Khảo sát chế độ hạ cánh thẳng đứng xác định trạng thái xoáy vòng của cánh quay trực thăng ba khớp

Trên cơ sở mô hình khí động lực cánh quay (CQ) trực thăng (TT) ba khớp và chương trình tính toán đã xây dựng, bài báo trình bày một số kết quả khảo sát đặc tính khí động lực cánh quay ở chế độ hạ cánh thẳng đứng (HCTĐ). Xác định trạng thái xoáy vòng và ảnh hưởng của nó đến đặc tính cánh quay.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Khảo sát chế độ hạ cánh thẳng đứng xác định trạng thái xoáy vòng của cánh quay trực thăng ba khớp Nghiên cứu khoa học công nghệ KHẢO SÁT CHẾ ĐỘ HẠ CÁNH THẲNG ĐỨNG XÁC ĐỊNH TRẠNG THÁI XOÁY VÒNG CỦA CÁNH QUAY TRỰC THĂNG BA KHỚP Nguyễn Khánh Chính1*, Phạm Vũ Uy 2 Tóm tắt: Trên cơ sở mô hình khí động lực cánh quay (CQ) trực thăng (TT) ba khớp và chương trình tính toán đã xây dựng, bài báo trình bày một số kết quả khảo sát đặc tính khí động lực cánh quay ở chế độ hạ cánh thẳng đứng (HCTĐ). Xác định trạng thái xoáy vòng và ảnh hưởng của nó đến đặc tính cánh quay. Từ khóa: Cánh quay trực thăng; Động lực học cánh quay; Phương pháp xoáy rời rạc; Vẫy; Lắc; Xoáy vòng. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Máy bay TT hay máy bay lên thẳng là các thiết bị bay trang bị và tạo lực nâng để bay lên nhờ CQ đẩy không khí xuống dưới. Ưu điểm TT là tính linh hoạt và khả năng cơ động. CQ trực thăng thông thường có các lá cánh (LC) gắn vào ổ trục quay thông qua các khớp, gồm khớp vẫy, khớp lắc, khớp xoay và một cơ cấu đĩa nghiêng cho phép điều khiển góc sải chung và góc sải theo chu kỳ của các LC. Các chuyển động quay quanh các khớp được gọi chung là chuyển động đặc thù của LC, bao gồm các chuyển động vẫy, lắc và xoay tương ứng với các khớp. Với các chuyển động đặc thù của LC, sự điều khiển của cơ cấu đĩa nghiêng cho phép TT bay ở các chế độ khác nhau, bay treo, hạ cánh thẳng đứng, bay lên thẳng đứng, bay bằng, bay xiên,... HCTĐ là một trong các chế độ chảy bao dọc trục của CQ. Thông thường chế độ HCTĐ chỉ được thực hiện ở độ cao bay thấp, trước khi tiếp đất. TT thực hiện chế độ bay xiên xuống đến vị trí cần hạ cánh, bay treo trên vị trí hạ cánh ở độ cao nhỏ, sau đó, chuyển sang chế độ HCTĐ để tiếp đất khi lợi dụng được hiệu ứng đệm khí mặt đất. Chế độ hạ xuống thẳng đứng được khuyến cáo không áp dụng khi ở độ cao lớn, khi không có hiệu ứng mặt đất, do khi đó CQ trực thăng có thể rơi vào trạng thái xoáy vòng. Xoáy ở đầu LC xuất hiện ở tất cả các LC khi chuyển động trong không. Đây là hiện tượng không khí chảy ngược từ mặt dưới LC áp suất cao lên mặt trên áp suất thấp quanh đầu mút. Đối với LC chuyển động tịnh tiến các vòng xoáy trôi về phía sau tạo thành cuộn xoáy thẳng. Tuy nhiên, với CQ ở chế độ chảy bao dọc trục, các vòng xoáy đầu mút LC tạo thành cuộn xoáy hình xuyến. Tùy theo vận tốc dọc trục của chế độ chảy bao, với mỗi góc sải chung, vị trí của cuộn xoáy có thể nằm phía trên hoặc dưới so với mặt phẳng quay. Ở chế độ bay treo và bay lên thẳng đứng, cuộn xoáy nằm phía dưới mặt phẳng quay. Khi HCTĐ, cuộn xoáy dịch chuyển dần lên trên khi tăng