Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu tối ưu biên dạng khí động của khí cụ bay điều khiển một kênh

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:158

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu tối ưu biên dạng khí động của khí cụ bay điều khiển một kênh" trình bày việc xây dựng chương trình mô phỏng động lực học bay của khí cụ bay điều khiển một kênh; Xây dựng bài toán tối ưu biên dạng khí động của khí cụ bay điều khiển một kênh; Tối ưu tham số thiết kế bộ cánh trước cho khí cụ bay điều khiển một kênh cải tiến.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu tối ưu biên dạng khí động của khí cụ bay điều khiển một kênh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ TRẦN MẠNH TUÂN NGHIÊN CỨU TỐI ƯU BIÊN DẠNG KHÍ ĐỘNG CỦA KHÍ CỤ BAY ĐIỀU KHIỂN MỘT KÊNH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ TRẦN MẠNH TUÂN NGHIÊN CỨU TỐI ƯU BIÊN DẠNG KHÍ ĐỘNG CỦA KHÍ CỤ BAY ĐIỀU KHIỂN MỘT KÊNH Ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 9 52 01 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS. TS Nguyễn Văn Chúc 2. TS Lê Đức Hạnh HÀ NỘI - 2022
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. Hà nội, ngày 26 tháng 9 năm 2022 Người cam đoan NCS Trần Mạnh Tuân
ii LỜI CẢM ƠN Công trình nghiên cứu này được thực hiện tại Viện Tên lửa, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự - Bộ Quốc Phòng. Lời cảm ơn chân thành đầu tiên tôi xin gửi đến hai thầy hướng dẫn là PGS. TS Nguyễn Văn Chúc và TS Lê Đức Hạnh đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ bảo, tạo điều kiện tốt nhất để tôi có thể hoàn thành được luận án này. Xin chân thành cảm ơn Ban giám đốc Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự, Thủ trưởng Phòng đào tạo, Thủ trưởng Viện Tên lửa đã tạo điều kiện mọi mặt cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học, các cán bộ nghiên cứu trong Viện Tên lửa, Khoa Hàng không vũ trụ và Khoa Vũ khí - Học viện Kỹ thuật quân sự, Viện Cơ khí động lực - Đại học Bách khoa Hà Nội đã có những ý kiến góp ý quý giá trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận án. Tôi xin bày tỏ sự biết hơn sâu sắc đến gia đình, người thân cùng bạn bè, đồng nghiệp đã luôn quan tâm, cổ vũ, động viên và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi thực hiện luận án này. NCS Trần Mạnh Tuân
iii MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ......................................... vii DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................... xii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ..................................................................... xiii MỞ ĐẦU ..................................................................................................... 1 Chương 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................ 5 1.1. Tổng quan tối ưu hóa biên dạng khí động khí cụ bay............................... 5 1.1.1. Bài toán tối ưu biên dạng khí động khí cụ bay ...................................... 5 1.1.2. Phương pháp giải bài toán tối ưu biên dạng khí động ......................... 11 1.1.3. Tổng quan các nghiên cứu tối ưu biên dạng khí động khí cụ bay ........ 16 1.2. Tổng quan xu hướng phát triển khí cụ bay điều khiển một kênh ............ 18 1.2.1. Tổng quan về khí cụ bay điều khiển một kênh .................................... 18 1.2.2. Các nghiên cứu liên quan đến khí cụ bay điều khiển một kênh ........... 