải trí với rất nhiều mẫu khác nhau ở đủ mức giá được bày bán trên thị trường Một số công ty, viện nghiên cứu đã ứng dụng máy bay trực thăng bốn chong chóng vào cải tiến nông nghiệp với các ứng dụng như tưới tiêu, phun thuốc trừ sâu Trong đó, cũng có một vài nhóm sinh viên trong trường Đại học Bách Khoa đã và đang nghiên cứu ứng dụng phục vụ cho nông nghiệp Ngoài ra một số nhóm nghiên cứu cũng sử dụng thiết bị này để thu thập không ảnh phục vụ nghiên cứu,…

Một vài nghiên cứu trong nước bao gồm:

 “Ứng dụng không ảnh máy bay đánh giá hiện trạng sử dụng tài nguyên ở Hòn Ông, vịnh Vân Phong” [5] của tác giả Phan Minh Thụ và các cộng sự đã trình bày

nghiên cứu về ứng dụng của UAV (Unmaned Aerial Vehicle) trong việc thu thập hình ảnh, dữ liệu để đánh giá hiện trạng sử dụng tài nguyên biển

Nhiệm và cộng sự ở Đại học Cần Thơ đã thiết kế máy bay trực thăng bốn chong chóng có giá đỡ cho máy ảnh kỹ thuật số để thu thập không ảnh

Nguyễn Ngọc Tùng được hướng dẫn bởi PGS TS Vũ Ngọc Ánh tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Tp HCM Sau ba năm nghiên cứu, họ đã tạo

ra chiếc máy bay không người lái phục vụ nông nghiệp nhằm mục đích phun thuốc trừ sâu trên lúa và có thể hoạt động ổn định trong thời tiết khắc nghiệt

Mục đích sử dụng máy bay trực thăng bốn chong chóng ứng dụng lau kính vẫn chưa được hình thành và đây là một đề tài rất mới ở Việt Nam Ngoài ra, việc sử dụng thiết bị này ở Việt Nam vẫn cần đến các phi công kinh nghiệm để điều khiển

1.2 Ý tưởng khoa học, tính cấp thiết và tính mới

Máy bay trực thăng bốn chong chóng đã và đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như quân sự, dân dụng, nghiên cứu,… cùng với sự phát triển các thiết bị bay không người lái Với ưu điểm là cấu tạo cơ khí đơn giản và khả năng vận hành linh hoạt, việc sử dụng những máy bay loại này khá hiệu quả cho các nhiệm vụ trong không gian hẹp hoặc cần chuyển động chậm và cân bằng như quay phim trên không, tìm kiếm cứu

hộ, lau kính,… Đề tài nghiên cứu và chế tạo máy bay bốn chong chóng là một đề tài đòi hỏi kiến thức tổng hợp của rất nhiều lĩnh vực như là thiết kế cơ khí, khí động lực học, sức bền vật liệu, mạch điều khiển, giao tiếp máy tính, truyền nhận tín hiệu,

Hình 1-2 Máy bay trực thăng bốn chong chóng lau kính [8]

Hiện nay, nhiều toà nhà cao tầng ở Việt Nam luôn phải lau chùi kính để giữ được sạch sẽ Công việc đó đòi hỏi những người công nhân vệ sinh luôn phải đối mặt với nguy hiểm khi treo mình giữa không trung, mang theo những vật dụng cồng kềnh khi làm việc,…Công việc của họ không chỉ đơn giản là làm sạch bụi bẩn mà còn phải giữ mọi thứ

an toàn bên mình nhưng tai nạn hi hữu vẫn có thể xảy ra bất cứ lúc nào

Hình 1-3 Công nhân vệ sinh kính [8]

Nền công nghiệp - khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển trên thế giới đã thúc đẩy các nhà khoa học và công ty chế tạo ra nhiều máy bay bốn chong chóng ứng dụng trong các lĩnh vực lau kính tòa nhà, lau chùi tấm pin năng lượng mặt trời,…Những phát minh này sẽ phục vụ thay thế cho sức người và đem lại sự an toàn, hiệu quả cho công việc Những máy bay này tuy đã được phát triển ở một số quốc gia nhưng vẫn còn rất hạn chế ở Việt Nam vì:

 Thời gian bay bị giới hạn và giá thành thường khá mắc

 Quá trình ổn định và điều khiển phức tạp vì nếu không thì chong chóng bị va chạm với bề mặt vật thể và làm giảm hiệu năng làm việc

 Điều kiện thời tiết bất thường cũng là trở ngại lớn khi hoạt động

Đây chính là lý do để nhóm thực hiện nghiên cứu đề tài máy bay trực thăng bốn chong chóng ứng dụng lau kính nhằm khắc phục những khó khăn trên

Hình 1-4 Máy bay vệ sinh kính [8]

1.3 Mục tiêu, nội dung và kế hoạch nghiên cứu

1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu

Luận văn: “Thiết kế máy bay trực thăng bốn chong chóng ứng dụng lau kính” được thực hiện nhằm mục đích khảo sát mô hình vật lý, tính toán khí động và tối ưu hóa kết cấu Từ đó đưa ra cơ sở lý thuyết phục vụ cho việc thiết kế sản phẩm thực tế Mục tiêu của luận văn tập trung vào các vấn đề sau:

 Thiết kế cấu hình máy bay trực thăng bốn chong chóng

 Tính toán, mô phỏng khí động học để lựa chọn được loại chong chóng tối ưu và tính toán giá trị lực cản tương ứng với từng giai đoạn bay

 Tính toán, mô phỏng sức bền kết cấu khung sườn máy bay

 Tiến hành chế tạo và bay thử nghiệm để nghiệm thu kết quả

1.3.2 Nội dung và phương pháp & kế hoạch nghiên cứu

Nhiệm vụ chính của học viên trong đề tài: “Thiết kế máy bay trực thăng bốn chong chóng ứng dụng lau kính” với sự hướng dẫn của TS Trần Tiến Anh gồm những nội dung chính:

 Nội dung 1: Tìm hiểu ý tưởng và đặt mục tiêu thiết kế

 Nội dung 2: Lịch sử phát triển và tìm hiểu nguyên lý hoạt động

 Nội dung 3: Thiết kế sơ bộ các giá trị đầu vào

 Nội dung 4: Thiết kế bộ khung máy bay

 Nội dung 5: Tính toán sơ bộ công suất bay theo từng trạng thái bay

 Nội dung 6: Tìm hiểu lý thuyết phần tử cánh của chong chóng

 Nội dung 7: Tính toán công suất động cơ theo từng trạng thái bay

 Nội dung 8: Mô phỏng khảo sát chong chóng bằng CFD

 Nội dung 9: Tính toán hiện tượng hiệu ứng mặt đất

 Nội dung 10: Tính toán lực cản máy bay theo từng trạng thái bay

 Nội dung 11: Tìm hiểu lý thuyết sức bền vật liệu

 Nội dung 12: Tính toán kết cấu máy bay theo lý thuyết

 Nội dung 13: Mô phỏng kết cấu khung bằng phần mềm mô phỏng

 Nội dung 14: Chế tạo và lắp ráp máy bay thực tế

 Nội dung 15: Thực hiện bay thử nghiệm

Bảng 1-1 Biểu đồ Gantt thể hiện kế hoạch và theo dõi tiến độ công việc

1.3.3 Tóm tắt và phân công công việc

Chủ đề nghiên cứu:” Thiết kế chế tạo, thử nghiệm và hoàn thiện tối ưu máy bay trực thăng bốn chong chóng ứng dụng cho lĩnh vực lau kính” được triển khai thực hiện trong giai đoạn làm đề cương luận văn thạc sĩ và bốn tháng triển khai thực hiện luận văn để hoàn thành chương trình thạc sĩ

Các nội dung công việc cụ thể được triển khai trong sự phối hợp cùng với trợ giúp của hai sinh viên đại học đam mê lĩnh vực nghiên cứu này là Nguyễn Mạnh Cường và Trần Khắc Phong dưới sự điều phối của giáo viên hướng dẫn Để triển khai thực hiện dự

án nghiên cứu này, nhiệm vụ công việc của các thành viên được phân chia như bảng điều phối công việc dưới đây:

Bảng 1-2 Bảng phân công công việc trong nhóm thiết kế máy bay

 Tiến hành lắp ráp và bay thử nghiệm

Trần Khắc Phong Khảo sát đặc tính chong chóng và lựa chọn động cơ cho máy bay Nguyễn Mạnh Cường

