Công thực tính lực nâng cánh máy bay trực thăng

Máy bay trực thăng hoạt động thế nào. Làm thế nào nó thay đổi hướng bay chiều bay?

Tìm hiểu nguyên tắc hoạt động của máy bay trực thăng

Cánh quạt chính

Nhiệm vụ của cánh quạt chính là tạo ra lực nâng để thắng trọng lực của máy bay để nâng nó bay trong không khí. Lực nâng được tạo ra nhờ sự tương tác với khí quyển. Trong quá trình quay cách quạt tác dụng vào không khí một lực và ngược lại theo định luật 3 không khí tác dụng lên cánh quạt một phạn lực hướng lên trên. Do đó khi không có không khí lực nâng này sẽ không còn - hay nói cách khác, không thể dùng máy bay trực thăng để bay lên mặt trăng dù công suất của động cơ có lớn đến đâu. Vì giữa trái đất và mặt trăng là chân không.

Cánh quạt đuôi

Cánh quạt đuôi hết sức quan trọng vì theo định luật bảo toàn mômen xung lượng khi cánh quạt chính quay theo chiều kim đồng hồ thì phần còn lại của máy bay sẽ có xu hướng quay theo chiều ngược lại. [hình vẽ]

Ngoài ra nhờ việc thay đổi công suất của cánh quạt đuôi mà máy bay có thể chuyển hướng sang phải sang trái dễ dàng.

Cánh quạt đuôi [tailrotor] được nối với cánh quạt chính[ main Rotor] nhờ một hệ dẫn động như hình vẽ dưới đây:

Cũng có loại máy bay trực thăng không cần cánh quạt đuôi, khi đó người ta dùng 2 cánh quạt chính quay ngược chiều nhau. Lực nâng của 2 cánh quạt này đều hướng lên trên nhưng mômen xung lượng thì triệt tiêu lẫn nhau. Khi muốn đổi hướng bay người ta phải thay đổi công suất của một trong 2 cánh quạt để momen của một trong 2 thắng thế.

Cấu tạo và hoạt động của cánh máy bay

Người ta chế tạo trực thăng như thế nào?

Công nghệ hiện đại giúp cho việc sản xuất máy bay trực thăng trở nên dễ dàng và đa dạng hơn. Tuy nhiên, các công đoạn vẫn phải có những tiêu chuẩn nhất định.

Trước tiên, về thiết kế, các máy bay trực thăng có thể hoạt động được nhờ vào một trong hai loại động cơ chính theo nguyên lý pít tông hoặc tua bin khí. Các động cơ này giúp đỡ cho hệ thống cánh quạt chuyển động.

Máy bay trực thăng có hệ thống cánh quạt gồm từ hai đến 6 lưỡi gắn vào một trục trung tâm. Chúng thường có chiều dài tương đối và bề ngang nhỏ, chuyển động chậm giúp điều khiển trực thăng dễ dàng hơn. Để giảm thiểu trọng lượng, hiện các loại máy bay trực thăng hạng nhẹ đều chỉ gắn hai cánh quạt. Vật liệu dùng để sản xuất trực thăng thường được làm từ kim loại hoặc hợp chất composite hoặc kết hợp cả hai.

Quy trình sản xuất 1 chiếc trực thăng

Tổng hợp

Để tính được sức đẩy của cánh quạt [Rotor chính] thì trước hết cần phài tuân thủ 1 công thức thực nghiệm đơn giản như sau: Để nâng được một vật có Khối lượng M lên khỏi mặt đất với tốc độ 1m/s thì đồng nghĩa với việc cánh quạt phải đẩy 1 khối lượng không khí xuống phía dưới cũng có khối lượng tương đương là M cũng với tốc độ 1m/s...

Để tính được sức đẩy của cánh quạt thì trước hết cần phài tuân thủ 1 công thức thực nghiệm đơn giản như sau:

Để nâng được một vật có Khối lượng M lên khỏi mặt đất với tốc độ 1m/s thì đồng nghĩa với việc cánh quạt phải đẩy 1 khối lượng không khí xuống phía dưới cũng có khối lượng tương đương là M với tốc độ 1m/s...

Khối lượng riêng của không khí trong điều kiện nhiệt độ thường và áp suất thường là khoảng 1,25 - 1,29kg/m3 nghĩa rằng 1 mét khối khí chỉ khoảng 1,25kg cho nến để nâng được máy bay có trọng lượng 500 kg thì cánh quạt phạt đẩy được 500 kg không khí xuống dưới với tốc độ tương đương 1m/s...

Và để đạt được một thông lượng khí tương đương 500kg tức là vào khoảng 400m3 không khí thì căn cứ vào tốc độ vòng quay, số cánh quạt và tiết diện của cánh quạt cũng như góc nghiêng của cánh quạt để tính ra được khả năng đẩy của cánh quạt.

