BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ NGUYỄN ĐÌNH SƠN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA GIÓ CẠNH
TỚI ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG CỦA MÁY BAY
TRONG QUÁ TRÌNH HẠ CÁNH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ
i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả
nghiên cứu và các số liệu sử dụng trong luận án là trung thực, chưa từng được
ai công bố ở trong bất kỳ công trình nào khác. NGHIÊN CỨU SINH

Nguyễn Đình Sơn



iii

MỤC LỤC
Lời cam đoan i
Mục lục iii
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt vi
Danh mục các bảng xiv
Danh mục các hình vẽ, đồ thị xv
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1. Tổng quan về ảnh hưởng của gió cạnh đến đặc tính khí
động của máy bay, các phương pháp nghiên cứu 8
1.1. Một số đặc điểm dòng khí chảy bao ở vùng vận tốc nhỏ khi có ảnh
hưởng của gió cạnh 8
1.2. Tình hình nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh tới đặc tính khí
động của máy bay ở vùng vận tốc nhỏ 9
1.2.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 9
1.2.2. Tình hình nghiên cứu ở trong nước 13
1.3. Tổng quan các phương pháp xác định đặc tính khí động của máy
bay 14
1.3.1. Xác định đặc tính khí động của máy bay bằng phương pháp giải
tích 15
1.3.2. Phương pháp nghiên cứu thử nghiệm. 15
1.3.3. Xác định đặc tính khí động của máy bay bằng phương pháp số 17
1.4. Các nội dung đề tài cần nghiên cứu và phương pháp thực hiện 21
1.4.1. Các nội dung đề tài cần nghiên cứu 21
1.4.2. Lựa chọn phương pháp thực hiện đề tài nghiên cứu 22
Kết luận chương 1 28
CHƯƠNG 2. Mô hình bài toán xác định đặc tính khí động của máy
bay 29

máy bay L-39 khi hạ cánh với cấu
hình cất, hạ cánh bằng phương pháp xoáy rời rạc và bằng Ansys 69
Kết luận chương 3 72 v

CHƯƠNG 4. Nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh đến đặc tính khí
động của máy bay trong quá trình hạ cánh 73
4.1. Khảo sát ảnh hưởng của gió cạnh đến một số đặc tính khí động
của máy bay L-39 khi hạ cánh. Xây dựng mối liên hệ cân bằng
giữa các góc điều khiển với góc trượt cạnh 73
4.1.1. Khảo sát ảnh hưởng của gió cạnh đến một số đặc tính khí động
của máy bay L-39 khi hạ cánh 73
4.1.2. Xây dựng mối liên hệ cân bằng giữa các góc điều khiển cánh lái
hướng δ
H
và cánh lái liệng δ
L
với góc trượt cạnh β khi hạ cánh 78
4.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh phụ thuộc vào vận tốc hạ
cánh. Xây dựng miền vận tốc an toàn cho máy bay L-39 khi hạ
cánh có trượt cạnh 83
4.2.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh phụ thuộc vào vận tốc hạ
cánh 83
4.2.2. Xây dựng miền vận tốc an toàn cho máy bay L-39 khi hạ cánh
có trượt cạnh 85
4.3. Khảo sát ảnh hưởng của gió cạnh đến quĩ đạo hạ cánh của máy
bay. Một số giải pháp hạn chế ảnh hưởng của gió cạnh 87
4.3.1. Khảo sát ảnh hưởng của gió cạnh đến quĩ đạo hạ cánh của máy

Gia tốc tiếp đất theo chiều ngang và chiều thẳng đứng của
máy bay khi hạ cánh [m/s
2
];
b Dây cung trung bình cánh;
b
i
Điều kiện ban đầu thay đổi có tính đến các yếu tố điều
chỉnh đối với nút i;
BT Chỉ số chỉ trường hợp bay thử nghiệm máy bay;
b
k
Dây cung cánh tại mặt cắt k [m];
)(
1pp
b