 Đo đạc kích thước bộ dụng cụ máy bay

 Xây dựng cấu hình 2D, 3D bằng phần mềm mô phỏng

 Tính toán và mô phỏng kết cấu máy bay

Chương 2

Thiết kế sơ bộ máy bay

Chương này bao gồm ba phần:

- Phần đầu là giới thiệu lịch sử phát triển

- Phần tiếp theo mô tả khái quát nguyên lý hoạt động, phương thức di chuyển và

Hình 2-1 Con quay thời cổ đại [10]

Tại châu Âu, ý tưởng tạo ra thiết bị có thể nâng lên khỏi mặt đất xuất phát khoảng thế kỷ XV từ một họa sĩ nổi tiếng Leona De Vince Từ một cỗ máy chuyển nước từ dưới lên cao của Archimedes, ông dùng một cổ máy khoan vào không khí thì có thể nâng vật lên khỏi mặt đất Lúc này ông nhận ra khối lượng riêng không khí nhẹ hơn khối lượng riêng nước nên kích thước của thiết bị trên lớn hơn và có biên dạng hình số 8 Rõ ràng những suy nghĩ của ông thì không thực hiện được nhưng đây cũng là một ý tưởng lớn lúc bấy giờ

Hình 2-2 Mô hình của Archimedes và Leonardo da Vinci [10]

Thế kỷ 18, Mikhail Lomonosov, nhà khoa học người Nga đã phát triển ra một chong chóng nhỏ gồm bốn cánh quạt quay đồng trục với nhau Chúng được gia cố bên ngoài bởi một khung tròn Phát minh của ông đã tạo nên nền tảng cho sự phát triển của chong chóng sau này

Hình 2-3 Mô hình chong chóng của M V Lomonosov [10]

Năm 1783, hai khoa học người Pháp là Launoy và Bienvenu đã tạo một phiên bản mới của đồ chơi Trung Quốc từ hàng ngàn năm trước Con quay của họ thì gồm hai chong chóng, một sợi dây đàn hồi là một thanh gỗ Mỗi chong chóng được gắn bốn lông

gà tây đặt đối nghịch nhau Năng lượng cấp cho chong chóng là năng lượng đàn hồi của sợi dây Năm 1786, một nhà toán học Pháp đã xuất bản bài báo khoa học đầu tiên về sự quay của cánh và đặt nền tảng cho sự ra đời hàng loạt mẫu trực thăng sau này

Hình 2-4 Mô hình chong chóng của Launoy và Bienvenu [10]

Năm 1860, nhà khoa học người Pháp Pouton A’mecourt đã cho ra đời hàng loạt mẫu trực thăng nhỏ chạy bằng hơi nước Năm 1870, Apholso Penaul đã chế tạo ra chong chóng chạy bằng sự co giãn sợi cao su Sau đó, Emmanuel Dieuaide chế tạo ra chong chóng quay theo chiều kim đồng hồ chạy bằng hơi nước, thùng cấp hơi nước được đặt dưới mặt đất Năm 1878-1879, Dandrieux đã chế tạo ra một chong chóng nặng khoảng 5,5 kg chạy bằng hơi nước và nó nâng lên khỏi mặt đấy 12 m trong 12 s Tới năm 1880, nhà bác học Edison tiếp tục chế tạo ra một chong chóng chạy bằng động cơ điện với diện tích cánh quạt nhỏ hơn

Tới năm 1906, hai anh em nhà Jacques Breguet và Louis Breguet bắt đầu quan tâm đến biên dạng cánh của chong chóng Họ đã bắt tay vào chế tạo chiếc trực thăng (Gyroplane) Nhưng chiếc này không bay được lâu do không ổn định và dao động tại mỗi cánh tay của máy bay Nhưng đây là loại đầu tiên đã nâng con người lên khỏi mặt đất (0,6 m/phút) Tuy không thành công nhưng nó đánh dấu sự phát triển vượt bậc của trực thăng

Hình 2-5 Chiếc trực thăng của anh em nhà Breguet [10]

