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
----------------------------------

NGUYỄN ĐÌNH SƠN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA GIÓ CẠNH
TỚI ĐẶC TÍNH KHÍ ĐỘNG CỦA MÁY BAY
TRONG QUÁ TRÌNH HẠ CÁNH
Chuyên ngành:

Kỹ thuật cơ khí động lực

đã tận tình hướng dẫn, động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn
thành được luận án này.

Tôi xin trân trọng cảm ơn Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự; Viện
Tên lửa; Học viện Phòng không-Không quân; Viện Kỹ thuật Quân sự PK-KQ;
Học viện Kỹ thuật Quân sự; Phòng ĐCTBPL-Viện Tên lửa; Trung tâm DASIĐH Bách khoa Hà Nội và Phòng MBĐC-Viện Kỹ thuật Quân sự PK -KQ đã tạo

mọi điều kiện giúp đỡ trong quá trình thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn đến các thầy giáo Trong Viện Tên lửa, các
đồng chí trong các cơ quan quản lý của Viện Tên lửa, Phòng Đào tạo và Ban
sau đại học-Viện KH & CN Quân sự đã cho tôi những lời khuyên quý báu,

những điều kiện thực hiện các học phần và luận án tốt nhất.
Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, những người bạn và đồng nghiệp đã
nhiệt tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án này.
Nghiên cứu sinh


MỤC LỤC
Lời cam đoan

i

Mục lục

iii

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

vi

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


2.1.3. Áp dụng mô hình toán xác định một số đặc tính khí động của
máy bay L-39 bằng phương pháp xoáy rời rạc

36

2.2. Phương pháp xác định đặc tính khí động của máy bay bằng Ansys

38

2.2.1. Phương pháp giải số ứng dụng trong Ansys

38

2.2.2. Phương pháp giải bài toán xác định một số đặc tính khí động

của máy bay bằng Ansys

40

2.3. Kết quả khảo sát đặc tính lực nâng của máy bay L-39 bằng
phương pháp xoáy rời rạc và b ằng Ansys. Một số nhận xét, đánh

giá

45

Kết luận chương 2

49

hình cất, hạ cánh bằng phương pháp xoáy rời rạc và bằng Ansys
Kết luận chương 3

69
72


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 δH và cánh lái liệng δL 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


98

KẾT LUẬN

99

Danh mục các công trình khoa học đã công bố

101

Tài liệu tham khảo

102

Phụ lục

112


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
a

Vận tốc âm thanh [m/s];

[Ae]

Ma trận phần tử;

aij


Dây cung trung bình của tứ giác khảo sát;

bm

Dây cung mút cánh [m];

bo

Dây cung gốc cánh [m];

b pp -1m

Chiều dài không thứ nguyên của phần tử mặt nâng m của
máy bay (theo trục 0x);

Bppns -1

Tích vô hướng của véc tơ đơn vị dòng không nhiễu động và
véc tơ pháp tuyến với mặt nâng cơ sở tại các điểm kiểm tra;

Cx

Hệ số lực cản;

Cy

Hệ số lực nâng;

Cz


Lực ma sát [N];

g

Gia tốc trọng trường [m/s2];

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;

ix, iy, iz

bán kính mô men quán tính;

Jx, Jy, Jz

Mô men quán tính khối lượng;

( i , j, k )

Véc tơ đơn vị hệ trục tọa độ 0xyz;


Độ dài dây xoáy [m];

l 0mkmk-1

Độ dài dây xoáy ngang [m];

l m0kmk+1

Độ dài dây xoáy dọc [m];

l (ppe)-1

Sải trung b ình của tứ giác khảo sát [m];

cos(l, x )mmkk -1

Cosin chỉ hướng đoạn xoáy ngang theo trục 0x;

cos(l, x ) mmk+1k

Cosin chỉ hướng đoạn xoáy dọc theo trục 0x;

M

Số Mach;

m

Tứ giác nâng cơ sở thứ m;

Mx(δ)

Mô men nghiêng cánh do trượt cạnh gây ra [Nm];

My(δ)

Mô men hướng do trượt cạnh gây ra [Nm];

My(δL)

Mô men hướng do lệch cánh lái liệng gây ra [Nm];

mx(δ)

