Thiết kế máy bay chong chóng chở người City Airbus HUST

Trong dựán này, bọn em có tham khảo rất nhiều nguồn cũng như theo sựgợi ý của thầy, bọn emđã quyết định sửdụng hai mẫu taxi bay đang được phát triển đó chính là Cityairbus 1và Elipsport Air 2làm nguồn tham khảo thiết kếchính, ngoài ra còn rất nhiều nguồn khác liên quan đến từng bộphận trên máy bay, dựán mới chỉlà bước tiếp cận sơ khai đến những khía cạnh cơ bản của một chiếc máy bay nhiều chong chóng chởngười và còn rất nhiều yếu tốảnh hưởng đã được lược bỏvà còn rất nhiều hướng đểphát triển cũng như tối ưu.

CÁC HỆ THỐNG TRÊN MÁY BAY 1 GVHD: TS PHẠM GIA ĐIỀM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

BÁO CÁO CÁC HỆ THỐNG TRÊN MÁY BAY

Chủ đề: Máy bay nhiều chong chóng chở người

Giảng viên hướng dẫn: TS Phạm Gia Điềm Nhóm sinh viên thực hiện:

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 4

Chương 1 : Giới thiệu chung 4

Chương 2 : Các thiết kế hình học cơ bản 6

Chương 3 : Thiết kế cánh quạt 9

Chương 4 : Lựa chọn động cơ 12

Chương 5 : Lựa chọn pin 15

Chương 6 : Khung và dầm 19

Chương 7 : Vỏ máy bay 23

Chương 8 : Kính chắn gió 24

Chương 9 : Các hệ thống 25

Chương 10 : Các xu hướng tối ưu 29

Chương 11 : Tổng kết 30

Bibliography 31

Danh sách hình ảnh

Hình 1.1: Các thông tin cơ bản về Cityairbus 5

Hình 1.2: Hình ảnh của máy bay cá nhân hang Elipsport Air[3] 5

Hình 2.1: Các kích thước cơ bản của trực thăng Bell Model 206A JetRanger [4] 7

Hình 2.2: Hình chiếu đứng của máy bay nhiều chong chóng chở người do bọn em thiết kế 7

Hình 2.3: HÌnh chiếu bằng của máy bay nhiều chong chóng chở người do bọn em thiết kế 8

Hình 2.4: Hình chiếu cạnh máy bay nhiều chong chóng chở người do bọn em thiết kế 8

Hình 2.5: Hình chiếu trục đo máy bay nhiều chong chóng chở người do bọn em thiết kế 9

Hình 3.1: HÌnh ảnh minh họa biên dạng profile NACA0015 [6] 10

Hình 3.2: Đồ thị hệ số lực nâng theo góc tấn [6] 11

Hình 4.1: Công thức tính lực đấy của cánh quạt máy bay [7] 13

Hình 4.2:Bản vẽ của động cơ REB60 [8] 14

Hình 4.3: Hình ảnh thực tế của động cơ REB60 [8] 15

Hình 5.1: Hình ảnh minh họa cách lắp mạch các pin 18

Hình 5.2: HÌnh ảnh minh họa cách thức làm mát hệ thống pin “hình con rắn” của Tesla [9] 19

Hình 6.1: Kích thước khung máy bay 20

Hình 6.2: Kích thước khung máy bay (tiếp) 20

Hình 6.3: Điều kiện biên của mô phỏng ( các vị trí ngàm) 21

Hình 6.4: Kết quả mô phỏng (chuyển vị) đối với vật liệu nhôm 22

Hình 6.5: Kết quả mô phỏng (chuyển vị) đối với vật liệu composite 23

Hình 7.1 Các thông số vật liệu của Airloyx120 series [10] 24

Hình 9.1: Nguyên lý điều khiển Quadrotor 25

Hình 9.2: Sơ đồ mạch 26

Hình 9.3 Bộ điều khiển motor [8] 27

Hình 9.4: Bộ cân bằng pin [8] 28

LỜI NÓI ĐẦU

Trong xã hội ngày càng phát triển, với quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa đang là xu hướng của xã hội hiện nay Khoa học kỹ thuật tuy phát triển nhưng lại đi kèm sự đô thị hóa của các thành phố lớn, khiến các thành phố lớn trở nên ngày càng đông đúc Một phương thức di chuyển mới để tận dụng được khoảng không to lớn phía trên đã và đang được phát triển để vừa giải quyết các vấn đề đi kèm đô thị hóa, vừa cung cấp một phương tiện thân thiện với môi trường Và máy bay chở người trong đô thị là một trong những ý tưởng đầu tiên mà con người nghĩ đến Trong các cuốn truyện giả tưởng, các hình mẫu về một mạng lưới di chuyển trên không trong thành phố đã xuất hiện từ rất lâu, tuy nhiên, càng ngày, viễn cảnh tưởng như chỉ có trong truyện này càng hiện rõ ra với sự phát triển của các công nghệ liên quan Và