Năm 1920, chiếc máy bay bốn chong chóng thứ hai ra đời Người chế tạo ra chiếc này là kỹ sư trẻ Etienne Oemichene Chiếc này được thiết kế bởi khung bằng thép với bốn chong chóng đặt ở bốn cánh tay, mỗi chong chóng có hai cánh quạt và có thể điều khiển được góc ngóc chúc cánh quạt Ông còn đặt thêm tám chong chóng, trong đó năm cái quay theo phương ngang để tạo ra ổn định còn lại thì quay theo phương đứng để quay mũi và tạo lực đẩy bay tới Chiếc thứ hai này đã tạo ra một kỷ lục mới là bay được 1 km trong vòng 7 phút vào tháng 5/1925 Sau đó ông cho ra đời hàng loạt máy bay trên nhưng tất cả đều gặp vấn đề ổn định và công suất động cơ cung cấp không đủ

Hình 2-6 Thiết kế máy bay của Etienne Oemichene [10]

Năm 1922, Dr.George de Bothezat và Ivan Jerome tiếp tục phát triển loại máy bay này Chiếc này được thiết kế có hình dạng chữ X và mỗi chong chóng có sáu cánh quạt

và có thêm hai chong chóng làm nhiệm vụ cung cấp lực đẩy và điều khiển theo phương ngang Từ năm 1922-1923, ông đã thực hiện nhiều chuyến bay và độ cao bay cao nhất là khoảng 5 m Nhưng rồi vẫn rơi vào trình trạng không ổn định và công suất động cơ không đủ

Hình 2-7 Mô hình của Bothezat và Ivan Jerome [10]

Trong những thập niên đầu thế kỷ 19 loài người đã tạo ra nhiều loại trực thăng nhưng đều đi đến thất bại Thất bại trên xuất phát từ các nguyên nhân sau:

 Chưa phát minh được động cơ công suất cao

 Kết cấu máy bay còn phức tạp và nặng

 Chưa hiểu rõ về vấn đề khí động và điều khiển được sự bất ổn định của máy bay

 Máy bay chế tạo còn bị rung động cao nên dẫn tới hiện tượng mỏi của vật liệu

Sự xuất hiện và phát triển của động cơ đã mở ra hướng mới cho ngành hàng không Các loại động cơ đốt trong với công suất cao và động cơ phản lực ra đời đã dẫn tới sự phát triển hàng loạt loại máy bay thế hệ mới

Năm 1956, một chiếc máy bay hiện đại xuất hiện và điều khiển lực đẩy ở mỗi chong chóng Các chong chóng được cấp bởi hai động cơ đốt trong thông qua một đai truyền động Kết cấu được thiết kế nhẹ hơn bằng sử dụng hợp kim nhôm Nhưng trong những thập niên gần đây người ta chuyển hướng nghiên cứu và chế tạo máy bay bốn chong chóng dưới dạng UAV để phục vụ trong quân sự và dân sự

2.2 Nguyên lý hoạt động

Máy bay trực thăng bốn chong chóng là một loại trực thăng với lực nâng tạo ra để nâng máy bay lên không phải chỉ bằng một chong chóng giống trực thăng mà bằng bốn chong chóng đặt bốn vị trí khác nhau Nó được điều khiển bằng cách thay đổi tốc độ vòng quay động cơ dẫn tới thay đổi lực đẩy từ đó điều khiển được cách di chuyển của nó Máy bay trực thăng bốn chong chóng hoạt động trên nguyên lý là thay đổi lực đẩy của mỗi chong chóng với các góc ngóc chúc của chong chóng thì không thay đổi

a) Điều khiển bay lên/xuống thẳng đứng

Hình 2-8 Điều khiển bay thẳng đứng [9]

Điều khiển bay lên thẳng đứng thì gia tăng lực đẩy (tăng số vòng quay) của cả bốn chong chóng giống nhau, còn muốn hạ xuống thì giảm lực đẩy cùng lúc của cả bốn chong chóng

b) Điều khiển lăn

Hình 2-9 Điều khiển lăn [9]

Thực hiện ký hiệu từ chong chóng có lực đẩy thấp nhất là chong chóng số 1 và đếm theo chiều kim đồng hồ từ 1 đến 4 là kí hiệu của mỗi chong chóng Điều khiển lăn cũng

giống như trường hợp ngóc chúc Lực đẩy được thay đổi ở chong chóng 2 và 4 còn chong chóng 1 và 3 thì giữ nguyên Nếu muốn lăn phía nào thì giảm lực đẩy phía đó xuống và tăng lực đẩy phía đối diện lên và hai chong chóng còn lại thì giữ nguyên lực đẩy

c) Điều khiển xoay

Hình 2-10 Điều khiển xoay [9]

