- Trang Chủ
- Tự động hoá
- Khảo sát chế độ hạ cánh thẳng đứng xác định trạng thái xoáy vòng của cánh quay trực thăng ba khớp
Xem mẫu
- 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 ; Góc đón điều khiển: cat 21o .
3. ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG LỰC CÁNH QUAY BA KHỚP VÀ XÁC ĐỊNH
TRẠNG THÁI XOÁY VÒNG Ở CHẾ ĐỘ HẠ CÁNH THẲNG ĐỨNG
3.1. Hình ảnh dòng chảy bao cánh quay ở chế độ hạ cánh thẳng đứng
Khảo sát trường vận tốc chảy bao CQ bằng mô hình tính toán áp dụng cho kết cấu CQ trực
thăng Mi-8 với góc sải chung 0 5o , các vận tốc hạ cánh U hc 0.8 ; 4.5 ; 8.3 m/s thu được
hình ảnh các dòng chảy bao trong hình 2.
4 N. K. Chính, P. V. Uy, “Khảo sát chế độ hạ cánh thẳng đứng … trực thăng ba khớp.”
- Nghiên cứu khoa học công nghệ
Hình ảnh trường vận tốc thu được cho thấy sự tồn tại của các vòng xoáy đầu LC. Hình ảnh
vòng xoáy ở hai bên không hoàn toàn đối xứng do số lượng hữu hạn các LC, tại thời điểm ghi số
liệu trường vận tốc, các LC nằm ở các góc phương vị khác nhau. Phù hợp với các hình ảnh thực
tế trên hình 1, ở vận tốc hạ cánh nhỏ U hc 0.8m / s , vòng tròn tâm xoáy nằm phía dưới mặt
phẳng quét đầu mút LC. Ở vận tốc hạ cánh tương đối lớn U hc 8.3m / s , vòng tròn tâm xoáy bị
đẩy lên phía trên mặt phẳng quét đầu mút LC. Trạng thái xoáy vòng, về mặt hình ảnh định tính,
xuất hiện tại vận tốc hạ cánh khoảng U hc 4.4m / s , khi đó, vòng tròn tâm xoáy nằm gần trên
mặt phẳng quét đầu mút LC.
a) 0 5o , U hc 0.8 m/s. b) 0 5o , U hc 4.4 m/s.
c) 0 5o , U hc 8.3 m/s.
Hình 2. Trường vận tốc chảy bao cánh quay ở chế độ hạ cánh thẳng đứng.
3.2. Đặc tính nâng cánh quay ở chế độ hạ cánh thẳng đứng
Trên cơ sở các số liệu tính toán với một số cặp tham số bay vận tốc hạ xuống và góc sải
chung ở chế độ HCTĐ, đồ thị hội tụ lực nâng đưa ra trên hình 3. Đồ thị hội tụ lực nâng cho thấy
sự hội tụ tương đối chậm của lực nâng ở chế độ HCTĐ.
Sự hội tụ thấy rõ nhất ở góc sải chung 0 9o , tuy vậy, tại các bước tính sau cùng giá trị
lực nâng vẫn không hội tụ về một giá trị xác định, có sự dao động nhỏ. Yếu tố tác động chủ
yếu đến sự hội tụ chậm của lực nâng trong chế độ HCTĐ được xác định là tồn tại vận tốc hạ
cánh. Vận tốc hạ cánh làm góc vẫy LC có quá trình hội tụ chậm hơn, qua đó, ảnh hưởng đến
lực nâng của CQ.
Trên các hình từ 4 đến 7 đưa ra đồ thị hội tụ góc vẫy các LC tương ứng với các chế độ HCTĐ
đưa ra trong đồ thị hội tụ lực nâng. Các đồ thị cho thấy, quá trình hội tụ góc vẫy có sự tương
đồng với quá trình hội tụ lực nâng. Ở các góc sải chung lớn, vận tốc hạ cánh nhỏ hội tụ góc vẫy
đạt được nhanh hơn – hội tụ lực nâng cũng đạt được nhanh hơn. Có sự tách pha về góc vẫy giữa
các LC khác nhau, ở các góc sải chung lớn hơn, sự tách pha diễn ra sớm hơn. Với các góc sải
chung nhỏ, vận tốc hạ cánh lớn, biên độ dao động góc vẫy vẫn còn lớn, dẫn đến biên độ dao
động cũng lớn của lực nâng.
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 72, 04 - 2021 5
- Kỹ thuật máy bay & Thiết bị bay
Hình 3. Hội tụ lực nâng ở chế độ Hình 4. Hội tụ góc vẫy ở chế độ HCTĐ
bay HCTĐ. U 2.8 m/s, 0 9o.
Hình 5. Hội tụ góc vẫy ở chế độ HCTĐ Hình 6. Hội tụ góc vẫy ở chế độ HCTĐ
U 3.3 m/s, 0 7o. U 4.4 m/s, 0 3o.