đó là lí do nhóm em đã chọn chủ đề phát triển một loại máy bay nhiều chong chóng chở người

Chương 1: Giới thiệu chung

1.2 Cách tiếp cận

Trong dự án lần này, bọn em đã thiết kế bộ khung và vỏ phỏng theo thiết kế của Cityairbus và Elipsport Air, và nhiều các bộ phận khác sử dụng những công nghệ tương đối tối tân để đạt được mục đích mà không chú trọng quá nhiều vào tính kinh

tế của các bộ phận và nhường phần tối ưu cho các dự án sau này

Hình 1.1: Các thông tin cơ bản về Cityairbus

Hình 1.2: Hình ảnh của máy bay cá nhân hang Elipsport Air [3]

1.3 Các điều kiện và dữ kiện đầu vào

Máy bay do bọn em thiết kế sẽ hoạt động khoảng 15 đến 30m phía trên mặt đất và được thiết kế để có thể chở được một người với tải trọng tối đa là 200kg Thời lượng bay dự kiến với 4 cục pin lithium-ion lớn là 15 phút Máy bay sẽ sử dụng 4 cánh

quạt không thay đổi được góc đặt cánh với ống bao ở ngoài và được làm từ composite Mỗi cánh quạt sẽ được gắn với một động cơ điện cảm ứng công suất 45kw Đặc biệt, chiếc máy bay này hoạt động hoàn toàn bằng điện nên rất thân thiện với môi trường ngoài ra việc không sử dụng kết cấu cơ khí cũng làm giảm đi khối lượng của máy bay

Chương 2: Các thiết kế hình học cơ bản

2.1 Các kích thước cơ bản thân máy bay

- Độ rộng buồng lái: 0.9m

- Độ rộng thân: 1.4m

- Thể tích buồng lái: 6m3

Đây đều là các kích thước được tham khảo từ mẫu Cityairbus nhưng vì Cityairbus

là một chiếc taxi bay có khả năng chở được 4 người trong khi máy bay do bọn em thiết kế chỉ cần chở một người nên bọn em đã hiệu chỉnh lại để cho phù hợp

2.2 Hệ thống càng đáp

Vì máy bay của em là máy bay nhiều chong chóng nên nó sẽ có những đặc tính tương đối giống với máy bay trực thăng (cùng là máy bay lên thẳng) nên hệ thống càng đáp được bọn em tham khảo từ model máy bay trực thăng, cụ thể là dựa máy bay trực thăng Bell Model 206A JetRanger (càng cứng không thu lại được), được điều chỉnh lại phù hợp với phương tiện bay đang thiết kế

Kích thước

+ Rộng: 1.4 m

+ Độ cao: 0.3 m

+ Độ dài: 2.53 m

Hình 2.1: Các kích thước cơ bản của trực thăng Bell Model 206A JetRanger [4] 2.3 Các kích thước bao của máy bay

Các kích thước này tham khảo CityAirbus và đã hiệu chỉnh để cho 1 người ngồi

Hình 2.2: Hình chiếu đứng của máy bay nhiều chong chóng chở người do bọn em

thiết kế

Hình 2.3: HÌnh chiếu bằng của máy bay nhiều chong chóng chở người do bọn em

thiết kế

Hình 2.4: Hình chiếu cạnh máy bay nhiều chong chóng chở người do bọn em thiết

kế

Hình 2.5: Hình chiếu trục đo máy bay nhiều chong chóng chở người do bọn em

thiết kế

Chương 3: Thiết kế cánh quạt

3.1 Lựa chọn loại cánh quạt

Thông thường, có 3 loại cánh quạt

Ngoài ra bọn em quyết định sẽ thêm cho cánh quạt của chiếc máy bay ống bao nhằm đảm bảo độ an toàn không chỉ cho người ngồi mà còn là cho bản thân cánh quạt, tăng sự ổn định, và theo các nghiên cứu thì ống bao còn có chức năng làm tăng lực nâng được tạo ra bởi cánh quạt