Dây cung trung bình của tứ giác khảo sát;
b
m
Dây

cung mút cánh [m];
b
o
Dây cung gốc cánh [m];
m1pp
b


Hệ số tức thời và hệ số trung bình đối với biến

; vii

1pp
C


Tích vô hướng của véc tơ đơn vị của dòng không nhiễu động
với véc tơ pháp tuyến của mặt nâng tại các điểm kiểm tra;
F Ngoại lực tác động lên một đơn vị khối lượng [N];
F
s
Lực ma sát [N];
g Gia tốc trọng trường [m/s
2
];
G Trọng lượng máy bay [kg];
h Độ cao của máy bay trong quĩ đạo khi hạ cánh [m];
i Chỉ số nút thứ i;
i
x
, i
y
, i
z
bán kính mô men quán tính;

Độ dài dây xoáy ngang [m];
1k
k0
l


Độ dài dây xoáy dọc [m];
)(
1pp
l


Sải trung bình của tứ giác khảo sát [m];
1k
k
)x,lcos(


Cosin chỉ hướng đoạn xoáy ngang theo trục 0x;
k1
k
)x,lcos(


Cosin chỉ hướng đoạn xoáy dọc theo trục 0x;
M Số Mach;
m Tứ giác nâng cơ sở thứ m; viii

men nghiêng cánh do trượt cạnh gây ra [Nm];
M
y(δ)
Mô

men hướng do trượt cạnh gây ra [Nm];
M
y(δL)
Mô men hướng do lệch cánh lái liệng gây ra [Nm];
m
x(δ)
Hệ số mô men nghiêng cánh do gió cạnh gây ra;
m
y(δ)
Hệ số mô men hướng do gió cạnh gây ra;
N Số dải xoáy trên tấm nâng cơ sở;
n Số các sợi xoáy ngang trên mỗi dải xoáy;
N
m
Số dải xoáy dọc trên tứ giác thứ m;
n
m
Số xoáy ngang trong từng dải xoáy trên tứ giác thứ m;
n
I
, n
II
, n'
II
Lần lượt là số tiết diện dùng để mô hình hóa các dây xoáy

MB
, S
TN
Tỷ số giữa vận tốc âm thanh a và độ nhớt động ν của
không khí, S=a/ν [1/m];

S Điều kiện ban đầu (nguồn) của biến

;
k1
1k0
S


Diện tích tứ giác khảo sát;
s Khoảng cách máy bay từ độ cao khảo sát ban đầu đến điểm
đang khảo sát [m];
sign() Hàm dấu của góc trượt cạnh ;
T Nhiệt độ tuyệt đối [K];
TN Chỉ số chỉ trường hợp thử nghiệm trên mô hình trong ống
khí động;
T
o
Nhiệt độ tuyệt đối ở điều kiện tiêu chuẩn, T
o
=273,15 [K];
t Nhiệt độ lưu chất [
o
C];
t

y
Vận tốc theo chiều thẳng đứng khi máy bay hạ cánh [m/s];
V
xi
; V
yi
; V
zi
Các thành phần vận tốc tại nút i; x

ziyixi
VVV
,,

Các giá trị vận tốc xấp xỉ tại nút i theo phương x, y, z;
W Vận tốc nhiễu động; cường độ gió cạnh [m/s];
W
x
, W
y
, W
z
Các thành phần của vận tốc nhiễu động [m/s];
W
e
Hàm bổ sung đặc biệt cho các phần tử e;
X Lực cản [N];






Tọa độ điểm giữa các đoạn xoáy dọc trên cánh [m];
1pp
0
1pp
0
1pp
0
z,y,x






Tọa độ các điểm kiểm tra [m];
x
1
; y
1
; z
1
Ký hiệu tọa độ véc tơ chỉ phương của đoạn xoáy PQ;
x
2
; y

/s];
1k
k


 Lưu số vận tốc xoáy ngang liên kết [m
2
/s];
1p
pm


 Lưu số vận tốc xoáy ngang liên kết mặt nâng thứ m [m
2
/s];
k1
k


 Lưu số vận tốc xoáy dọc liên kết [m
2
/s]; xi

p1
pm



 Tải khí động ngang dạng không thứ nguyên;
p1
p
p


 Tải khí động dọc dạng không thứ nguyên;