Hình 7. Hội tụ góc vẫy ở chế độ HCTĐ Hình 8. Đặc tính nâng ở một số chế độ HCTĐ.
U 5.0m / s , 0 1o.
Từ số liệu thu được khi khảo sát chế độ HCTĐ cho các góc sải chung 0 1o ;3o ;5o ;7o ;9o và
dải vận tốc hạ cánh U hc 2.8; 3.3; 3.9; 4.4; 5.0; 6.1; 6.9 m/s xây dựng các đặc tính nâng khi
HCTĐ trên hình 8.
So sánh các đặc tính cho thấy, với các góc sải chung càng lớn, CQ có lực nâng càng lớn.
Tuy nhiên, theo vận tốc hạ cánh, lực nâng của CQ không hoàn toàn đồng thuận với vận tốc.
Ở các góc sải chung 0 7o ;9o , lực nâng nhỏ nhất ở vận tốc U hc 3.9 m/s mà không phải ở
6 N. K. Chính, P. V. Uy, “Khảo sát chế độ hạ cánh thẳng đứng … trực thăng ba khớp.”
- Nghiên cứu khoa học công nghệ
vận tốc nhỏ nhất được khảo sát U hc 2.8 m/s. Có thể thấy, đây là tác dụng của trạng thái
xoáy vòng ảnh hưởng đến lực nâng của CQ. CQ bị giảm lực nâng trong quá trình hạ cánh với
vận tốc tăng dần qua vùng vận tốc xuất hiện trạng thái xoáy vòng. Sự tụt giảm lực nâng ở
vận tốc hạ cánh U hc 3.9 m/s so với vận tốc U hc 2.8 m/s ở góc sải chung 0 9o là 16,4%.
Việc giảm lực nâng là nguyên nhân dẫn đến TT hạ xuống nhanh hơn, gây bất ngờ đối với các
phi công ít kinh nghiệm.
3.3. Đặc tính mô men cản ở chế độ hạ cánh thẳng đứng
Đồ thị hội tụ mô men cản quay ở một số chế độ HCTĐ khảo sát đưa ra trên hình 9. Mô men
cản quay phụ thuộc góc lắc LC. Dao động của mô men cản quay gần như tương đồng với dao
động của góc lắc (hình 10 và 11). Giá trị mô men cản tăng khi góc lắc lùi lá cánh tăng. Sự dao
động của góc lắc các LC gần như đồng bộ với nhau, sự tách pha khá nhỏ. Ở chế độ làm việc
cao ( 0 9o ) xuất hiện va chạm của lá cánh với mấu giới hạn, tạo ra bước nhảy tăng của mô
men cản.
Các đặc tính mô men cản của CQ ở chế độ HCTĐ đưa ra trên hình 12. Giá trị mô men cản
tương ứng với mỗi cặp tham số đầu vào ( 0 ,U hc ) được lấy là giá trị trung bình trong một chu kỳ
dao động.
Hình 9. Hội tụ mô men cản quay ở một số chế Hình 10. Hội tụ góc lắc chế độ HCTĐ 0 9o ,
độ HCTĐ. U 2.8 m/s.
Hình 11. Hội tụ góc lắc chế độ HCTĐ 0 1o , Hình 12. Đặc tính mô men cản quay ở chế độ
U 5 m/s. HCTĐ.
Theo sự thay đổi của góc sải chung, mô men cản quay thay đổi khá phức tạp. Với dải các góc
sải chung 0 1o ;3o ;5o , mô men cản quay giảm khi tăng góc sải chung ở hầu hết các vận tốc hạ
cánh. Khi tăng góc sải chung lên trên 5o , mô men cản bắt đầu tăng theo góc sải chung. Đặc tính
mô men cản với các góc sải chung khác nhau có sự tương đồng về hình dạng. Ban đầu khi vận
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 72, 04 - 2021 7
- Kỹ thuật máy bay & Thiết bị bay
tốc hạ cánh tăng, mô men cản tăng lên, nhưng ở vận tốc U hc 5 m/s, mô men cản giảm đột ngột
so với điểm tính toán trước đó U hc 4.4 m/s. Mức giảm tương đối mô men cản ở góc sải chung
0 9o là 7,6%. Ở các điểm tính toán tiếp theo U hc 6.1;6.9 m/s mô men cản tăng lên trở lại
theo vận tốc hạ cánh.
Như vậy, trạng thái vòng xoáy đã ảnh hưởng đến mô men cản trên trục của CQ. Trạng thái
vòng xoáy làm giảm mô men cản cũng như lực nâng của CQ như phân tích ở trên. Tuy nhiên, sự
tụt giảm mô men cản quay xảy ra muộn hơn (ở vận tốc U hc 5m / s ) so với thời điểm xảy ra sự
tụt giảm lực nâng (ở vận tốc U hc 3.9m / s ). Khi xem xét trong quá trình thời gian, có thể nhận
xét rằng, khi TT rơi vào trạng thái xoáy vòng, đầu tiên CQ bị giảm lực nâng làm trực thăng hạ
xuống với vận tốc cao hơn. Sau đó, mô men cản quay giảm đi, mất cân bằng với mô men ổn định
hướng của cánh quạt đuôi, là nguyên nhân làm TT bị xoay vòng, mất điều khiển.
