Thiết kế máy bay trực thăng tải trọng nhẹ HUST

Máy bay trực thăng là loại khí cụ bay được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không dân dụng và trong quân sự.Do những tính chất đặc biệt của máy bay trực thăng: bay lên và hạ cánh theo phương thẳng đứng, bay treo không trung, … cho phép ta thực hiện những nhiệm vụ mà các khí cụ bay khác không thể thực hiện được

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

-BÁO CÁO CUỐI KỲ CÁC HỆ THỐNG TRÊN MÁY BAY I

Chủ đề: Thiết kế máy bay trực thăng tải trọng 15kg – 30kg

GVHD: TS Phạm Gia Điềm

Mã lớp: 124531 Nhóm sinh viên thực hiện:

Hà Nội, 7/2021

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN SƯ PHẠM KỸ THUẬT

-BÁO CÁO CUỐI KỲ CÁC HỆ THỐNG TRÊN MÁY BAY I

Chủ đề: Thiết kế máy bay trực thăng tải trọng 15kg – 30kg

Điểm Nhận xét, đánh giả của giảng viên

GVHD: TS Phạm Gia Điềm

Mã lớp: 124531 Nhóm sinh viên thực hiện

Hà Nội, 7/2021

Mục Lục

I Tổng quan về máy bay trực thăng 4

II Sơ lược về sản phẩm 7

a. Tổng

quan 7

b. Ứng dụng 8

c. Thông số 10

III Hệ thống điều khiển tự động 10

a. Giới thiệu 10

b. Đặc điểm kỹ thuật 11

IV Tính toán động cơ 13

a. Tổng quan về động cơ hàng không 13

b. Động cơ máy bay trực thăng 15

c. Chọn động cơ cho máy bay trực thăng mô hình 18

V Vật liệu chế tạo 20

I. Tổng quan về máy bay trực thăng

Máy bay trực thăng là loại khí cụ bay được sử dụng rộng rãi trong ngành hàng không dân dụng và trong quân sự.Do những tính chất đặc biệt của máy bay trực thăng: bay lên và hạ cánh theo phương thẳng đứng, bay treo không trung, … cho phép ta thực hiện những nhiệm vụ mà các khí cụ bay khác không thể thực hiện được

- Các bộ phận chính của máy bay trực thăng:

+ Chong chóng mang: được truyền chuyển động từ động cơ

+ Thân máy bay: dùng để bố trí phi hành đoàn, hành khách, thiết bị hàng hóa + Càng: để đáp hoặc di chuyển trên địa hình thích hợp

+ Chong chóng lái: đảm bảo sự cân bằng trên đường bay và điều khiển đường bay của máy bay

+ Động cơ: truyền chuyển động cho chong chóng lái, chong chóng mang và các thiết bị khác

+ Hệ thống truyền động: truyền momen xoắn từ động cơ đến chong chóng mang

và chong chóng lái

- Nguyên lí hoạt động

+ Cánh quạt chính:

Cánh quạt chính tạo ra lực nâng thắng trọng lực để nâng máy bay lên trong

không gian

Thay đổi mặt phẳng quay của cánh quạt sẽ giúp máy bay tiến về phía trước + Cánh quạt đuôi:

Cánh quạt đuôi hết sức quan trọng vì theo định luật bảo toàn momen xung lượng, khi cánh quạt chính quay theo chiều kim đồng hồ thì phần còn lại của

máy bay sẽ có xu hướng quay theo chiều ngược lại

Ngoài ra, nhờ việc thay đổi công suất của cánh quạt đuôi mà máy bay có thể

chuyển hướng sang phải, sang trái dễ dàng

II. Sơ lược về sản phẩm

a. Tổng quan

- Máy bay trực thăng UVH 170 là loại máy bay trực thăng hạng công nghiệp với động cơ xăng bốn kỳ, được trang bị kim phun và một máy phát – bộ khởi động

- Điều khiển từ xa thông qua bộ kết nối mạng không dây

- Được thiết kế đặc biệt với khả năng làm mát động cơ tốt hơn để hoạt động trong các môi trường khác nhau

b. Ứng dụng

- Ghi hình theo dõi và giám sát

- Vận chuyển các thiết bị, tải trọng

- Khảo sát địa hình, thời tiết

c. Thông số

Tốc độ trung bình 60 km/h

Khoảng cách giữa 2 càng 875 mm

Tiêu hao nhiên liệu 2.5 l/h

Tải trọng cất cánh tối đa 45 g

III. Hệ thống điều khiển tự động

a. Giới thiệu

Hệ thống điều khiển tự động AP 10.2 (áp dụng cho các UAV có trọng lượng cất cánh từ 15kg – 100kg) AP 10.2 là hệ thống được thiết kế để kiểm soát một nền tảng trong không khí một cách tự động, bán tự động hoặc bằng tay Nó thiết kế cho các mô hình nhỏ và có ưu điểm là giảm tiêu thụ năng lượng, thu gọn được cấu hình Hệ thống có thể cài đặt cho các nền tảng sau: máy bay tiêu chuẩn để có thể

cẩ và hạ cánh tự động; cánh quạt để cất và hạ cánh tự động; bóng bay và khinh khí cầu; USV (thuyền); UGV (ô tô)

b. Đặc điểm kỹ thuật

Các tín hiệu được giao tiếp thông qua dây dẫn, cổng RS-232, cổng RS-485, mạch chuyển giao tiếp TTL UART, CAN