Theo hình vẽ, muốn máy bay quay theo ngược chiều kim đồng hồ, thì tăng tốc độ vòng quay chong chóng 2 và 4 Lúc này lực đẩy tăng ở chong chóng 2 và 4 nhưng cả hai đều tăng nên máy bay không bị ngóc chúc cùng lúc đó mô-men sinh ra ở mỗi chong chóng 2 và 4 cũng tăng lên Sau đó giảm cùng lúc tốc độ vòng quay của chong chóng 1

và 3 thì lực đẩy giảm xuống và men cũng giảm xuống dẫn đến làm mất cân bằng men nên máy bay quay theo ngược kim đồng hồ

mô-d) Điều khiển ngóc chúc

Hình 2-11 Điều khiển ngóc chúc [9]

Để thay đổi góc ngóc chúc thì gia tăng lực đẩy của chong chóng số 3 bằng cách tăng tốc độ vòng quay của động cơ và giảm lực đẩy của chong chóng số 1 (giảm tốc độ vòng quay) Còn chong chóng 2 và 4 thì tốc độ vẫn giữ nguyên (không thay đổi lực đẩy)

Từ đó quá trình này làm cho chong chóng ngóc xuống theo hướng mũi tên ở giữa

Để máy bay bay tới thì góc ngóc chúc được thay đổi Khi máy bay nghiêng một góc

θ thì xuất hiện một thành phần lực theo phương ngang làm máy bay bay tới

Hình 2-12 Điều khiển máy bay bay tới [9]

2.3 Một số mẫu máy bay trên thế giới

Trên thế giới, có nhiều nhà nghiên cứu và các nhóm sinh viên hoặc những công ty chuyên sản xuất máy bay bốn chong chóng đã phát minh ra một số loại thông dụng đang được sử dụng hiện nay Chúng đều có nhiều chức năng như lau kính, vệ sinh mái nhà, chống đóng băng tuabin gió,…

a) Máy bay lau kính thiết kế bởi công ty ESF ở Dresden, Đức

Họ đã bắt đầu nghiên cứu những chiếc này từ năm 2012 Sau vài năm nghiên cứu thì họ đã chế tạo ra máy bay ứng dụng cho lau kính các tòa nhà cao tầng Khung sườn chính được làm từ vật liệu hỗn hợp (composite) và hợp kim nhôm Do đó, nhìn tổng thể thì máy bay này rất nhẹ và cấu trúc rất đơn giản và tiện lợi

Hình 2-13 Máy bay lau kính thiết kế bởi ESF ở Dresden, Đức [8]

b) Máy bay lau kính thiết kế bởi Aerones ở San Francisco, Mỹ

Sản phẩm này gồm 14 chong chóng và có thể ứng dụng lau kính các tòa nhà cao tầng bằng cách dùng áp lực nước từ vòi phun được gắn trên bộ khung thân Máy bay này nặng khoảng 90 kg và đường nước được đưa lên thông qua hệ thống vòi dẫn từ dưới mặt đất Do đó, máy bay phải đảm bảo kết cấu chắc chắn và ổn định khi hệ thống phun nước hoạt động

Hình 2-14 Máy bay lau kính thiết kế bởi Aerones ở San Francisco, Mỹ [8]

c) Máy bay lau pin ở Barcelona, Tây Ban Nha

Máy bay được thiết kế với máy ảnh và cảm biến để tìm và làm sạch vật thể (pin năng lượng mặt trời) Chiếc này thuộc loại nhiều chong chóng và có khả năng điều khiển theo phương đứng và phương ngang Bốn chong chóng chính giúp nó di chuyển lên/xuống theo phương đứng và thêm hai chong chóng phụ ở đuôi giúp di chuyển về phía trước và tạo áp lực khi vệ sinh vật thể Nhược điểm là mạch điều khiển phức tạp và khó