4. KẾT LUẬN
Bài báo đưa ra một số kết quả khảo sát đặc tính khí động lực của CQ TT ba khớp ở chế độ
HCTĐ. Các kết quả này được tính toán trên cơ sở mô hình khí động lực CQ đã xây dựng và trình
bày trong [1, 2]. Với sự kết hợp bài toán động lực chuyển động LC và bài toán khí động theo
phương pháp xoáy rời rạc, mô hình cho phép khảo sát đầy đủ đặc tính khí động lực của CQ ở các
chế độ bay khác nhau.
Hình ảnh khảo sát trường vận tốc chảy bao CQ đã cho thấy, sự tồn tại về mặt định tính của
chế độ vòng xoáy. Khi đó, tại một vận tốc hạ xuống nhất định, cuộn xoáy hình xuyến đầu mút lá
cánh bao quanh vòng tròn quét đầu lá cánh. Các kết quả về đặc tính nâng, đặc tính mô men cản
của CQ đã xác định được giá trị vận tốc hạ xuống, tại đó xuất hiện trạng thái xoáy vòng và định
lượng được ảnh hưởng của chế độ xoáy vòng làm giảm lực nâng và mô men cản quay.
Sự nguy hiểm của trạng thái vòng xoáy được chỉ rõ: Nó gây ra đáp ứng ngược về mặt điều
khiển đối với phi công. Thông thường khi TT bị rơi xuống, phi công sẽ kéo cần sải để tăng góc
sải chung – tăng lực nâng của CQ đồng thời nhấn bàn đạp để tăng góc sải của cánh quạt đuôi –
tạo mô men định hướng cân bằng với mô men cản quay dự định sẽ tăng lên như ở các chế độ bay
thông thường. Tuy nhiên, với việc giảm mô men cản quay ngay sau đó khi vận tốc hạ xuống vẫn
tiếp tục tăng lên, thao tác nhấn bàn đạp của phi công càng làm cho TT mất ổn định hướng và bị
quay vòng nhanh hơn.
Bài báo này đã được báo cáo tại Hội thảo Quốc gia: Ứng dụng Công nghệ cao vào thực tiễn – 60
năm phát triển Viện KH-CN quân sự.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Nguyen Khanh Chinh, Pham Vu Uy, “Constructing computational program to determine induced
torque components on helicopter main rotor rotation axis”, ICFMAS2018, NXB Bách Khoa, pp.204-
209, 2018.
[2]. Nguyen Khanh Chinh, Pham Vu Uy, “Mô hình chuyển động lá cánh cánh quay trực thăng ba khớp
xét đến tính chất phi tuyến không dừng khí động học”, Tạp chí nghiên cứu KH – CN QS số 66, tháng
4-2020.
[3]. В.Б. Зозуля, Ю. П. Иванов, “Практическая аэродинамическа вертолета Ми-8”,
Машиностроение, Москва, 1977.
[4]. Моцарь П.И, Удовенко В.А. (2009), “Определение зоны режимов вихревого кольца
одновинтового вертолета на основе математического моделирования”, Открытые
информационные и компьютерные интегрированные технологии №44.
[5]. “Vuichard Recovery Technique - How to escape a Vortex Ring State”
.
8 N. K. Chính, P. V. Uy, “Khảo sát chế độ hạ cánh thẳng đứng … trực thăng ba khớp.”
- Nghiên cứu khoa học công nghệ
ABSTRACT
SURVEY RESULTS ON THE VERTICAL LANDING AERODYNAMIC
CHARACTERISTICS OF THREE JOINTS HELICOPTER ROTOR
AND DETERMINES THE VORTEX RING STATE
Based on the established model and calculation program, the survey results on the
vertical landing aerodynamic characteristics of the helicopter rotor are presented in the
paper. The velocity at which the vortex ring state occurs and its influences on the
aerodynamic characteristics of the rotor are determined.
Keywords: Helicopter main rotor; Helicopter rotor dynamics; Vortex model; Flapping; Lagging; Rotating vortex.
Nhận bài ngày 22 tháng 7 năm 2020
Hoàn thiện ngày 15 tháng 10 năm 2020
Chấp nhận đăng ngày 12 tháng 4 năm 2021
Địa chỉ: 1Viện Tên lửa, Viện KHCNQS;
2
Học viện KTQS.
*
Email: Chinhnk301279@gmail.com.
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 72, 04 - 2021 9
nguon tai.lieu . vn
