Để hiểu cách hoạt động của các thành phần chính và các thành phần phụ của một chiếc máy bay, điều quan trọng là phải hiểu khái niệm khí động học cơ bản. Bốn lực tác dụng lên một chiếc máy bay liên quan đến việc chuyến bay thẳng và cân bằng và có tỉnh ổn định. Các lực này là lực đẩy, lực nâng, trọng lượng và lực kéo.
Lực đẩy là lực tiến lên được tạo ra bởi powerplant/propeller (cánh quạt). Nó chống lại hoặc vượt qua lực kéo. Như một quy tắc chung, nó được cho là hoạt động song song với trục dọc.Điều này không phải lúc nào cũng đúng như giải thích.
Lực cản là lực đẩy về phía sau, làm chậm lại và được gây ra bởi sự gián đoạn luồng không khí bởi cánh, thân máy bay và các vật thể nhô ra khác. Lực cản đối lập với lực đẩy và tác động về phía sau song song với hướng gió.
Trọng lượng là tổng tải trọng của máy bay, phi hành đoàn, nhiên liệu và hàng hóa hoặc hành lý. Trọng lượng kéo máy bay xuống dưới do lực hấp dẫn. Nó chống lại lực nâng và tác động thẳng đứng xuống dưới qua trọng tâm (CG) của máy bay.
Lực nâng chống lại lực hướng xuống của trọng lượng, được tạo ra bởi hiệu ứng động của không khí tác động lên cánh và tác động vuông góc với đường bay qua tâm lực nâng của cánh.
Một chiếc máy bay di chuyển trong không gian ba chiều và được điều khiển bằng cách di chuyển nó quanh một hoặc nhiều trục của nó. Trục dọc hoặc trục cuộn, kéo dài qua máy bay từ mũi đến đuôi, với đường đi qua CG. Trục ngang hoặc trục lắc dọc kéo dài qua máy bay trên một đường thẳng qua các đầu cánh, một lần nữa đi qua CG. Trục thẳng đứng, hoặc trục xoay, đi qua máy bay theo chiều dọc, giao với CG. Việc điều khiển chuyển động tất cả các lực làm cho máy bay di chuyển xung quanh một hoặc nhiều trục này và cho phép điều khiển máy bay trong chuyến bay.
Một trong những thành phần quan trọng nhất trong cấu tạo của máy bay là CG. Đó là điểm cụ thể mà khối lượng hoặc trọng lượng của một chiếc máy bay có thể được cho là trung tâm; nghĩa là, một điểm xung quanh đó, nếu máy bay có thể bị treo hoặc cân bằng, máy bay sẽ vẫn ở mức tương đối. Vị trí của CG của máy bay xác định độ ổn định của máy bay trong chuyến bay. Khi CG di chuyển về phía sau (về phía đuôi), máy bay ngày càng trở nên không ổn định về mặt động lực học. Trên máy bay có bình nhiên liệu nằm phía trước CG, điều quan trọng là CG được đặt khi bình nhiên liệu trống. Mặt khác, khi nhiên liệu được sử dụng, máy bay sẽ trở nên không ổn định. [Hình 3] CG được tính toán trong quá trình thiết kế và xây dựng ban đầu, đồng thời bị ảnh hưởng thêm bởi việc lắp đặt thiết bị trên máy bay, chất tải của máy bay và các yếu tố khác.
Cấu tạo của máy bay
Mặc dù máy bay được thiết kế cho nhiều mục đích khác nhau, nhưng hầu hết chúng đều có các bộ phận chính giống nhau. [Hình 4] Các đặc tính tổng thể phần lớn được xác định bởi các mục tiêu thiết kế ban đầu. Hầu hết các cấu trúc máy bay bao gồm các thành phần chính như: thân máy bay, cánh, các bộ phận để máy bay bay được ổn định, thiết bị hạ cánh và powerplane. Và các thành phần phụ bao gồm: khung máy bay, hệ thống điện, điều khiển chuyến bay và phanh.
Các thành phần chính của máy bay
Thân máy bay
Thân máy bay là phần trung tâm của máy bay và được thiết kế để chứa phi hành đoàn, hành khách và hàng hóa. Nó cũng cung cấp kết nối cấu trúc cho cụm cánh và đuôi. Các kiểu thiết kế máy bay cũ hơn sử dụng cấu trúc giàn mở được làm bằng ống gỗ, thép hoặc nhôm. [Hình 5] Các loại cấu trúc thân máy bay phổ biến nhất được sử dụng trong máy bay ngày nay là monocoque (tiếng Pháp có nghĩa là “vỏ đơn”) và semimonocoque. Các loại cấu trúc này sẽ được thảo luận chi tiết hơn trong phần chế tạo máy bay ở phần sau của bài viết.
Cánh máy bay
Cánh là những airfoils được gắn vào mỗi bên của thân máy bay và là bề mặt nâng chính hỗ trợ máy bay trong chuyến bay. Có rất nhiều thiết kế cánh, kích cỡ và hình dạng được sử dụng bởi các nhà sản xuất khác nhau. Mỗi đáp ứng một nhu cầu nhất định đối với hiệu suất mong đợi cho máy bay cụ thể.