21 1.3. Phương pháp nghiên cứu không gian tham số........................................ 22 1.3.1. Vùng không gian tham số thiết kế....................................................... 23 1.3.2. Hàm ràng buộc và hàm mục tiêu ........................................................ 23 1.3.3. Giới hạn hàm mục tiêu và tập các điểm chấp nhận được..................... 24 1.3.4. Các điểm hiệu quả .............................................................................. 25 1.3.5. Không gian mục tiêu .......................................................................... 25 1.3.6. Sơ đồ thuật toán tối ưu........................................................................ 26 1.4. Những vấn đề tồn tại và hướng nghiên cứu của luận án ......................... 28 1.4.1. Những vấn đề tồn tại .......................................................................... 28 1.4.2. Hướng nghiên cứu của luận án ........................................................... 29 1.5. Kết luận chương 1 ................................................................................. 30
iv Chương 2 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC HỌC BAY KHÍ CỤ BAY ĐIỀU KHIỂN MỘT KÊNH .............................. 31 2.1. Các hệ tọa độ sử dụng............................................................................ 31 2.2. Xây dựng hệ phương trình mô tả chuyển động bay của khí cụ bay ........ 35 2.3. Lực và mô-men tác dụng lên khí cụ bay ................................................ 39 2.3.1. Trọng lực ............................................................................................ 40 2.3.2. Lực và mô-men khí động .................................................................... 42 2.3.3. Lực đẩy động cơ ................................................................................. 45 2.3.4. Lực căng dây vi cáp điều khiển .......................................................... 48 2.4. Phương pháp dẫn và thuật toán điều khiển khí cụ bay ........................... 53 2.5. Xây dựng quỹ đạo dẫn ........................................................................... 55 2.6. Xây dựng chương trình mô phỏng động lực học bay ............................. 58 2.7. Kết luận chương 2 ................................................................................. 61 Chương 3 XÂY DỰNG BÀI TOÁN TỐI ƯU BIÊN DẠNG KHÍ ĐỘNG CỦA KHÍ CỤ BAY ĐIỀU KHIỂN MỘT KÊNH ........................................ 62 3.1. Thiết lập bài toán tối ưu biên dạng khí động của khí cụ bay điều khiển một kênh sử dụng dây vi cáp ........................................................................ 62 3.1.1. Xác định các tham số thiết kế cần tối ưu ............................................. 62 3.1.2. Các hàm mục tiêu và ràng buộc của bài toán tối ưu ............................ 63 3.1.3. Lựa chọn phương pháp giải ................................................................ 68 3.2. Phương pháp giải bài toán tối ưu ........................................................... 70 3.2.1. Thiết lập bảng kết quả tính toán .......................................................... 71 3.2.2. Xác định tập các điểm chấp nhận được ............................................... 77 3.2.3. Lựa chọn phương án thiết kế tối ưu .................................................... 82 3.3. Kết luận chương 3 ................................................................................. 85 Chương 4 TỐI ƯU THAM SỐ THIẾT KẾ BỘ CÁNH TRƯỚC CHO