Các tính năng chính của AP 10.2: kích thước nhỏ và nhẹ; bảo vệ ESD; thành phần, công nghệ tiên tiến hàng đầu; tính toán chết chóc, chuyến bay và điều hướng khi không có GPS; cất cánh và hạ cánh tự động; điều khiển cơ chế bay/vận hành; chế độ khẩn cấp; kiểm soát tải trọng; chế độ mô phỏng mặt đất, mô phỏng chuyến bay; kiểm soát và giám sát nguồn điện trên bo mạch; ổn định điện năng; phân phối, bao gồm cả chế độ cung cấp điện

Thông số kỹ thuật của hệ thống AP 10.2: 12 cảm biến servo (đầu ra PWM);

12 đầu vào cảm biến RPM; giao diện 1 dây; giao diện TTL UART; giao diện RS-485; mạch vùng điều khiển; giao diện RS-232; 4 công suất đầu ra chuyển tiếp chủ động (4.7A, 27V, 63mOhm); 12 đầu vào kỹ thuật số; 12 đầu vào-đầu ra mục đích chung

Nhiệt độ hoạt đông Đánh giá IP Vật liệu Kết nối

-40°C - 60°C IP67 Hợp kim nhôm Harwin m300-3240696M1

Amphenol PTO2E14-19P Amphenol PT02E8-4P Harwin M80-9420605

7-27V Cổng logic trên tất cả các

chân IO kỹ thuật số

Bảo vệ ESD Bảo vệ phân cực

nguồn điện

- Cấu hình AP 10.2 cho máy bay trực thăng:

- Các mô đun cơ bản của hệ thống AP 10.2

Bộ đo tích hợp mini:

đo các chỉ số trên

không

GPS: định vị trên

không máy bay

Hệ thống cứu trợ khẩn

cấp: tự động cứu trợ

máy bay khi gặp sự cố

trên không

Pitot tube: đo vận tốc

của máy bay

Bộ xử lý trung tâm:

nơi thu, phát, xử lý các

tín hiệu

IV. Tính toán động cơ

a. Tổng quan về động cơ hàng không

Các động cơ phản lực ngày nay rất phong phú và đa dạng, nhưng đều hoạt động theo một nguyên tắc chung: năng lượng đốt cháy nhiên liệu trong động cơ được biến đổi để cung cấp động năng cho dòng không khí và tạo ra lực đẩy, lực đẩy này theo nguyên lý biến thiên động lượng của dòng không khí Lực đẩy có thể được tạo ra bởi chính dòng khí mà động cơ được sử dụng (Turbojet), có thể là không khí có sẵn ở xung quanh (Turboprop) hoặc được dự trữ trong thân trên như tên lửa (Rocket)

Động cơ phản lực được chia thành hai loại: động cơ phản lực Tua bin khí (Air-breathing) và động cơ phản lực không Tua bin khí (Non Air-breathing) Động

cơ phản lực Tua bin khí như: Turbojet, Turbofan, Ramjet, Turboprop, Turboshaft engine Động cơ phản lực loại không Tua bin khí như: Rocket motors, nuclear propulsion systems, electronic propulsion systems

Nguyên lý hoạt động của động cơ Tua bin Máy nén khi quay làm không khí

từ cửa hút của máy nén được nén lại để tăng áp suất Trong quá trình đó, không chỉ

áp suất tăng mà nhiệt độ cũng tăng (ngoài ý muốn) Đây là quá trình tăng nội năng không khí trong máy nén Sau đó không khí chảy qua buồng đốt, tại đây nhiên liệu

(dầu) được đưa vào để trộn và đốt một phần không khí, quá trình cháy là quá trình gia nhiệt đẳng áp trong đó không khí bị gia nhiệt tăng nhiệt độ và thể tích mà không tăng áp suất Thể tích không khí được tăng lên rất nhiều và có nhiệt độ cao được thổi về phía Tuốc bin với vận tốc rất cao Tuốc bin là khối sinh công, tại đây không khí tiến hành giãn nở sinh công, nội năng biến thiên thành cơ năng Áp suất, nhiệt độ và vận tốc không khí giảm xuống biến thành năng lượng cơ học dưới dạng momen tạo chuyển động quay cho trục tuốc bin Tuốc bin quay sẽ truyền momen quay máy nén cho động cơ tiếp tục làm việc Phần năng lượng còn lại của dòng khí nóng chuyển động với vận tốc cao tiếp tục sinh công có ích tùy thuộc theo thiết kế của từng dạng động cơ: phụt thẳng ra tạo phản lực nếu là động cơ phản lực của máy bay; hoặc quay tuốc bin tự do (không nối với máy nén khí) để sinh công năng hữu dụng đối với các loại động cơ tuốc bin khác