Biến trong các ma trận;
Ψ Góc hướng quĩ đạo [rad];
Ω
x1
, Ω
y1
, Ω
z1
Góc giữa véc tơ chỉ phương j,i và
k
của các trục tọa độ
0x, 0y và 0z với véc tơ chỉ phương của đường pháp tuyến
với xoáy ngang;
Ω
x2
, Ω
y2
, Ω
z2
Góc giữa véc tơ chỉ phương
j,i
và


 Cường độ của lưu số vận tốc xoáy dọc [1/s];
δ Góc thổi của gió cạnh [rad];

H
Góc lệch cánh lái hướng [rad];

L
Góc lệch cánh lái liệng [rad];
ε Chỉ số điểm kiểm tra;
µ Độ nhớt động lực [kg/m/s];
µ
o
Độ nhớt động lực tại điều kiện tiêu chuẩn [kg/m/s];
µ, k, m Chỉ số của xoáy liên kết;
v Độ nhớt động không khí [m
2
/s];
ν, p, s Chỉ số của các điểm kiểm tra;
ρ Mật độ không khí [kg/m
3
];
ρ
o
Mật độ không khí ở điều kiện tiêu chuẩn [kg/m
3
];
kc1
ka
c1k
xiii

Ansys Phần mềm Ansys (Analysis Systems);
CAD Thiết kế được hỗ trợ bằng máy tính (Computer-Aided
Design)
CFD Động lực học dòng chảy tính toán (Computational Fluid
Dynamic);
HUST Đại học Bách khoa Hà Nội (Hanoi University of Science &
Technology);
KCB Khí cụ bay;
KTSD Khai thác sử dụng;
LH Lái hướng;
LL Lái liệng;
Matlab Phần mềm máy tính Matlab (Maxtrix Laboratory);
MHI Công nghiệp nặng Mít-su-bi-si (Mitsubishi heavy Industries);
NASA Cơ quan Hàng không và Vũ trụ quốc gia (National
Aeronautics and Space Administration);
NACA Ủy ban tư vấn quốc gia về Hàng không (National Advisory
Committee for Aeronautics);
OKĐ Ống khí động;
SIMPLE Phương pháp bán ẩn với các phương trình được gắn kết với áp
lực (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations);
SIMPLEF Thuật toán ban đầu theo phương pháp SIMPLE;
SIMPLEN Thuật toán nâng cao theo phương pháp SIMPLE;
TL-39 Buồng tập lái máy bay L-39;
TLKT Tài liệu kỹ thuật;
Visual C++ Phần mềm Visual C++ (Visual Studio of Microsolf);
vol Thể tích (volume);

H
với góc trượt
cạnh β để cân bằng mô men M
y(β)
do gió cạnh gây ra
80
Bảng 4.3. Tương quan góc lệch cánh lái liệng δ
L
với góc trượt cạnh
β để cân bằng mô men M
x(β)
do gió cạnh gây ra
81
Bảng 4.4. Sự thay đổi hệ số lực nâng theo trượt cạnh

83
Bảng 4.5. Góc trượt cạnh tới hạn theo vận tốc hạ cánh 86
Bảng 4.6. Các đặc tính khí động C
y
, C
x
theo góc tấn α 92

xv

Hình 2.11. Trường vận tốc chảy bao mô hình máy bay L-39 46
Hình 2.12. Đồ thị hệ số lực nâng C
y
=f(α) xác định bằng phương
pháp XRR, Ansys và theo TLKT của máy bay L-39 47
Hình 3.1. Sơ đồ xoáy dòng chảy bao cánh nâng cơ sở có trượt cạnh 51
Hình 3.2. Xác định véc tơ pháp tuyến của mặt phẳng tứ giác PQRT 59 xvi

Hình 3.3. Xác định véc tơ chỉ phương của pháp tuyến các đoạn xoáy

liên kết
61
Hình 3.4. Kiểu ghép nối không gian 65
Hình 3.5. Mô hình máy bay với cấu hình cánh tà thả 44
o
66
Hình 3.6. Mô hình toán cánh tà trái