v KHÍ CỤ BAY ĐIỀU KHIỂN MỘT KÊNH CẢI TIẾN ................................ 87 4.1. Kiểm chứng phương pháp xác định bộ tham số khí động ...................... 87 4.1.1. Phương pháp mô phỏng số ................................................................. 87 4.1.2. Thực nghiệm ống thổi khí động .......................................................... 90 4.2. Kiểm chứng chương trình mô phỏng động lực học bay ......................... 93 4.2.1. Kiểm chứng đối với khí cụ bay CT14M ............................................. 93 4.2.2. Kiểm chứng đối với một phương án khí cụ bay CT14M cải tiến......... 98 4.3. Tối ưu tham số thiết kế bộ cánh trước cho khí cụ bay điều khiển một kênh cải tiến kiểu CT14M .......................................................................... 100 4.3.1. Xác định các ràng buộc tham số thiết kế ........................................... 101 4.3.2. Xác định tập các phương án chấp nhận được .................................... 110 4.3.3. Lựa chọn phương án thiết kế tối ưu .................................................. 114 4.4. Mô phỏng quỹ đạo bay phương án thiết kế tối ưu ................................ 120 4.4.1. Mục tiêu ở cự ly 500 m..................................................................... 120 4.4.2. Mục tiêu ở cự ly 2.500 m .................................................................. 121 4.5. Kết luận chương 4 ............................................................................... 122 KẾT LUẬN ................................................................................................ 123 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ....................... 125 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................... 126 PHỤ LỤC ................................................................................................. PL1 Phụ lục 1: Biên dạng khí động khí cụ bay CT14M .....................................PL1 Phụ lục 2: Biên dạng khí động khí cụ bay CT14M cải tiến kiểm chứng phương pháp xác định hệ số khí động ........................................................PL2 Phụ lục 3: Biên dạng khí động khí cụ bay CT14M cải tiến kiểm chứng chương trình mô phỏng động lực học bay ..................................................PL3
vi Phụ lục 4: Biên dạng khí động khí cụ bay CT14M cải tiến tối ưu ...............PL4 Phụ lục 5: Bảng hệ số rj  ...........................................................................PL5 l Phụ lục 6: Chương trình tính toán hệ số khí động khí cụ bay CT14M ........PL7 Phụ lục 7: Chương trình tính toán hệ số khí động khí cụ bay CT14M cải tiến ....PL8 Phụ lục 8: Lực đẩy động cơ khí cụ bay CT14M theo nhiệt độ...........................PL9
vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT a - Gia tốc khí cụ bay [m/s2] bk - Dây cung mút cánh [mm] b0 - Dây cung gốc cánh [mm] c* - Giới hạn dưới hàm ràng buộc c** - Giới hạn trên hàm ràng buộc Cbw - Ma trận cô-sin chỉ phương chuyển HTĐ liên kết sang HTĐ vận tốc CCe - Ma trận cô-sin chỉ phương chuyển HTĐ cầu mặt đất sang HTĐ mặt đất CD - Hệ số lực cản Cdk - Đạo hàm hệ số lực điều khiển theo góc lật cánh lái Ceb - Ma trận cô-sin chỉ phương chuyển HTĐ liên kết sang HTĐ mặt đất CL - Hệ số lực nâng Cx - Hệ số lực cản khí động dọc trục Cy - Hệ số lực khí động pháp tuyến Cz - Hệ số lực khí động ngang Cwe - Ma trận cô-sin chỉ phương chuyển HTĐ vận tốc sang HTĐ mặt đất D - Tập các điểm chấp nhận được  D - Tập các điểm có khả năng Dmin - Độ chính xác dẫn [m] E - Tập các điểm hiệu quả E - Tập các điểm Pareto f (A) - Hàm ràng buộc fx - Tần số quay quanh trục dọc [Hz] fz - Tần số dao động riêng kênh chúc ngóc [Hz] Fxa , Fya , Fza - Lực khí động trong HTĐ vận tốc [N]  Fb - Ngoại lực trong HTĐ liên kết [N] Fd - Lực căng dây vi cáp [N]