b. Động cơ máy bay trực thăng

Đối với máy bay trực thăng, người ta thường sử dụng động cơ Turboshaft Động cơ Turboshaft là một dạng tua bin khí được tối ưu hóa để tạo ra sức mạnh trục chứ không phải lực đẩy phản lực Về khái niệm, động cơ Turboshaft rất giống

với Turbojets, với việc mở rộng tua bin bổ sung để trích xuất nhiệt năng từ khí thải

và chuyển nó thành công suất trục đầu ra

Sơ đồ thể hiện hoạt động của một động cơ Turboshaft Một động cơ Turboshaft có thể được tạo thành từ hai cụm bộ phận chính: “bộ tạo khí” và “bộ phận công suất” Máy tạo khí bao gồm máy nén, buồng đốt với bộ đánh lửa và vòi phun nhiên liệu và một hoặc nhiều tầng của tuabin Phần công suất bao gồm các giai đoạn bổ sung của tuabin, hệ thống giảm tốc bánh răng và đầu ra trục Máy tạo khí tạo ra các khí nở nóng để dẫn động phần công suất Tùy thuộc vào thiết kế, các phụ kiện động cơ có thể được đẫn dộng bởi bộ tạo ra khí hoặc bộ phận nguồn

Trong hầu hết các thiết kế, bộ tạo khí và bộ phận nguồn được tách việt về mặt

cơ khí nên chúng có thể quay với các tốc độ khác nhau phù hợp với các điều kiện, được gọi là “tuabin công suất tự do” Tuabin công suất tự do có thể là một tính năng thiết kế cực kỳ hữu ích, vì nó cho phép thiết kế loại bỏ trọng lượng và chi phí của hộp số và ly hợp nhiều tỷ số phức tạp

- Xét máy bay ở chế độ treo, tính toán Static thrust Khi đó, T=P (P: trọng lượng máy bay và tải)

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

- Tại mặt phẳng cánh quạt, vận tốc dòng khí là , vận tốc khí ra khỏi cánh quạt

là w, trong trường hợp lý tưởng: Với vi =

⇒

Vì T=P => P = Ta có:

- Sơ bộ, ta có trọng lượng máy bay là 30kg với tải payload 30kg → P=60kg Xem sự làm việc của cánh quạt lý tưởng (hiệu suất = 100%) nên có thể coi

công của động cơ tiêu thụ để quay cánh quạt chỉ chuyển thành công đẩy không khí Ta có công suât lý tưởng động cơ:

Nđc=T.vi => Nđc = 3956(W)

c. Chọn động cơ cho máy bay trực thăng mô hình

Qua tính toán công suất, nhóm chọn động cơ FM 170 B2-FS của công ty Fiala PROP làm động cơ chính của máy bay trực thăng

- Đặc trưng:

+ Động cơ được trang bị hệ thống phun xằn 95-Octane + Valvoline 2T

SynPower 30:1

+ Công suất động cơ tối đa: 9.3 HP (6.8 kW)

+ Công suất động cơ danh nghĩa: 6.1 HP (4.5 kW)

+ Mức tiêu thụ nhiên liệu: 320 g/kWH

+ Làm mát không khí cưỡng bức

+ Được trang bị máy phát điện khởi động, động cơ xoay chiều 27V 3 pha Công suất mát phát điện 500W lên đến 4800 vòng/phút

+ Tổng trọng lượng động cơ với ECU: 8.5 kg

+ Nhiệt độ hoạt động CHT tối đa: 165°C

- Biểu đồ mối quan hệ Công suất đến Momen (15°C, áp suất Atm.1013mbar):

V. Vật liệu chế tạo

- Khung máy bay và càng đáp: sử dụng hợp kim nhôm A6061

+ Bảng tính chất vật lý của hợp kim nhôm A6061

Khối lượng riêng 2.72 g/cm3

Nhiệt độ nóng chảy 650°C

Sự dãn nở nhiệt 23.4x10-6/K

+ Bảng tính chất cơ học của hợp kim nhôm A6061

+ Đặc điểm của hợp kim nhôm A6061: nhẹ; có độ bền cao, chịu tác động từ môi trường tốt; không bị han gỉ, oxy hóa, khả năng chống ăn mòn cao; dễ gia công

và dễ hàn

+ Khối lượng dự kiến: 12kg

- Vỏ máy bay: sử dụng Carbon Fiber Epoxy

+ Bảng thông số vật liệu Carbon Fiber Epoxy

Đặc điểm Giá trị Đơn vị Đặc điểm Giá trị Đơn vị Lượng thể

tích sợi

Elasticity

185000 N/mm

Lượng

nhựa

Shear Strength

Content of Fiber

Độ bền kéo 2900 Mpa Hệ số

Poisson

0.25

Modun đàn

hồi

Percentage