66
Hình 3.7. Mô hình càng máy bay ở vị trí thả xây dựng bằng XRR 68
Hình 3.8. Mô hình máy bay L39 với cấu hình hạ cánh xây dựng
bằng XRR 68
Hình 3.9. Mô hình máy bay L39 với cấu hình hạ cánh bằng Ansys 69
Hình 3.10. Trường vận tốc dòng chảy bao máy bay L-39 xác định
bằng phương pháp XRR khi α=10
o
, β=0

74
Hình 4.3. Trường vận tốc dòng chảy bao máy bay L-39 với cấu
hình càng thả, cánh tà 44
o
trong trường hợp α=10
o
, β=15
o

74
Hình 4.4. Đồ thị các hệ số lực cản C
x
theo góc trượt cạnh 
76
Hình 4.5. Đồ thị các hệ số lực nâng C
y
theo góc trượt cạnh 
76
Hình 4.6. Đồ thị hệ số lực cạnh C
z
theo góc trượt cạnh 
76
Hình 4.7. Đồ thị hệ số mô men m
x
theo góc trượt cạnh 
76
Hình 4.8. Đồ thị hệ số mô men hướng m
y
theo góc trượt cạnh 
77


y
C
ở
các vận tốc hạ cánh 85
Hình 4.14. Xác định vùng hạ cánh an toàn khi có trượt cạnh đối với
máy bay L-39
86
Hình 4.15. Các giai đoạn hạ cánh 87
Hình 4.16. Quĩ đạo hạ cánh của máy bay L-39 khi có trượt cạnh ở
giai đoạn bay xuống (h=20,6 m)
94
Hình 4.17. Quĩ đạo hạ cánh của máy bay L-39 khi có trượt cạnh ở
giai đoạn cải bằng (h=3 m)
95
Hình 4.18. Hạ cánh với góc trượt cạnh và nghiêng cánh 96

1

MỞ ĐẦU
Chất lượng bay không những phụ thuộc vào đặc tính khí động của bản

Để đạt được mục đích đó cần thực hiện các nội dung sau:
1- Xây dựng mô hình toán máy bay theo sơ đồ không gian với cấu
hình cất, hạ cánh trong dòng chảy bao dừng, phi đối xứng.
2- Xây dựng phương pháp nghiên cứu xác định mức độ ảnh hưởng của
gió cạnh đến ĐTKĐ của máy bay trong quá trình hạ cánh ở vùng tốc độ nhỏ.
3- Đề ra một số giải pháp làm giảm ảnh hưởng của gió cạnh đến
ĐTKĐ của máy bay cũng như nâng cao chất lượng bay, đảm bảo an toàn bay.
Đối tượng nghiên cứu của đề tài luận án được xác định là máy bay có
phần tạo lực nâng cố định, được cơ giới hóa (cánh tà) và có các thiết bị hạ
cánh (càng) để cất hạ cánh trên đường băng. Đối tượng nghiên cứu cụ thể là
máy bay huấn luyện L-39.
Giới hạn nghiên cứu của luận án là khảo sát ảnh hưởng của gió cạnh
đến một số đặc tính khí động (chỉ thuộc chuyên ngành hẹp khí động học) của
máy bay trong quá trình hạ cánh ở vùng vận tốc nhỏ, trong đó chủ yếu là
nghiên cứu ảnh hưởng đến khả năng tạo nâng của máy bay khi hạ cánh trong
dòng chảy bao dừng, phi tuyến.
Kết quả nghiên cứu khoa học thu được bằng lý thuyết thông thường
được chứng minh thông qua kiểm nghiệm thực tế. Kiểm định kết quả nghiên