viii F dk - Lực điều khiển [N] Fcbdk - Lực điều khiển cân bằng [N] dk Fmax - Lực điều khiển cân bằng cực đại [N] Fxedk , Fyedk , Fzedk - Lực điều khiển trong hệ tọa độ mặt đất [N] Fyedk_ tb - Lực điều khiển trung bình kênh tầm [N] Fms - Lực ma sát tời dây [N]  FM - Lực Mechersky [N] FP - Lực đẩy động cơ [N] FxbP , FybP , FzbP - Lực đẩy động cơ trong HTĐ liên kết [N] F PHT - Lực đẩy ĐCHT [N] FxbPHT , FybPHT , FzbPHT - Lực đẩy ĐCHT trong HTĐ liên kết [N] F PP - Lực đẩy ĐCP [N] FxbPP , FybPP , FzbPP - Lực đẩy ĐCP trong HTĐ liên kết [N] Fxb , Fyb , Fzb - Ngoại lực so với các trục HTĐ liên kết [N] Fxba , Fyba , Fzba - Các thành phần lực khí động trong HTĐ liên kết [N] Fxbd , Fybd , Fzbd - Lực căng dây trong HTĐ liên kết [N] Fxbgra , Fybgra , Fzbgra - Trọng lực trong HTĐ liên kết [N] Fxbp , Fybp , Fzbp - Lực đẩy động cơ trong HTĐ liên kết [N] Fy - Đạo hàm lực pháp tuyến theo góc α [N/độ] Fy - Đạo hàm lực pháp tuyến theo góc δ [N/độ] g - Gia tốc trọng trường [ m/s2] G - Tập các điểm thỏa mãn ràng buộc Jx, J y, Jz - Mô-men quán tính trong HTĐ liên kết [ kg.m2] K - Hệ số chất lượng khí động Kc - Động lượng của hệ Kd - Hệ số hình dạng ống dây Kdk - Hệ số tính điều khiển được K od - Độ dự trữ ổn định tĩnh
ix lday - Chiều dài dây được tời ra [m] L - Sải cánh [mm] Lc - Mô-men động lượng của hệ [ kg2m/s] Lref - Chiều dài đặc trưng [m] m - Khối lượng khí cụ bay [kg] md - Hệ số mô-men sinh ra do lực căng dây cáp mday - Khối lượng dây được tời ra [kg] mnlp , mnlht - Khối lượng nhiên liệu ĐCP và ĐCHT [kg] Δmnlp , Δmnlht - Khối lượng nhiên liệu ĐCP và ĐCHT tiêu hao [kg] mx, my, mz - Hệ số mô-men khí động trong HTĐ liên kết  mx x , m y y , mz z - Các thành phần hệ số mô-men giảm chấn M - Mô-men ngoại lực trong HTĐ liên kết [N.m] M xa , M ya , M za - Mô-men khí động trong HTĐ liên kết [N.m] Md - Mô-men do lực căng dây vi cáp [N.m] M xd , M yd , M zd - Mô-men do lực căng dây trong HTĐ liên kết [N.m] M x, M y, M z - Mô-men ngoại lực trong HTĐ liên kết [N.m] P P P M ,M ,M x y z - Mô-men động cơ trong HTĐ liên kết [N.m] M xPP , M yPP , M zPP - Mô-men ĐCP trong HTĐ liên kết [N.m] M xPHT , M yPHT , M zPHT - Mô-men ĐCHT trong HTĐ liên kết [N.m] ny - Hệ số quá tải pháp tuyến nyVmin - Hệ số quá tải pháp tuyến ở vận tốc cực tiểu Vmin Oxbybzb - Hệ tọa độ liên kết Oexeyeze - Hệ tọa độ mặt đất Oe[r][ε][  ] - Hệ tọa độ cầu mặt đất Oxwywzw - Hệ tọa độ vận tốc P - Không gian tham số thiết kế rKCB ,  KCB ,  KCB - Tọa độ KCB trong HTĐ cầu mặt đất [m,độ,độ] rMT ,  MT ,  MT - Tọa độ MT trong HTĐ cầu mặt đất [m,độ,độ] R - Bán kính cong quỹ đạo [m] S ref - Diện tích đặc trưng [m2] tdcp, tdcht - Thời gian cháy ĐCP và ĐCHT [s] tgc - Thời gian giữ chậm máy lái [s] U dk , U y , U z - Tín hiệu điều khiển, kênh tầm, kênh hướng [V]
x Ub - Tín hiệu bù trọng lượng [V] Utt - Tín hiệu tuyến tính hóa [V] V - Vận tốc KCB [m/s] Vmin - Vận tốc cực tiểu KCB [m/s] VMT - Vận tốc mục tiêu [m/s] V xb ,V yb ,Vzb - Vận tốc KCB trong HTĐ liên kết [m/s] xa - Vị trí điểm đầu dây cung gốc cánh [mm] x0 MT , y0 MT , z0 MT - Tọa độ ban đầu của MT trong HTĐ mặt đất [m] xe , y e , z e - Tọa độ khối tâm KCB trong HTĐ mặt đất [m] xF - Vị trí tâm áp KCB tính từ mũi [m] xLP - Vị trí điểm đặt lực điều khiển loa phụt [m] xT - Vị trí khối tâm của KCB tính từ mũi [m] 1 ,..., n - Các tham số tối ưu   opt - Nghiệm tối ưu  *j , **j - Cận dưới và cận