dần vận tốc hạ xuống. Tại một khoảng vận tốc hạ xuống nào đó, tâm của cuộn xoáy nằm gần với mặt phẳng quét của đầu mút LC, lúc này, cuộn xoáy bao quanh vòng tròn quét của đầu mút LC, đây là hình ảnh mô tả của trạng thái xoáy vòng. Khi tiếp tục tăng vận tốc hạ xuống, cuộn xoáy dịch chuyển lên phía trên mặt phẳng quét đầu mút LC [4, 5]. Trạng thái xoáy vòng là trạng thái nguy hiểm đối với an toàn bay, khi rơi vào trạng thái xoáy vòng, CQ bị giảm lực nâng – TT rơi xuống, đồng thời mô men cản quay trên trục cũng giảm xuống mất cân bằng với mô men ổn định hướng của cánh quạt đuôi – TT bị xoay vòng mất điều khiển [4]. Sự giảm lực nâng, và mô men cản của CQ là do sự tăng cường của vận tốc cảm ứng tại mỗi mặt cắt ở đoạn đầu mút LC khi cộng thêm vận tốc xoáy, làm giảm góc tấn cục bộ tại các mặt cắt đó. Hình 1 là các ảnh chụp từ video [5] hướng dẫn thoát khỏi trạng thái xoáy vòng, trong đó, thiết bị tạo khói được sử dụng để quan sát dòng khí. Ban đầu TT bay treo (hình 1a) lõi cuộn xoáy nằm dưới mặt phẳng quay, sau đó, chuyển sang chế độ hạ cánh thẳng đứng với vận tốc hạ xuống tăng dần. Tại một vận tốc hạ xuống xác định, CQ rơi vào trạng thái xoáy vòng (hình 1b). CQ bị giảm lực nâng với lõi cuộn xoáy nằm tại mặt phẳng mặt phẳng quét đầu mút lá cánh. TT rơi xuống với vận tốc cao hơn, cuộn xoáy được đẩy lên phía trên (hình 1c). Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 72, 04 - 2021 3 Kỹ thuật máy bay & Thiết bị bay Trong chế độ hạ cánh thẳng đứng, hai tham số bay ảnh hưởng đến đặc tính khí động lực của CQ là vận tốc hạ xuống và góc sải chung. Khảo sát chế độ hạ cánh thẳng đứng của CQ nhằm xây dựng các đặc tính nâng, đặc tính cản - công suất yêu cầu và xác định các tham số động lực học của chuyển động đặc thù LC. Xác định các tham số bay tại đó xuất hiện trạng thái xoáy vòng, làm cơ sở đảm bảo an toàn bay. a) Bay treo. b) Trạng thái xoáy vòng. c) Hạ xuống nhanh hơn. Hình 1. Hình ảnh trực thăng rơi vào trạng thái xoáy vòng [5]. 2. MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CÁNH QUAY TRỰC THĂNG BA KHỚP Mô hình tính toán khí động lực học CQ ba khớp độc lập xét đến các chuyển động đặc thù của LC, đồng nhất bài toán động lực chuyển động LC với mô hình tính toán khí động theo phương pháp xoáy rời rạc, đã được xây dựng và kiểm chứng [1, 2]. Trên cơ sở mô hình toán, một chương trình tính toán các đặc trưng khí động lực của CQ đã được lập trình trên ngôn ngữ lập trình C. Chương trình cho phép khảo sát các đặc trưng khí động CQ và các tham số động lực học LC cho đối tượng CQ cụ thể là CQ trực thăng Mi-8. Các tham số của đối tượng khảo sát được lấy từ tài liệu kỹ thuật [3]: Bán kính CQ: R  10.614  m  ; Số lượng lá cánh: kblade  5 ; Khối lượng 1 lá cánh: mblade  140  kg  ; Profile lá cánh NACA 1102 có hệ số cản ma sát: cx  0.0084 ; Khoảng cách từ trục quay đến trục bản lề lắc: a  0.9  m  ; Khoảng cách giữa hai trục bản lề vẫy và lắc: b  0.6  m  ; Khoảng cách giữa trục bản lề vẫy tới mặt cắt gốc lá cánh: c  0.5  m  ; Góc xoắn lá cánh:   5o ; Vận tốc quay:   20,096  rad / s  ; G ...