Hệ số mô men nghiêng cánh do gió cạnh gây ra;

my(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;

Nm


Áp suất môi trường [Pa];

pPQT, pQRT

Nửa chu vi các tam giác PQT, QRT thuộc tứ giác khảo sát
PQRT [m];

r

Các yếu tố điều chỉnh;

Re

Số Rây-non;


S

Diện tích cánh nâng [m2];

SS

Sai số;

S, SMB, STN

Tỷ số giữa vận tốc âm thanh a và độ nhớt động ν của
không khí, S=a/ν [1/m];

Sf


Nhiệt độ lưu chất [oC];

tH

Nhiệt độ môi trường [oC];

td

Chỉ số chỉ tỷ lệ tương đối;

U,

Vận tốc của lưu chất [m/s];

Uo

Vận tốc dòng không nhiễu động [m/s];

uo

Vận tốc dòng chảy không nhiễu động dạng không thứ
nguyên;

uo

Véc tơ đơn vị dòng không nhiễu động;

u d1 , u d 2


xi

yi

zi

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];

Wx, Wy, Wz

Các thành phần của vận tốc nhiễu động [m/s];

We

Hàm bổ sung đặc biệt cho các phần tử e;

X

Lực cản [N];

xF, zF

Tọa độ tiêu điểm khí động theo trục 0x và 0z [m];

xµk, yµk, zµk


Ký hiệu tọa độ của véc tơ pháp tuyến mặt phẳng chứa tứ
giác khảo sát;

x 1 , y1 , z 1

Tọa độ đầu mút dây xoáy dạng không thứ nguyên;

x 2 , y2 , z2

Tọa độ cuối dây xoáy dạng không thứ nguyên;

Y

Lực nâng [N];

Z

Lực cạnh [N];

Zβ

Lực cạnh do trượt cạnh gây ra [N];

Γ

Lưu số vận tốc dạng không thứ nguyên;

G+

Lưu số vận tốc [m2/s];


Bề rộng không thứ nguyên của phần tử mặt nâng thứ m của
máy bay (theo trục Oz);

Δs

Độ lệch tính toán giữa hai bước tính;

Δα

Lượng thay đổi góc tấn giữa hai bước tính [rad];

Δb

Lượng thay đổi góc trượt cạnh giữa hai bước tính [rad];

D(k1)

Lưu số vận tốc của xoáy dọc tự do vùng I;

D(m2) , (D(m2) )'

Lưu số vận tốc của các xoáy ngang tự do vùng II và II';

Dp

Tải khí động dạng không thứ nguyên;
ep -1

Tải khí động ngang dạng không thứ nguyên;

Góc tấn [rad];

αs

Góc tấn tại bước tính s [rad];

b

Góc trượt cạnh [rad];

βi

Góc trượt cạnh tại bước tính i [rad];


β*

Góc trượt cạnh ở giới hạn nguy hiểm [rad];

γ

Góc nghiêng máy bay trong hệ tọa độ liên kết [rad];

γc

góc nghiêng máy bay trong hệ tọa độ tốc độ [rad];

g eepp-1

Cường độ của lưu số vận tốc xoáy ngang [1/s];


Chỉ số của xoáy liên kết;

v

Độ nhớt động không khí [m2/s];

ν, p, s

Chỉ số của các điểm kiểm tra;

ρ

Mật độ không khí [kg/m3];

ρo

Mật độ không khí ở điều kiện tiêu chuẩn [kg/m3];

umsmk -ka1c , umsm+1kakc

Các thành phần vận tốc cảm ứng do xoáy đơn vị tạo ra tại
điểm tính toán;

χ

Góc mũi tên của cánh nâng [rad];

c eeppm-1



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 H à Nội (Hanoi University of Science &

Technology);
KCB

Khí cụ bay;

KTSD

Khai thác sử dụng;

LH

Lái hướng;

LL

Lái liệng;



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);

XRR

Xoáy rời rạc;

ЦАГИ

Đại học hàng không quốc gia (Центральный
Авиационный Государственный Институт);


Bảng 4.2. Tương quan góc lệch cánh lái hướng δH với góc trượt

80

cạnh β để cân bằng mô men My(β) do gió cạnh gây ra
Bảng 4.3. Tương quan góc lệch cánh lái liệng δL với góc trượt cạnh

81

β để cân bằng mô men Mx(β) do gió cạnh gây ra

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 Cy, Cx theo góc tấn α

92


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Số hình

Tên gọi hình vẽ, đồ thị

Hình 1.1. Xác định góc gió thổi δ và góc trượt cạnh β.