trên của tham số  j α, αcb, αp - Góc tấn, góc tấn cân bằng, góc tấn không gian [độ]  th , cb - Góc tấn tới hạn, góc tấn không gian cân bằng [độ]  - Góc trượt cạnh [độ] c - Góc Cren khí động [độ]  - Góc nghiêng loa phụt ĐCP [độ] λd - Độ giãn dài ống dây d - Đường kính dây vi cáp [m]  - Góc lệch loa phụt [độ]  cb - Góc lệch cánh lái cân bằng [độ]  cbtd - Góc lệch loa phụt cân bằng tương đương [độ]  max - Góc lệch loa phụt cực đại [độ]  - Khối lượng riêng không khí [ kg/m3] d - Khối lượng riêng dây vi cáp theo chiều dài χ - Góc mũi tên cánh [độ]   - Vận tốc góc của KCB [ rad/s]  x , y , z - Vận tốc góc của KCB trong HTĐ liên kết rad/s  , , - Góc giữa HTĐ mặt đất và HTĐ liên kết [độ]
xi  ,  , c - Góc giữa HTĐ vận tốc và HTĐ mặt đất [độ]  1 (A ),...,  k (A ) - Các hàm mục tiêu cần tối ưu CFD - Động lực học dòng chảy (Computational Fluid Dynamics) CT14M - Khí cụ bay CT14M ĐCP - Động cơ phóng ĐCHT - Động cơ hành trình GA - Thuật toán di truyền (Genetic Algorithm) HSKĐ - Hệ số khí động HTĐ - Hệ tọa độ KCB - Khí cụ bay MCLOS - Điều khiển thủ công (Manual command to line of sight) MD - Missile Datcom MT - Mục tiêu PSO - Tối ưu bầy đàn (Particle Swarm Optimization) PSI - Phương pháp nghiên cứu không gian tham số (Parameter Space Investigation) SACLOS - Điều khiển bán tự động (Semi-automatic command to line of sight) TN - Thử nghiệm
xii DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 2.1. Hệ số hình dạng theo độ giãn dài ống dây .................................... 52 Bảng 4.1. Bảng so sánh hệ số khí động của khí cụ bay CT14M.................... 92 Bảng 4.2. Bảng so sánh hệ số khí động của khí cụ bay CT14M cải tiến ....... 92 Bảng 4.3. Một số chỉ tiêu cơ bản của khí cụ bay CT14M ............................. 93 Bảng 4.4. Bảng khối lượng, quán tính, trọng tâm khí cụ bay CT14M ........... 93 Bảng 4.5. Hệ số khí động khí cụ bay CT14M ............................................... 94 Bảng 4.6. Kết quả mô phỏng chuyển động khí cụ bay CT14M ..................... 94 Bảng 4.7. Các tham số khối lượng, quán tính khí cụ bay cải tiến .................. 99 Bảng 4.8. Hệ số khí động khí cụ bay CT14M cải tiến................................... 99 Bảng 4.9. Bảng phụ thuộc các tham số vào vị trí cánh ................................ 102 Bảng 4.10. Bảng phụ thuộc các tham số vào sải cảnh ................................. 105 Bảng 4.11. Bảng phụ thuộc các tham số vào góc mũi tên ........................... 106 Bảng 4.12. Bảng phụ thuộc các tham số vào dây cung gốc cánh ................ 107 Bảng 4.13. Bảng phụ thuộc các tham số vào dây cung mút cánh ................ 108 Bảng 4.14. Một số phương án tối ưu theo các hàm mục tiêu ...................... 112 Bảng 4.15. Bảng giá trị các hàm mục tiêu một số phương án ..................... 112 Bảng 4.16. Tọa độ và hàm mục tiêu các phương án thuộc tập D ................ 114 Bảng 4.17. Giới hạn vùng không gian tìm kiếm P1 ..................................... 115 Bảng 4.18. Bảng so sánh giá trị các hàm mục tiêu phương án B và B1 ....... 117 Bảng 4.19. Giới hạn vùng không gian tìm kiếm P2 ..................................... 117 Bảng 4.20. Bảng so sánh giá trị các hàm mục tiêu phương án B1 và B2 ...... 119 Bảng 4.21. Các tham số thiết kế phương án B2 ........................................... 119