ổn định các chong chóng khi hoạt động

Hình 2-15 Máy bay lau pin bởi Cleanquadrotor ở Tây Ban Nha [8]

d) Máy bay phá băng thiết kế bởi Latvian-Aerone, Mỹ

Hình 2-16 Máy bay phá băng thiết kế bởi Latvian-Aerone, Mỹ [8]

Thiết kế này được ứng dụng cho việc phá băng trên tuabin gió bằng cách phun ra hỗn hợp hóa chất chống đóng băng trên lá cánh tuabin Máy bay này có thể hoạt động ở

độ cao 300 m và mang theo hỗn hợp hóa chất khoảng 200 kg

2.4 Thiết kế sơ bộ máy bay

2.4.1 Điều kiện tự nhiên

Khi hoạt động thì yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến sự ổn định và điều khiển là gió Điều kiện tự nhiên là thứ mặc định không thể tránh được vì thế máy bay phải được thiết

kế sao cho tối ưu kết cấu và quá trình ổn định của nó khi hoạt động Gió thì có nhiều dạng khác nhau: gió giật, xoáy, gió mạnh,…

Mục tiêu là thiết kế máy bay bốn chong chóng thử nghiệm tại thành phố Hồ Chí Minh nên bảng số liệu vận tốc gió trung bình theo từng tháng trong năm được tham khảo như sau:

Bảng 2-1 Vận tốc gió trung bình theo từng tháng trong năm [11]

2.4.2 Phương thức hoạt động

Vấn đề lưu ý ở đây là lựa chọn phương pháp lau tối ưu khi bông lau tiếp xúc với bề mặt kính, tránh để cho chong chóng va chạm với kính Từ đó thiết kế mạch điều khiển để máy bay giữ được sự ổn định, tránh ảnh hưởng đến kết cấu và hiệu suất hoạt động

Hình 2-17 Phương thức hoạt động lau kính [8]

Do máy bay di chuyển theo phương đứng dễ dàng hơn so với bay ngang và tham khảo một số mẫu máy bay lau kính trên thế giới hiện nay thì phương thức hoạt động lau kính theo phương thẳng đứng được lựa chọn khả thi hơn

Hình 2-18 Thông số kích thước kính và dụng cụ lau kính [8]

Dựa vào kích thước của tấm kính lắp đặt phổ biến cho các tòa nhà cùng với bộ dụng

cụ vệ sinh lau kính thông dụng hiện nay thì kích thước thiết kế của bộ khung lau kính được ước lượng để phù hợp với máy bay Ứng với kích thước ước lượng của bộ dụng cụ

vệ sinh kính thì quá trình lau kính được thực hiện hai lần để có thể làm sạch toàn bộ kính

Để ước lượng giá trị lực tác động giữa bông lau và bề mặt kính được sử dụng bộ dụng cụ bao gồm cân điện tử và bông lau Thực hiện để bụi bẩn bám trên bề mặt của cân điện tử rồi lấy bông vải lau sạch bề mặt của cân điện tử và ghi lại các giá trị hiển thị từ cân Quá trình trên cần được thực hiện nhiều lần và tính toán giá trị trung bình của các lần đo Đó cũng chính là thông số ước tính được dùng để tính toán lực theo phương ngang

q N m và tác động theo phương vuông góc với bề mặt kính Diện tích bề mặt

mà mỗi lần bông lau tiếp xúc là: 2

Vc (m/s): Vận tốc gió tác động lên máy bay

Fquad (N): Lực nâng của máy bay tạo bởi bốn chong chóng

P (N): Trọng lực của máy bay

Fms (N): Lực ma sát giữa bông lau và bề mặt kính

Nw (N): Phản lực của kính tác dụng lên máy bay

Dtổng (N): Lực cản tổng hợp của máy bay khi bay

θ (deg): Góc nghiêng của máy bay so với phương ngang Sau khi tham khảo một số mẫu trên thế giới, khi bay tới thì máy bay nghiêng một góc khoảng