3.2 Lựa chọn số cánh quạt

Trong các máy bay trực thăng, số lượng cánh quạt thay đổi từ 2 cho đến rất nhiều cánh, và số lượng cánh quạt càng tăng, tức hệ số điền đầy sẽ càng cao, sẽ cho chúng

ta một hiệu suất lực nâng cao hơn rất nhiều, tuy nhiên, cứ tăng thêm một cánh, khối lượng lại tăng lên một cách đáng kể, và chính vì vậy, ta cần phải chọn số lượng cánh quạt sao cho đảm bảo được yêu cầu về mặt khối lượng của máy bay nhưng vẫn tối

ưu hóa được lực nâng

Từ đó bọn em chọn được số cánh quạt là 3 ( cùng số cánh với Eurocopter AS350 Astar B3 [5])

3.3 Lựa chọn profile cánh quạt

Các profile cánh quạt có thể chia làm hai loại chính là profile đối xứng và profile không đối xứng Trong khi profile không đối xứng đã được chứng minh trong nhiều bài báo là có hệ số lực nâng tốt hơn so với profile đối xứng tuy nhiên về độ ổn định thì không thể sánh bằng vì đặc trưng của profile đối xứng là tâm áp của profile luôn nằm ở vị trí ¼ dây cung trong khi tâm áp của profile không đối xứng thì lại thay đổi tùy thuộc vào sự thay đổi của góc tấn gây khó khăn trong việc cân bằng máy bay Vậy nhóm bọn em đã lựa chọn loại profile đối xứng

Ngoài ra, sau khi tham khảo các loại trực thăng, bọn em đã lựa chọn NACA0015 ( được sử dụng trong trực thăng Bell 204 UH – 1)

Hình 3.1: HÌnh ảnh minh họa biên dạng profile NACA0015 [6]

Hình 3.2: Đồ thị hệ số lực nâng theo góc tấn [6]

3.4 Bán kính cánh quạt

Lựa chọn bán kính quét Rt = 1.4m tham khảo chiều dài cánh quạt của Cityairbus

Từ đó ta tìm được bán kính quét hiệu dụng cho Axial flow impeller: Bán kính hiệu dụng

rm = √rh

2 +rt22

Bảng 3.1: Các thông số thiết kế của cánh quạt

Chương 4: Lựa chọn động cơ

4.1 Tính toán lực nâng

Xét máy bay trong chế độ bay treo, tính toán Static thrust

Khi đó, T=P

Với P là trọng lượng của toàn bộ máy bay và con người

Sử dụng lý thuyết mô-men động lượng để tính toán cho cánh quạt trong ống bao với vận tốc đầu vào và ra khỏi ống bao Coi vận tốc đầu vào vo = 0

Tại mặt phẳng cánh quạt, vận tốc dòng khí là vi , vận tốc khí ra khỏi cánh quạt là w, trong trường hợp lý tưởng:

Sơ bộ, ta lấy P = 780kg ( đã bao gồm tải trọng 200kg)

Vì ta xem xét sự làm việc của cánh quạt lý tưởng ( hiệu suất bằng 100%) nên có thể coi công của động cơ tiêu thụ để quay cánh quạt chỉ chuyển thành công đẩy không khí Ta có: vì sử dụng 4 động cơ nên

=> Nđc = 𝑃√ 𝑃

32𝜌𝐴 = 44340(W)

Hình 4.1: Công thức tính lực đấy của cánh quạt máy bay [7]

Từ những tính toán trên ta có thể lựa chọn được động cơ

Theo như tìm hiểu thì hãng MGM COMPRO là một hãng chuyên bán động cơ điện cho máy bay điện được thành lập từ năm 1990 Hãng này là đối tác với rất nhiều cơ quan chuyên về hàng không như Airbus, Nasa, Siemens Từ trang của hãng này, ta

có thể tìm được động cơ điện ba pha ở đủ các sự lựa chọn về công suất từ nhỏ tới lớn Theo như công suất yêu cầu cho máy bay mà bọn em đã tìm được ở trên, bọn

em đã quyết định lựa chọn loại động cơ REB60 của hãng này

Bảng 4.1: Bảng các thông số kỹ thuật của động cơ REB60 [8]

Hình 4.2:Bản vẽ của động cơ REB60 [8]