xiii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1. Sơ đồ tối ưu theo thuật toán di truyền ........................................... 14 Hình 1.2. Tổ hợp khí cụ bay điều khiển một kênh CT11 .............................. 19 Hình 1.3. Phương pháp dẫn ba điểm............................................................. 19 Hình 1.4. Cuộn dây vi cáp khí cụ bay CT14M.............................................. 20 Hình 1.5. Sơ đồ thuật toán tối ưu theo phương pháp PSI .............................. 27 Hình 2.1. Hệ tọa độ mặt đất và hệ tọa độ liên kết ......................................... 31 Hình 2.2. Hệ tọa độ vận tốc và hệ tọa độ liên kết.......................................... 32 Hình 2.3. Hệ tọa độ vận tốc và hệ tọa độ mặt đất.......................................... 33 Hình 2.4. Hệ tọa độ cầu mặt đất và hệ tọa độ liên kết ................................... 34 Hình 2.5. Sơ đồ mối quan hệ giữa các hệ tọa độ ........................................... 35 Hình 2.6. Tải trọng tác dụng lên khí cụ bay .................................................. 39 Hình 2.7. Quy luật tiêu hao nhiên liệu động cơ............................................. 41 Hình 2.8. Lực đẩy và mô-men động cơ phóng .............................................. 46 Hình 2.9. Lực đẩy và mô-men động cơ hành trình........................................ 47 Hình 2.10. Sơ đồ mô tả việc tách phần tử khối lượng dây dm ra khỏi khí cụ bay........................................................................................................... 49 Hình 2.11. Mô hình hình học cuộn dây điều khiển ....................................... 51 Hình 2.12. Đồ thị phụ thuộc hệ số giãn dài theo chiều dài dây .................... 52 Hình 2.13. Sơ đồ dẫn khí cụ bay kênh tầm theo phương pháp 3 điểm........... 53 Hình 2.14. Quỹ đạo dẫn................................................................................ 55 Hình 2.15. Dạng quỹ đạo dẫn của khí cụ bay................................................ 58 Hình 2.16. Sơ đồ chức năng vòng điều khiển khí cụ bay .............................. 58 Hình 2.17. Chương trình mô phỏng quỹ đạo khí cụ bay trong Matlab
xiv Simulink ....................................................................................................... 60 Hình 3.1. Biểu diễn biên dạng khí động khí cụ bay ...................................... 62 Hình 3.2. Đồ thị phụ thuộc hệ số chất lượng khí động vào góc tấn ............... 64 Hình 3.3. Sơ đồ hình thành lực điều khiển theo phương đứng và phương ngang ........................................................................................................... 65 Hình 3.4. Sơ đồ thuật toán thiết lập bảng kết quả tính toán ........................... 71 Hình 3.5. Sơ đồ thuật toán tính tọa độ các phương án tìm kiếm.................... 73 Hình 3.6. Sơ đồ tính toán bộ hệ số khí động các phương án ......................... 75 Hình 3.7. Sơ đồ thuật toán mô phỏng động lực học bay ............................... 76 Hình 3.8. Sơ đồ thuật toán xác định tập G .................................................... 78 Hình 3.9. Sơ đồ thuật toán xác định tập D .................................................... 79 Hình 3.10. Sơ đồ thuật toán kiểm tra điều kiện không rỗng của tập D .......... 80 Hình 3.11. Sơ đồ thuật toán tự động tìm giới hạn hàm mục tiêu ................... 81 Hình 3.12. Thuật toán tìm biên Pareto .......................................................... 84 Hình 4.1. Trình tự giải bài toán mô phỏng CFD ........................................... 88 Hình 4.2. Hình ảnh cấu trúc lưới bài toán mô phỏng khí cụ bay CT14M ...... 