3

cứu về ảnh hưởng của gió cạnh đến đặc tính khí động của máy bay trong quá
trình hạ cánh ở vùng tốc độ nhỏ có thể được thực hiện trên mô hình trong ống
khí động (OKĐ) hoặc được thực hiện bằng việc bay thử nghiệm máy bay
trong điều kiện có gió cạnh thực.
Trong điều kiện hiện nay chúng ta hầu như không thể tổ chức thử
nghiệm kiểm tra ảnh hưởng của gió cạnh trong OKĐ được vì các OKĐ hiện
có ở Việt Nam không đáp ứng được tất cả yêu cầu của thử nghiệm (trong đó
khó khăn nhất là phải đảm bảo các điều kiện về đồng dạng dòng chảy có liên
quan đến tính nén, tính nhớt động của dòng chảy bao mô hình).

của gió cạnh đến ĐTKĐ của máy bay với cấu hình cất, hạ cánh và thực hiện
việc kiểm định kết quả nghiên cứu bằng cách so sánh một số kết quả tính toán
thu được với các số liệu có trong tài liệu kỹ thuật (TLKT) của máy bay.
Kết cấu của luận án bao gồm mở đầu, 4 chương, kết luận (gồm 100
trang, 9 bảng, 48 hình vẽ - đồ thị), tài liệu tham khảo và các phụ lục.
Chương 1: Giới thiệu Tổng quan vấn đề nghiên cứu ảnh hưởng của gió
cạnh đến ĐTKĐ của máy bay trong quá trình hạ cánh ở vùng tốc độ nhỏ. Các
phương pháp nghiên cứu. Các nội dung chính trong chương 1 gồm:
- Đặc điểm dòng khí chảy bao máy bay ở vùng tốc độ nhỏ khi có ảnh
hưởng của gió cạnh.
- Tình hình nghiên cứu ảnh hưởng của gió cạnh tới ĐTKĐ của máy bay
ở vùng tốc độ nhỏ ở trên thế giới và trong nước.
- Các phương pháp nghiên cứu ĐTKĐ của máy bay.
- Những khó khăn khi nghiên cứu thực hiện đề tài luận án và lựa chọn
giải pháp giải quyết.

5

Chương 2: Trình bày mô hình toán xác định ĐTKĐ của máy bay.
Trong đó nêu những nội dung chính sau:
- Mô hình tính toán theo sơ đồ cánh phẳng đơn; mô hình toán xây dựng
bằng phương pháp XRR cho máy bay có cấu hình không gian phức tạp.
- Các nội dung, thuật toán cơ bản sử dụng trong phần mềm Ansys. Xây
dựng mô hình bài toán xác định ĐTKĐ của máy bay bằng phần mềm Ansys.
- Phương pháp nghiên cứu và đánh giá các kết quả xác định ĐTKĐ của
máy bay nhận được bằng hai phương pháp nêu trên. Khẳng định tính khách
quan của phương pháp nghiên cứu đã lựa chọn.
Chương 3: Trình bày về xây dựng mô hình bài toán xác định ĐTKĐ
của máy bay với cấu hình cất, hạ cánh. Trong đó đề cập đến việc:
- Xây dựng mô hình không gian bài toán chảy bao cánh nâng cơ sở có

phụ lục v.v. là những số liệu đủ tin cậy và có thể được sử dụng như tài liệu
hướng dẫn, tham khảo.
4 - Về mặt phương pháp: Đề xuất phương pháp tiếp cận nghiên cứu và
xác định độ tin cậy kết quả nghiên cứu bằng việc sử dụng hai phương pháp số
có bản chất rõ ràng, độc lập kết hợp với việc so sánh một số kết quả tính toán
thu được với các số liệu có trong TLKT để đánh giá một vấn đề về khí động
học của máy bay khi không có điều kiện áp dụng phương pháp thử nghiệm
truyền thống.
Ý nghĩa khoa học của luận án
Khảo sát một bước sâu hơn về ảnh hưởng của gió cạnh đến ĐTKĐ của
máy bay ở vùng tốc độ nhỏ và khẳng định: đối với một vận tốc bay nhất định
luôn luôn tồn tại một góc trượt cạnh tới hạn mà khi góc trượt cạnh của dòng
chảy bao vượt quá giá trị tới hạn thì sẽ tiềm ẩn nguy hiểm. Kết quả nghiên
cứu là một trong những cơ sở xem xét vấn đề an toàn bay trong quá trình hạ
cánh.