Trước hết hãy tính lượng không khí do 1 cánh đơn của Rotor đẩy xuống dưới theo phương thẳng đứng [mỗi Rotor có thể được thiết kế từ 2 đến 6 cánh] với góc nghiêng cánh được xác định 20 độ [tương đương sin20 = 0.342], có độ dài đơn là R và độ rộng là L thì sẽ tạo ra một tiết diện phẳng là S = R x L và căn cứ vào độ nghiêng 20 độ mà nó sẽ tạo ra một tiết diện thẳng đứng là 

D = S.sin20 = 0,342S

Như vậy, mỗi cánh quạt đơn khi quay đủ một vòng nó sẽ dẩy được 1 lượng không khí xuống dưới là 

P = 3.14 x R x R x D

Nếu thiết kế Rotor có 4 cánh thì mỗi vòng quay sẽ tạo ra 

P4 = 4 x P

Với tốc độ vòng quay được dự kiến 2000RPM tương đương 33,33 vòng/s thì nó sẽ tạo khoảng 133,33 P không khí bị đẩy xuống dưới trong 1 giây đồng hồ. Như vậy, nhiệm vụ của nó là 133,33P khối khí này phải tương đương 500kg không khí hay nói cách khác là 1P không khí phải tương đương 3,75kg không khí/s tương đương với 3 met khối không khí/s cho nên mỗi cánh đơn sẽ phải quét được 3/4 mét khối khí xuống dưới trong vòng quay duy nhất...

Vì thế, để tạo được 0,75 mét khối khí trong 1 vòng quay thì tiết diện, độ nghiêng cánh phải được xác định tương đương khoảng 0,25 m khối.

Với độ nghiêng cánh 20 độ nên tiết diện ngang của cánh quạt sẽ phải là: 

0,25 m3/sin20 = 0,25/0,342 = 0,73m2

Nếu lấy bề rộng cánh là 300mm thì độ rộng cánh sẽ là 2,4 m nhưng vì sử dụng 2 hệ thống cánh quạt nên mỗi cánh đơn sẽ là 1,2m không tính độ rỗng của phần trục ghép cánh.

Do đó, để giảm chiều rộng cũng như chiều dài của cánh thì nên để vận tốc quay của cánh quạt là 4000RPM không cần qua hộp giảm tốc nữa thì sẽ giảm được chiều dài của cánh xuống vào khoảng 0,9m x 0,2 m không tính phần trục nối

Chú ý: Đối với các Máy bay thông dụng sử dụng Cánh tay đòn Bell - Hiller để làm thay đổi góc nghiêng cánh Rotor thì góc nghiêng lớn nhất của các cánh Rotor không được phép vượt quá 12 độ vì nếu góc nghiêng của cánh Rotor lớn hơn 12 độ thì một lượng lớn không khí sẽ không được đẩy xuống dưới theo chiều thẳng đứng [vuông góc với mặt phẳng của các cánh Rotor] mà sẽ thổi bạt ra xung quanh gây nên sự tổn thất lực đẩy một cách nghiêm trọng.
Thay vào đó, để làm giảm bớt sự phân tán lực của Rotor ra xung quanh thì nên tạo ra các cánh Rotor càng vào phía trong trục thì

góc nghiêng càng lớn, ngược lại, càng ra ngoài mép cánh thì góc nghiêng càng giảm dần. Đồng thời, các cánh Rotor thường được thiết kế cụp lại sao cho có thể tạo ra lượng khí hướng tâm nhiều hơn.

Chính vì điều này mà ta thường thấy các cánh quạt Rotor của các Máy bay rũ xuống [khi Rotor quay càng nhanh thì các cánh sẽ càng uốn dần lên phía trên]

Tác giả bài viết: Dr TRẦN Phúc Ánh

Lưu ý: Các bài viết trên in lại các trang web hoặc các nguồn phương tiện truyền thông khác không xác định nguồn //tri-heros.net là vi phạm bản quyền

1. 07-10-2014, 10:24:38 PM #1

   Chào các bác ở cncprovn.com, em đang tập tành diy máy bay trực thăng mô hình. Em tìm về cơ sở lý thuyết để tính toán liên quan giữa công suất động cơ và khối lượng máy bay, em tìm trên net mãi chưa thấy, có bác nào biết chỉ giùm em với.thks

3. 07-10-2014, 10:36:59 PM #2

5. 07-10-2014, 10:43:25 PM #3

   Động cơ càng khỏe và tổng khối lượng càng nhỏ càng tốt

7. 07-10-2014, 11:17:49 PM #4

   Tính toán lý thuyết nghĩa là bỏ qua ma sát và luồng gió do cánh quạt tạo ra sẽ đẩy thẳng xuống nhỉ. Khối lượng máy bay: M Công suất động cơ: P Chiều dài cánh quạt: l [1 cánh] Khối lượng riêng không khí: j Vận tốc gió dưới cánh: v Để máy bay cân bằng trong không khí: trong 1 đơn vị thời gian động lượng luồng gió do cánh tạo gia phải cân bằng với trọng lực máy bay mv = Mg [m là khối lượng luồng không khí] Vì trong 1 đơn vị thời gian không khí đi được 1 đoạn đường = vận tốc v

   m = pi*[l2*v]*j

   -> Mg = pi*j*l2*v2 -> v = sqrt[Mg/[pi*j*l2]] [căn bậc 2]