Hình 2.2. Sơ đồ phối trí máy bay có cấu hình không gian phức tạp

31

Hình 2.3. Sơ đồ xoáy ghép nối tứ giác ngoài không tiếp giáp và tứ
giác trong tiếp giáp hoàn toàn.

32

Hình 2.4. Sơ đồ xoáy ghép nối các tứ giác kiểu phân đoạn.

33

Hình 2.5. Mô hình máy bay với cấu hình bay thẳng.

37

Hình 2.6. Mô tả mô hình toán mặt nâng cơ sở

37

Hình 2.7. Tiết diện và mô hình thân máy bay L-39

42

Hình 2.8. Hình dạng profil cánh nâng và đuôi máy bay L-39

42

Hình 2.9. Xây dựng mô hình máy bay L-39 bằng Ansys

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 44o

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.



càng thả, cánh tà 44o khi α=10o, β=15o
Hình 4.3.

74

74

Trường vận tốc dòng chảy bao máy bay L-39 với cấu

hình càng thả, cánh tà 44o trong trường hợp α=10o, β=15o

74

Hình 4.4. Đồ thị các hệ số lực cản Cx theo góc trượt cạnh b

76

Hình 4.5. Đồ thị các hệ số lực nâng Cy theo góc trượt cạnh b

76

Hình 4.6. Đồ thị hệ số lực cạnh Cz theo góc trượt cạnh b

76

Hình 4.7. Đồ thị hệ số mô men mx theo góc trượt cạnh b

76



85

Hình 4.14. Xác định vùng hạ cánh an toàn khi có trượt cạnh đối với
máy bay L-39
Hình 4.15. Các giai đoạn hạ cánh

86
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)

Hình 4.18. Hạ cánh với góc trượt cạnh và nghiêng cánh

95
96


MỞ ĐẦU
Chất lượng bay không những phụ thuộc vào đặc tính khí động của bản
thân máy bay mà còn phụ thuộc vào các yếu tố khác như tác động điều khiển,
sự nhiễu động của môi trường bên ngoài như nhiệt độ, áp suất, nhiễu động
không khí v.v.
Gió cạnh cũng là một dạng nhiễu làm lệch dòng không khí, biến đổi

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


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

bay ở vùng tốc độ nhỏ khi hạ cánh có gió cạnh bằng việc thực hiện đồng thời
hai phương pháp số: Đó là phương pháp xoáy rời rạc (XRR) và phương pháp

sử dụng phần mềm Ansys. Tính hội tụ kết quả tính toán bằng hai phương pháp
phản ánh độ tin cậy của kết quả nghiên cứu đạt được.
Luận án sẽ dùng mô hình số đã được xây dựng để xác định ảnh hưởng
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.


Chương 2: Trình bày mô hình toán xác định ĐTKĐ của máy bay.
Trong đó nêu những nội dung chính sau:



- Khảo sát quĩ đạo hạ cánh có trượt cạnh và các biện pháp khắc phục
ảnh hưởng của gió cạnh khi hạ cánh.

Những đóng góp mới của luận án
1- Phát triển tiếp mô hình không gian cho cánh nâng cơ sở bằng
phương pháp xoáy rời rạc.
2- Khẳng định gió cạnh có ảnh hưởng đến các đặc tính khí động của

máy bay. Đưa ra khái niệm góc trượt cạnh tới hạn và khuyến cáo là sẽ tiềm ẩn
nguy hiểm khi góc trượt cạnh lớn hơn góc trượt cạnh tới hạn.
Khẳng định khi vận tốc bay giảm thì góc trượt cạnh tới hạn cũng giảm
theo.
3- Bổ sung thêm các đặc tính khí động của máy bay khi có ảnh hưởng
của gió cạnh bằng phương pháp số bên cạnh các số liệu bay thực nghiệm.
Các kết quả tính toán, các biện pháp đề xuất, một số kết luận rút ra, các
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