Xác định bộ hệ số khí động phục vụ bài toán mô phỏng động lực học bay của máy bay không người lái Orbiter 2

Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu xác định bộ hệ số khí động của máy bay không người lái loại nhỏ (MUAV) Orbiter 2 dựa trên phần mềm mô phỏng số Ansys Fluent và chương trình tính toán khí động Digital Datcom. So sánh, đánh giá ưu nhược điểm của từng phương pháp và kết quả thu được để đưa ra kết luận về việc sử dụng bộ hệ số khí động phục vụ cho bài toán mô phỏng động lực học bay.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Xác định bộ hệ số khí động phục vụ bài toán mô phỏng động lực học bay của máy bay không người lái Orbiter 2 Tên lửa & Thiết bị bay XÁC ĐỊNH BỘ HỆ SỐ KHÍ ĐỘNG PHỤC VỤ BÀI TOÁN MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC BAY CỦA MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI ORBITER 2 Hoàng Việt Trung1*, Lê Tuấn Anh1, Phan Tương Lai2, Trần Hoài Nam2* Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu xác định bộ hệ số khí động của máy bay không người lái loại nhỏ (MUAV) Orbiter 2 dựa trên phần mềm mô phỏng số Ansys Fluent và chương trình tính toán khí động Digital Datcom. So sánh, đánh giá ưu nhược điểm của từng phương pháp và kết quả thu được để đưa ra kết luận về việc sử dụng bộ hệ số khí động phục vụ cho bài toán mô phỏng động lực học bay. Từ khóa: Động lực học bay, Hệ số khí động, MUAV Orbiter 2. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, máy bay không người lái loại nhỏ (MUAV) Orbiter 2 đã được đưa vào trang bị trong các đơn vị quân đội. Việc nghiên cứu, khảo sát để tiến tới làm chủ hệ thống máy bay không người lái hiện đại này là một yêu cầu cấp thiết. Một trong những nội dung quan trọng đầu tiên trong việc xây dựng mô hình động lực học bay cho MUAV Orbiter 2 là việc xác định bộ tham số khí động của nó. Do mới được đưa vào sử dụng, nên những nghiên cứu sơ bộ về máy bay không người lái Orbiter 2 là rất hạn chế. Hiện nay, chưa có công trình nào công bố những kết quả tính toán hệ số khí động cho Orbiter 2. Để xây dựng mô hình động lực học bay, cần có bộ hệ số khí động để từ đó xác định các lực khí động tác dụng lên máy bay trong quá trình bay. Thông thường, để đảm bảo độ chính xác và sát với thực tế thì bộ hệ số khí động được xác định bằng phương pháp thực nghiệm. Tuy nhiên do điều kiện tiếp cận các phòng thí nghiệm khí động lực học gặp nhiều khó khăn, cùng với việc chưa có mô hình mẫu để sử dụng nên phương pháp thực nghiệm tại thời điểm hiện tại không khả thi. Do đó phương pháp xác định hệ số khí động bằng mô phỏng số trong môi trường Ansys Fluent (hoặc CFX) thường được sử dụng. Ưu điểm của phần mềm mô phỏng số này là trực quan, có thể tính toán ở nhiều vận tốc khác nhau, đặc biệt là với tốc độ lớn (điều mà các phòng thí nghiệm hiện hay ở Việt Nam không thực hiện được, do hạn chế về tốc độ chỉ ở mức 0.1M), điều kiện mô phỏng khá sát với thực tế và độ chính xác cũng tương đối cao. Tuy nhiên, một số hệ số như các đạo hàm khí động theo tốc độ góc quanh các trục, theo góc lệch của cánh lái,... nếu tính trong Ansys Fluent khá phức tạp khi chia lưới và sử dụng lưới động cũng như đòi hỏi cao về cấu hình máy và thời gian tính toán. Để tính toán bổ sung các hệ số này, nhóm tác giả sử dụng phần mềm tính toán khí động Digital Datcom, nhờ đó có thể tính toán được đầy đủ tất cả bộ hệ số khí động cần thiết. Đồng thời qua việc tính toán bằng hai phương pháp cũng có thể đối chiếu so sánh kết quả để đưa ra những đánh giá khách quan hơn. 2. TÍNH TOÁN BỘ HỆ SỐ KHÍ ĐỘNG CHO MUAV ORBITER 2 2.1. Các hệ số khí động cần tính toán Bộ hệ số khí động đầy đủ cho MUAV Orbiter 2 bao gồm: CL , CD  tương ứng là các hệ số lực nâng, lực cản cho ở hệ tọa độ tốc độ; Cm  hệ số moment chúc ngóc so với trục y của hệ tọa độ liên kết. Các hệ số này thường phụ thuộc vào góc tấn  , vận tốc góc q, và độ lệch của elevators  e . Theo đó, ta có các đạo hàm hệ số khí động cần tính là: CL , CL , CL , CD , CD , CD , Cm , Cm , Cm . q e q e q e 30 H.V. Trung, L.T. Anh, P.T. Lai, T.H. Nam, “Xác định bộ hệ số khí động… ORBITER 2.” Nghiên cứu khoa học công nghệ CY  hệ số lực trượt cạnh trong hệ tọa độ tốc độ; Cl , Cn  hệ số moment quanh các trục x, z của hệ tọa độ liên kết. Các hệ số này phụ thuộc vào góc trượt cạnh  , các vận tốc góc p, r và độ lệch của cánh lái  a . Do đó, sẽ có các đạo hàm hệ số khí động cần tính: CY , CY , CY , CY , Cl , Cl , Cl , Cl , Cn , Cn , Cn , Cn . p r p r p r a a a Thông thường các hệ số khí động cơ bản như hệ số lực nâng, lực cản và moment chúc ngóc ( CL , CD , Cm ) sẽ phụ thuộc vào góc tấn  và số Mach. Trường hợp thiết bị bay có vận tốc dưới 0,4M thì có thể coi môi trường khí là không nén được, khi đó các hệ số khí động hầu như không phụ thuộc vào số Mach mà chỉ phụ thuộc vào góc tấn [1,2]. MUAV Orbiter 2 có vận tốc bay trung bình 30m/s (~0.1M), do đó trong bài báo chỉ tính toán các hệ số khí động cho Orbiter 2 theo các góc tấn khác nhau ở một tốc độ bay cố định là 0.1M. Trong môi trường Ansys Fluent, việc tính toán các hệ số khí động và đạo hàm của chúng theo sự phụ thuộc vào góc tấn  và góc trượt cạnh  được thực hiện bằng cách thay đổi hướng của dòng khí đến. Theo đó, các đạo hàm các hệ số theo góc tấn CL , CD , Cm thì có thể tính gián tiếp bằng cách thay đổi góc tấn   0 , tính hệ số CL   , CD   , Cm   đối với góc tấn ấy, sau đó sử dụng kết quả để tính các đạo hàm: C L    C L0 Cm    Cm0 C L  ; C m  .   Trong đó: CL0 , CD0 , Cm0  tương ứng là giá trị các hệ số CL , CD , Cm khi   0 . Tương tự như thế đối với các đạo hàm theo góc  . Do Orbiter 2 đối xứng qua mặt phẳng xOz nên các đạo hàm sau đều bằng 0: CYp  CY  CDq  CYr  0. a Các đạo hàm còn lại, bao gồm: CLq , Cmq , CLp , Cn p , Clr , Cnr , CL , CD , Cm , Cl , Cn , CY , Cl , Cn sẽ được tính toán bổ e e e a a sung bằng phần mềm tính toán khí động Digital Datcom. Khi tính toán trong cả hai phương pháp đ ...