Đối với trường hợp máy bay khi bay xuống lau kính thì phương trình cân bằng lực

và mô-men được biểu diễn như sau:

phần theo phương ngang đóng vai trò là lực đẩy làm cho bông lau tỳ vào bề mặt kính Đối với các thông số đã được ước lượng ở trên thì giá trị lực nâng Fquad của máy bay nằm trong khoảng: Fquad = 11,6 N - 19 N Đây là lực nâng cần thiết của cả bốn chong chóng tạo ra để có thể nâng được máy bay khỏi mặt đất (Fquad ≥ P) Từ đó khối lượng của máy bay tính được trong khoảng:

quad quad quad

F

g

Hình 2-21 Phân bố lực khi đi lên của máy bay

Tương tự đối với trường hợp máy bay khi bay lên lau kính thì phương trình cân bằng lực và mô-men được biểu diễn như sau:

Từ đó, lựa chọn phương pháp lau kính theo phương đứng - hướng xuống là tối ưu

Bảng 2-2 Giá trị thiết kế ban đầu

2.4.3 Thiết kế công suất và vận tốc bay

2.4.3.1 Ước lượng khối lượng và kích thước ban đầu

Tính toán và thiết kế máy bay trực thăng bốn chong chóng là một chủ đề rất thông dụng hiện nay nên quá trình tính toán khí động tương tự với lý thuyết trực thăng Việc ước lượng khối lượng ban đầu phụ thuộc vào nhiều yếu tố như thời gian bay, mục đích,

thiết bị mang theo, vật liệu chế tạo Sau đây là bảng tham khảo một số mẫu trên thế giới

có thời gian bay, khối lượng gần giống với máy bay cần thiết kế

Bảng 2-3 Thống kê khối lượng một số mẫu trên thế giới [12]

Khối lượng (g)

Tải (g)

Thời gian bay (phút)

L

Khối lượng mang tải lúc cất cánh là: mt  m0 mPL

Bảng 2-4 Tính toán khối lượng máy bay

2.4.3.2 Ước lượng đường kính chong chóng

Theo lý thuyết chong chóng, lực đẩy chong chóng khi bay tại chỗ được tính theo công thức:

h h

T =  V S 





Trong đó: ρ (kg/m3) là khối lượng riêng của không khí tại mặt đất

Vh (m/s) là vận tốc dòng khí đi qua đĩa chong chóng

2

d S 4

Bảng 2-5 Thống kê đường kính chong chóng một số mẫu [12]

Hình 2-22 Quan hệ giữa lực đẩy và đường kính chong chóng

Dựa vào đồ thị trên, ứng với khối lượng cất cánh ban đầu ở mục 2.4.3.1 thì lực đẩy cần thiết cung cấp cho mỗi chong chóng và đường kính cần thiết để tạo ra lực đẩy khi bay tại chỗ như bảng sau

Bảng 2-6 Ước lượng đường kính chong chóng

Khối lượng m t

(kg)

Lực đẩy T h (N)

Đường kính chong chóng d prop

Ứng với trường hợp mt = 1,5 kg thì đường kính chong chóng ước tính như bảng trên

là dprop = 180 mm Sau khi tham khảo trên thị trường thì kích thước chong chóng này phù hợp với các loại động cơ có công suất lớn và kích thước máy bay cũng lớn Do đó trường hợp mt = 1,5 kg cũng không khả thi

Sau khi tham khảo một số mẫu chong chóng trên thị trường ứng với kích thước sơ

bộ ban đầu của máy bay thì chỉ có duy nhất trường hợp mt = 1,1 kg ứng với đường kính chong chóng dprop = 140 mm là khả thi

Tóm lại, dựa vào kích thước ước lượng sơ bộ ban đầu thì khối lượng mt = 1,1 kg cùng với đường kính chong chóng dprop = 140 mm là phù hợp cho thiết kế

2.4.3.3 Công suất cho trường hợp bay tại chỗ

Khối lượng tổng của máy bay là mt = 1,1 kg nên mỗi chong chóng cần cung cấp một lực đẩy đảm bảo bay tại chỗ là khoảng 0,3 kg tương đương với khoảng Th = 3 N Theo lý thuyết động lượng, vận tốc cảm ứng khi bay tại chỗ là [10]:

9 / 2

h ih

Trong đó: Th (N) là lực đẩy của mỗi chong chóng

(kg/m3

) là khối lượng riêng của không khí tại mặt đất

S (m2) là diện tích chong chóng ước lượng ban đầu

Công suất cảm ứng Pih (công suất để gia tốc dòng khí đi qua chong chóng):