   Trong 1 đơn vị thời gian thì công suất động cơ sinh ra =động năng của luồng gió dưới cánh quạt

   P = m*v2/2 = [pi*j*l2*v]*v2/2 = v3*pi*j*l2/2Thay giá trị vận tốc v ở phương trình trên vào ta được mối liên hệ giữa : Công suất P, Khối lượng máy bay M và chiều dài cánh quạt l

   
   pi = 3.14, j = 1,2kg/m3 g = 9,8m/s2 Vì không biết soạn thảo phương trình toán học ở đây nên các phương trình em viết tắt có thể đơn vị 2 vế không cân bằng nhau

   Muốn chuẩn bác viết ra giấy rồi chèn thêm biếm số vi phân thời gian dt vào 2 về rồi lấy tích phân theo t từ 0->1 mới ra được các phương trình trên.

   Kết : viết ra giấy Mg = pi*j*l*l*v*v -> v = sqrt[Mg/[pi*j*l2]] [căn bậc 2]

   
   và P = v3*pi*j*l2​/2

   rút v theo 1 cái rồi lắp vào cái còn lại, nhìn ở đây nhức đầu quá

   Lần sửa cuối bởi Khoa C3, ngày 07-10-2014 lúc 11:35:56 PM.

   Zalo: 0975 826 040. Nguyen Van Khoa 131 2128 6777 016 NH Techcombank HD.

9. 08-10-2014, 12:04:04 AM #5

   Gửi bởi Khoa C3

   Tính toán lý thuyết nghĩa là bỏ qua ma sát và luồng gió do cánh quạt tạo ra sẽ đẩy thẳng xuống nhỉ. Khối lượng máy bay: M Công suất động cơ: P Chiều dài cánh quạt: l [1 cánh] Khối lượng riêng không khí: j Vận tốc gió dưới cánh: v Để máy bay cân bằng trong không khí: trong 1 đơn vị thời gian động lượng luồng gió do cánh tạo gia phải cân bằng với trọng lực máy bay mv = Mg [m là khối lượng luồng không khí] Vì trong 1 đơn vị thời gian không khí đi được 1 đoạn đường = vận tốc v

   m = pi*[l2*v]*j

   -> Mg = pi*j*l2*v2 -> v = sqrt[Mg/[pi*j*l2]] [căn bậc 2]

   Trong 1 đơn vị thời gian thì công suất động cơ sinh ra =động năng của luồng gió dưới cánh quạt

   P = m*v2/2 = [pi*j*l2*v]*v2/2 = v3*pi*j*l2/2Thay giá trị vận tốc v ở phương trình trên vào ta được mối liên hệ giữa : Công suất P, Khối lượng máy bay M và chiều dài cánh quạt l

   
   pi = 3.14, j = 1,2kg/m3 g = 9,8m/s2 Vì không biết soạn thảo phương trình toán học ở đây nên các phương trình em viết tắt có thể đơn vị 2 vế không cân bằng nhau

   Muốn chuẩn bác viết ra giấy rồi chèn thêm biếm số vi phân thời gian dt vào 2 về rồi lấy tích phân theo t từ 0->1 mới ra được các phương trình trên.

   Kết : viết ra giấy Mg = pi*j*l*l*v*v -> v = sqrt[Mg/[pi*j*l2]] [căn bậc 2]

   
   và P = v3*pi*j*l2​/2

   rút v theo 1 cái rồi lắp vào cái còn lại, nhìn ở đây nhức đầu quá

   
   vãi bác Khoa..nghi ngờ hồi đó không ở trong đội tuyển lý thì cũng toán của trường ah..

   Chánh - 0907336996
   THK NSK VEXTA... 2nd Item

11. 08-10-2014, 12:19:59 AM #6

    cái này là trùm của trùm. Trước em trong đội gà Lý của trường.. cũng lĩnh giải như ai mà mấy cái này giờ nó biết em chứ em không biết nó.

13. 08-10-2014, 08:37:51 AM #7

    Gửi bởi apeja

    Chào các bác ở cncprovn.com, em đang tập tành diy máy bay trực thăng mô hình. Em tìm về cơ sở lý thuyết để tính toán liên quan giữa công suất động cơ và khối lượng máy bay, em tìm trên net mãi chưa thấy, có bác nào biết chỉ giùm em với.thks

    Tính toán lý thuyết với bộ kit DIY liệu có phù hợp không?
    DIY được bộ KIT là dân mô hình phục sát đất rồi.

15. 08-10-2014, 01:25:56 PM #8

17. 08-10-2014, 01:31:39 PM #9

19. 08-10-2014, 01:32:56 PM #10