88 Hình 4.3. Hình ảnh cấu trúc lưới bài toán mô phỏng khí cụ bay CT14M cải tiến.......................................................................................................... 88 Hình 4.4. Phân bố áp suất bề mặt chảy bao khí cụ bay CT14M .................... 89 Hình 4.5. Phân bố áp suất bề mặt chảy bao khí cụ bay CT14M cải tiến ........ 89 Hình 4.6. Sơ đồ bố trí thử nghiệm thổi khí động khí cụ bay ......................... 91 Hình 4.7. Thử nghiệm thổi khí động khí cụ bay ........................................... 91 Hình 4.8. Quỹ đạo khí cụ bay trong mặt phẳng đứng khi mục tiêu ở cự ly 3.000 m ........................................................................................................ 95 Hình 4.9. Quỹ đạo khí cụ bay trong mặt phẳng ngang khi mục tiêu ở cự ly
xv 3.000 m ......................................................................................................... 95 Hình 4.10. Đồ thị vận tốc khí cụ bay khi mục tiêu ở cự ly 3.000 m .............. 96 Hình 4.11. Đồ thị vận tốc góc khí cụ bay khi mục tiêu ở cự ly 3.000 m........ 96 Hình 4.12. Quỹ đạo khí cụ bay trong mặt phẳng đứng khi mục tiêu ở cự ly 500 m ........................................................................................................... 97 Hình 4.13. Quỹ đạo khí cụ bay trong mặt phẳng ngang khi mục tiêu ở cự ly 500 m ....................................................................................................... 97 Hình 4.14. Đồ thị vận tốc khí cụ bay khi mục tiêu ở cự ly 500 m ................. 97 Hình 4.15. Đồ thị vận tốc góc khí cụ bay khi mục tiêu ở cự ly 500 m .......... 98 Hình 4.16. Sơ đồ gá đặt cảm biến đo lực căng dây cáp ................................. 99 Hình 4.17. Đồ thị so sánh lực căng dây vi cáp ở cự ly 1.800 m .................. 100 Hình 4.18. Các tham số thiết kế cánh trước ................................................ 101 Hình 4.19. Ảnh hưởng vị trí cánh tới quỹ đạo khí cụ bay ........................... 103 Hình 4.20. Ảnh hưởng sải cánh tới quỹ đạo khí cụ bay .............................. 105 Hình 4.21. Tập G trong không gian hàm mục tiêu ...................................... 111 Hình 4.22. Tập các phương án chấp nhận được D ...................................... 113 Hình 4.23. Các phương án tìm kiếm trong không gian mục tiêu khi tìm kiếm trong miền P với N = 1024 ................................................................ 115 Hình 4.24. Các phương án tìm kiếm trong không gian mục tiêu khi tìm kiếm trong miền P1 với N = 64 .................................................................. 116 Hình 4.25. Các phương án tìm kiếm trong không gian mục tiêu khi tìm kiếm trong miền P2 với N = 64 .................................................................. 118 Hình 4.26. Các phương án tìm kiếm trong không gian mục tiêu khi tìm kiếm trong miền P2 với N = 128 ................................................................ 119 Hình 4.27. Quỹ đạo khí cụ bay trong mặt phẳng đứng khi mục tiêu ở cự ly 500 m ......................................................................................................... 120
xvi Hình 4.28. Quỹ đạo khí cụ bay trong mặt phẳng ngang khi mục tiêu ở cự ly 500 m ..................................................................................................... 120 Hình 4.29. Quỹ đạo khí cụ bay trong mặt phẳng đứng khi mục tiêu ở cự ly 2.500 m ...................................................................................................... 121 Hình 4.30. Quỹ đạo khí cụ bay trong mặt phẳng ngang khi mục tiêu ở cự ly 2.500 m .................................................................................................. 121