27 W

ih h ih

Công suất cảm ứng là công suất cung cấp cho dòng khí gia tốc đi qua chong chóng

để tạo ra lực đẩy Trong thực tế khi động cơ hoạt động thì chúng cần cung cấp thêm công suất tổn thất do hoạt động gây ra như (tổn thất do ma sát nhớt của không khí, tổn thất do xoáy ở mũi chong chóng, tổn thất do lực cản áp suất của chong chóng khi quay) Sau khi tham khảo một số tài liệu về hiệu suất hoạt động của chong chóng thì hiệu suất của động

cơ nằm trong khoảng 0,6 - 0,8 Vì vậy, hiệu suất tính toán được chọn là: η = 0,8

Công suất thực tế cần thiết cung cấp để bay tại chỗ của mỗi chong chóng:

2.4.3.4 Công suất cho trường hợp bay lên

a) Trường hợp bay lên chậm c 0, 25

i

V V

(m/s) là vận tốc bay lên của máy bay

(m/s) là vận tốc cảm ứng trong trường hợp bay lên

(m/s) là vận tốc cảm ứng trong trường hợp tại chỗ

Bảng 2-7 Trường hợp bay lên chậm

Vận tốc

bay lên, V c

(m/s)

Vận tốc cảm ứng, V i (m/s)

Công suất cảm ứng, P i (W)

Công suất bay lên, P (W)

Công suất thực tế, P R (W)

Hình 2-23 Quan hệ công suất chong chóng và vận tốc bay lên chậm

Dựa vào đồ thị trên dễ dàng nhận thấy khi vận tốc gia tăng thì công suất của mỗi chong chóng cũng gia tăng vì thế công suất động cơ cũng tăng theo

b) Trường hợp bay lên với vận tốc bình thường c 0, 25

i

V V

33.5

34 34.5

35 35.5

36 36.5

37 37.5

Bảng 2-8 Trường hợp bay lên với vận tốc bình thường

Vận tốc bay

lên, V c

(m/s)

Vận tốc cảm ứng, V i (m/s)

Công suất cảm ứng, P i (W)

Công suất bay lên, P (W)

Công suất thực

tế, P R (W)

Hình 2-24 Quan hệ công suất chong chóng và vận tốc bay lên

2.4.3.5 Công suất cho trường hợp bay xuống

a) Trường hợp bay xuống với vận tốc thường 1, 7V i V c  2V i

Dựa vào phương trình (2-4): , là giá trị âm

Công suất chong chóng được tính như sau:

ih ih

Lúc này công suất của chong chóng là âm vì chong chóng được nhận năng lượng từ không khí để quay Vì vậy không thể chọn vận tốc bay xuống trong trường hợp này Nếu lựa chọn vận tốc đi xuống trong trường hợp này thì máy bay bị mất điều khiển vì động cơ tắt hoàn toàn nên không tạo ra công suất

b) Trường hợp bay xuống với vận tốc thấp c 1, 7

ih

V V

Vì vậy vận tốc đi xuống trong trường hợp này được lựa chọn Khi đó máy bay vẫn

có thể được điều khiển bằng công suất động cơ

Hình 2-25 Quan hệ vận tốc cảm ứng và vận tốc bay xuống [10]

Dựa vào biểu đồ trên thì tỷ số vận tốc bay xuống so với vận tốc cảm ứng khi bay tại chỗ có thể được chọn trong khoảng từ 0 - 1,7 Công suất cảm ứng của chong chóng gia tăng khi vận tốc bay xuống gia tăng nên vận tốc cảm ứng cũng tăng theo Nhưng khi qua điểm c 1, 7

h

V

V  thì vận tốc cảm ứng giảm một cách nhanh chóng từ đó dẫn tới công suất cung cấp của chong chóng cũng giảm nhanh và chuyển qua trạng thái nhận năng lượng từ không khí dẫn tới công suất âm

Nhưng trong trường hợp bay xuống thì lý thuyết động lượng thẳng không được áp dụng mà việc xác định vận tốc cảm ứng một cách tương đối từ giản đồ thực nghiệm được xây dựng bởi các thí nghiệm trong hầm gió Theo đồ thị, các giá trị giữa vận tốc bay xuống với vận tốc cảm ứng được trình bày như bảng dưới Cứ một giá trị c

ih

V

V thì có một giá trị i

ih

V

V