Type Voltage Continuous /

Peak power

Working rotation

Max torque

250 Nm 15140

g

Air/Hybrid (air

+ fluid)

Hình 4.3: Hình ảnh thực tế của động cơ REB60 [8]

Chương 5: Lựa chọn pin

5.1 Loại Pin:

Giới thiệu về Pin Li-Ion: Ra mắt thị trường lần đầu vào năm 1991, Li-Ion Ion) là loại pin được dùng phổ biến cả trên thiết bị điện tử, y tế, xe điện, hàng không, quân đội

(Lithium-Khái niệm: Là loại pin có thể sạc đi sạc lại nhiều lần, Li-Ion phổ biến nhờ các ưu điểm như mật độ năng lượng lớn (dung lượng lớn trên kích thước pin nhỏ), ít bị tự

xả (giữ năng lượng lâu), thân thiện môi trường hơn các công nghệ cũ

Nguyên tắc hoạt động: Li-Ion hoạt động trên nguyên tắc trao đổi ion Li giữa 2 điện cực để sạc, xả điện và sử dụng một dung dịch điện ly làm môi trường Việc các nhà sản xuất pin sử dụng chất liệu gì cho 2 đầu cực (Niken, Graphite, Silicon ) cũng như dung dịch điện ly sẽ có ảnh hưởng đến hiệu năng, số lần sạc, độ an toàn, kích thước pin, chi phí

Độ an toàn và tuổi thọ của pin Li-Ion

• Như đã nói ở trên việc sử dụng chất liệu của nhà sản xuất sẽ ảnh hưởng đến

độ an toàn và chai pin Tuy nhiên, dung dịch điện ly là một chất rất dễ cháy,

bạn có thể thấy loại pin này đều được bao bọc kĩ bằng một lớp vỏ kim loại kín

• Nhiệt độ cũng là một trong những nguyên nhân, theo khuyến nghị pin Li-Ion

sẽ hoạt động tốt nhất được sạc ở khoảng nhiệt độ 5 - 45 độ C Trong quá trình sạc, nếu nhà sản xuất cố tình đẩy cao điện áp đầu vào sẽ làm giảm tuổi thọ pin nhanh chóng

• Với những tính chất như trên, pin Lithium-ion là một sự lựa chọn phù hợp để cấp năng lượng cho các động cơ của máy bay nhiều chong chóng chở người Trong quá trình tìm hiểu thì em có biết đến một loại pin đang được sử dụng bởi hãng ô tô điện nổi tiếng nhất thế giới là Tesla Đó chính là pin Li-ion NCR21700A hiện đang được sử dụng trong mẫu xe Tesla model 3 Sau đây chính là những thông

số của loại pin này:

Hiệu điện thế:

Trung bình: 3.6V

Sạc đầy: 4.2 V

Hết pin: 3.0 V

Dung lượng: 5000mAh

Chiều dài 70mm, rộng 21mm (đường

kính)

Cân nặng 70g Dải nhiệt độ hoạt động:

Sạc: 0 - 45 độ C

Sử dụng: 20 – 75 độ C Bảo quản: 5 – 35 độ C

5.2 Lựa chọn số lượng và lắp đặt Pin

Động cơ điện có công suất mỗi động cơ là 45kW, mà có 4 động cơ nên sẽ là:

P=4*45kW=180 kW

Mỗi pin lớn sẽ cung cấp năng lượng cho 1 động cơ để có thể hoạt động Với thời gian bay là 15 phút, để cấp điện cho động cơ điện REB60 với các yêu cầu

về điện như sau:

Mỗi viên pin có: U= 3.6V

=> Ta cần: 800/3.6= 222.2 viên mắc nối tiếp, làm tròn thành 223

Vậy mỗi Pin lớn sẽ gồm: 669 viên pin

Ta thiết kế thêm hệ thống pin phụ được nối với cả 4 động cơ, để chạy trong trường hợp khẩn cấp

=> Sử dụng 4 cục pin phụ, mỗi cục pin gồm 223 cell pin mắc nối tiếp, mỗi cục nối với 1 động cơ

=> Chạy được 5 phút trong điều kiện khẩn cấp

Hình 5.1: Hình ảnh minh họa cách lắp mạch các pin Vậy tổng cộng cần:

223 x 3 x 4 = 2676 viên pin

Thêm hệ thống phụ: cần 223x4 = 892 viên pin

Tổng khối lượng pin cần là: 249.76kg

5.3 Hệ thống làm mát cho pin

Vì Pin lithium-ion chỉ hoạt động hiệu quả và an toàn ở một khoảng nhiệt độ nhất định, trong khi với đòi hỏi công suất cao như các động cơ đã chọn, khả năng pin quá nhiệt là khá cao, vì vậy hệ thống làm mát cho pin là cần thiết

Lựa chọn hệ thống làm mát Bandolero cũng của hãng Tesla được sự dụng trong xe điện Tesla model 3, đây là hệ thống làm mát tương đối tân tiến dù sắp tới đây, xe điện của Tesla sẽ sử dụng một hệ thống làm mát mới ( hiện đang được phát triển)

Hệ thống làm mát pin bao gồm một ống làm mát, luồn qua bộ pin và mang theo một dòng dung dịch nước và glycol làm mát, tiếp xúc nhiệt với các pin thông qua bề mặt

của chúng bằng vật liệu truyền nhiệt, vật liệu truyền nhiệt ở đây sử dụng là cao su Đây là hệ thống làm mát cho bề mặt xung quanh của pin, tuy là không hiệu quả bằng phương pháp làm mát hai đầu trên lí thuyết, tuy nhiên hệ thống làm mát hai đầu chưa được tối ưu ( hiện đang được phát triển bởi Tesla)

Thiết kế là các rãnh lượn sóng cho phép tiếp xúc tối đa giữa các mặt pin trên và tăng hiệu suất

Hình 5.2: HÌnh ảnh minh họa cách thức làm mát hệ thống pin “hình con rắn” của

Tesla [9]

Chương 6: Khung và dầm

6.1 Lựa chọn vật liệu khung

Trong dự án của bọn em, bọn em sẽ đưa ra so sánh giữa hai loại vật liệu

Hợp kim nhôm: Chịu lực, chịu nhiệt, chịu tác động từ môi trường tốt, nhẹ, có độ bền

Composite: trọng lượng nhẹ, độ bền cao, chịu nhiệt, chịu tác động từ môi trường tốt,

dễ gia công, tạo hình, sửa chữa, kháng ăn mòn, kháng hóa chất tốt

6.2 Lựa chọn kết cấu khung

+ Khung chịu lực:

Dầm chữ I: hình dạng tối ưu để chống uốn

Trong đó:

Dầm chữ I 250x125x38 được chọn làm thanh dầm kết nối các động cơ

Dầm chữ I 180x100x24 được chọn làm khung của thân máy bay ( bao gồm khung chữ nhật bên trên và bên dưới

+ Khung định hình (3 khung cách nhau 800mm)

Ống vuông kim loại: kích thước 50x50x50

Độ bền cao, rỗng, thành mỏng nhưng chịu được áp lực cao

Chịu nhiệt, chịu lực, chống gỉ, chống ăn mòn tốt

+ Các kích thước của khung được tính toán theo các kích thước cơ bản của máy bay

đã chọn ở phía trên

Hình 6.1: Kích thước khung máy bay

Hình 6.2: Kích thước khung máy bay (tiếp) 6.3 Mô phỏng

6.3.1 Phương thức

Trong dự án lần này, bọn em đã tìm hiểu cách sử dụng Ansys Mechanical để mô phỏng khung và dầm của máy bay cho hai vật liệu đã nêu để có thể đánh giá mức độ

an toàn của bộ khung đã thiết kế

6.3.2 Thông số đầu vào và điều kiện biên

Mô phỏng: Static structural Analysis systems

4 Thông số đầu vào:

Lực nâng mỗi động cơ là 2000N; đặt tại điểm gắn động cơ

Các ngàm (fix support) được đặt tại vị trí gắn càng đáp: 3 ngàm

Hình 6.3: Điều kiện biên của mô phỏng ( các vị trí ngàm) 6.3.3 Kết quả

a Nhôm 7075:

- Khối lượng: ≈ 309kg

- Chuyển vị lớn nhất: 12,517mm

- Các thanh dầm quanh ngàm và khung dưới gần như không có chuyển vị

Hình 6.4: Kết quả mô phỏng (chuyển vị) đối với vật liệu nhôm

Tuy nhiên nếu làm bằng nhôm thì khối lượng khung lại rất lớn Vượt quá giới hạn

đã đề ra

b Composite

Chuyển vị lớn nhất là 29,451mm; các thanhdầm quanh ngàm và khung dưới gần như không có chuyển vị