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Trong chiến tranh hiện đại, các loại khí cụ bay (KCB) đóng vai trò quan trọng, quyết định trong tác chiến. Chính vì lý do đó, KCB đã và đang được nhiều nước trên thế giới đầu tư nghiên cứu và phát triển. Cùng với việc chế tạo mới các loại KCB, một trong các xu hướng phổ biến được các nước tiến hành là nghiên cứu, cải tiến, nâng cấp các loại KCB đã có. Hướng phát triển chủ yếu là dựa trên nguyên lý KCB có sẵn, thay đổi phương pháp điều khiển, tăng vận tốc, tăng tầm bay tối đa, tăng uy lực chiến đấu... Khi tiến hành cải tiến KCB sẽ làm thay đổi khối lượng, vị trí trọng tâm và kích thước hình học của nó. Việc thiết kế mới KCB cũng như cải tiến KCB hiện có phải đảm bảo các yêu cầu về tính ổn định, khả năng điều khiển, hệ số quá tải ... Một trong các giải pháp thường được sử dụng để đảm bảo các yêu cầu trên là lựa chọn thiết kế biên dạng khí động tối ưu cho KCB. Tối ưu hóa biên dạng khí động nhằm mục đích nâng cao hiệu quả bay của KCB đã được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu từ nhiều năm. Các chuyên gia thiết kế khí động học luôn cố gắng để tìm ra biên dạng khí động tốt hơn nữa cho KCB, thể hiện ở việc tìm cực trị cho các hàm mục tiêu tương ứng. Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của hệ thống phần cứng và phần mềm máy tính điện tử, việc tính toán tối ưu biên dạng khí động được tiến hành thuận lợi hơn, cho phép tự động giải quyết nhiều bài toán phức tạp. Khí cụ bay điều khiển một kênh là loại KCB được điều khiển bay tới mục tiêu theo phương pháp dẫn 3 điểm thông qua dây vi cáp. Một đầu dây vi cáp gắn với hệ thống điều khiển trên khoang, một đầu gắn với đài điều khiển mặt đất. Trong quá trình bay tới mục tiêu, dây vi cáp liên tục được tời ra khỏi
2 thân KCB, trải dài từ KCB tới vị trí phóng và đóng vai trò truyền tín hiệu từ đài điều khiển mặt đất lên KCB [15]. Các nghiên cứu về KCB có điều khiển nói chung và KCB điều khiển một kênh sử dụng dây vi cáp nói riêng là lĩnh vực hạn chế công bố thông tin. Các thông tin chung về khí động học và động lực học bay của KCB nói chung được đề cập trong một số tài liệu. Tuy nhiên, chưa có tài liệu nào công khai trình bày một cách đầy đủ, khoa học, có hệ thống về xây dựng mô hình toán mô phỏng động lực học bay cũng như tối ưu tham số biên dạng khí động cho đối tượng KCB điều khiển một kênh sử dụng dây vi cáp. Những năm gần đây Quân đội đã tiến hành chuyển giao công nghệ một số loại KCB, đồng thời đầu tư nghiên cứu, cải tiến một số trang bị, khí tài hiện có. Nghiên cứu làm chủ và tiến tới chế tạo những vũ khí hiện đại đưa vào trong trang bị quân đội là một trong những nhiệm vụ quan trọng, cấp thiết phục vụ yêu cầu xây dựng quân đội và bảo vệ tổ quốc. Đề tài “Nghiên cứu tối ưu biên dạng khí động của khí cụ bay điều khiển một kênh” được nghiên cứu nhằm mục đích bổ sung vào hệ thống các công trình phục vụ tính toán thiết kế và cải tiến KCB điều khiển một kênh cũng như các loại KCB khác. 2. Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng và giải bài toán tối ưu biên dạng khí động KCB điều khiển một kênh sử dụng dây vi cáp dựa trên cơ sở phân tích lời giải bài toán mô phỏng động lực học bay và kết quả tính toán bộ hệ số khí động. Ứng dụng phương pháp tối ưu tham số thiết kế bộ cánh trước cho KCB điều khiển một kênh cải tiến. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Khí cụ bay điều khiển một kênh sử dụng dây vi cáp kiểu CT14M.