Cánh có thể được gắn ở phần trên, giữa hoặc dưới của thân máy bay. Những thiết kế này được gọi tương ứng là cánh cao, cánh giữa và cánh thấp. Số lượng cánh cũng có thể thay đổi. Máy bay có một bộ cánh duy nhất được gọi là máy bay một tầng cánh (monoplanes), trong khi những chiếc có hai bộ cánh được gọi là máy bay hai tầng cánh (biplanes). [Hình 6]
Nhiều máy bay cánh cao có thanh giằng bên ngoài, hoặc thanh chống cánh, giúp truyền tải trọng khi bay và hạ cánh qua thanh chống đến cấu trúc thân máy bay chính. Vì các thanh chống cánh thường được gắn vào khoảng nửa chừng trên cánh, nên loại cấu trúc cánh này được gọi là nửa công xôn. Một số máy bay cánh cao và hầu hết cánh thấp đều có cánh công xôn đầy đủ được thiết kế để mang tải mà không cần thanh chống bên ngoài.
Các bộ phận cấu trúc chính của cánh là xà ngang, xà dọc, khung sườn. [Hình 2-7] Chúng được gia cố bằng giàn, I-beams (dầm chữ I), các ống, hoặc các thiết bị khác, bao gồm cả vỏ. Sườn cánh xác định hình dạng và độ dày của cánh (cánh máy bay). Trong hầu hết các máy bay hiện đại, thùng nhiên liệu là một phần không thể thiếu trong cấu trúc của cánh hoặc bao gồm các thùng chứa linh hoạt được gắn bên trong cánh.
Được gắn vào các cạnh phía sau hoặc mép sau của cánh là hai loại bề mặt điều khiển được gọi là cánh ailerons ( các cánh nhỏ) và flaps (cánh tà). Ailerons kéo dài từ khoảng giữa của mỗi cánh ra ngoài về phía đầu và di chuyển theo hướng ngược lại để tạo ra lực khí động học khiến máy bay lăn. Các flaps kéo dài ra ngoài từ thân máy bay đến gần điểm giữa của mỗi cánh. Các flaps thường ngang bằng với bề mặt của cánh trong chuyến bay hành trình. Khi mở rộng, các flaps di chuyển đồng thời xuống dưới để tăng lực nâng của cánh khi cất cánh và hạ cánh. [Hình 8]
Xem thêm: Cấu tạo chi tiết của cánh máy bay
Empennage (các bộ phận để máy bay bay được ổn định)
Bao gồm toàn bộ nhóm đuôi và bao gồm các bề mặt cố định như bộ thăng bằng dọc (vertical stabilizer) và bộ thăng bằng ngang (horizontal stabilizer). Các bề mặt có thể di chuyển bao gồm rudder, elevator và Trim tab. [Hình 9]
- Rudder: là một bộ phận di chuyển được nằm trên phần đuôi dọc của máy bay, cho phép máy bay rẽ sang phải hoặc sang trái so với trục dọc của máy bay. Rudder được điều khiển thông qua bàn đạp chân trong buồng lái của máy bay.
- Elevator: Elevator nằm tại phần sau của phần đuôi ngang của máy bay. Elevator có thể quay lên hoặc quay xuống nhằm điều khiển máy bay đi lên hoặc đi xuống theo trục dọc của máy bay. Elevator được điều khiển thông qua cần lái trong buồng lái máy bay. Khi phi công kéo cần lái về phía mình, elevator sẽ xoay lên trên, khiến cho đuôi máy bay di chuyển xuống dưới đồng thời đẩy mũi máy bay đi lên.
- Stabilator: Stabilator là bộ phận tương tự như Horizontal stabilizer của máy bay nhưng stabilator không cố định với thân máy bay mà có thể quay lên xuống và đóng vai trò như elevator. Stabilator thường có thêm một vạt nhỏ di chuyển cùng chiều với Stabilator đóng vai trò như 1 bộ phận trợ lực giúp tăng cảm giác khi điều khiển máy bay của Phi công.
- Trim tab: Trim tab là một vạt nhỏ nằm trên mép của Rudder và Elevator. Trim tab di chuyển theo tuỳ chỉnh của phi công nhằm mục đích trợ lực khi điều khiển trạng thái của máy bay, giúp các phi công có thể điều khiển máy bay một cách dễ dàng hơn.
Loại thiết kế empennage thứ hai không yêu cầu elevator. Thay vào đó, nó kết hợp một bộ ổn định ngang một mảnh (one-piece horizontal stabilizer) có thể xoay từ điểm bản lề trung tâm. Loại thiết kế này được gọi là stabilator và được di chuyển bằng bánh xe điều khiển, giống như elevator được di chuyển. Ví dụ: khi một phi công kéo bánh xe điều khiển trở lại, stabilator sẽ xoay để cạnh sau di chuyển lên. Điều này làm tăng tải trọng khí động học ở đuôi và làm cho mũi máy bay di chuyển lên. Stabilators có một mấu chống ăn mòn kéo dài qua mép sau của chúng. [Hình 2-10]
Antiservo tab di chuyển cùng hướng với cạnh sau của stabilator và giúp stabilator ít nhạy hơn. Antiservo tab cũng có chức năng như một trim tab để giảm áp lực điều khiển và giúp duy trì stabilator ở vị trí mong muốn.
Thiết bị hạ cánh (Landing Gear)
Bộ phận hạ cánh là bộ phận hỗ trợ chính của máy bay khi đỗ, lăn, cất cánh hoặc hạ cánh. Loại thiết bị hạ cánh phổ biến nhất bao gồm bánh xe, nhưng máy bay cũng có thể được trang bị phao để hoạt động trên mặt nước hoặc ván trượt để hạ cánh trên tuyết. [Hình 2-11]
Bộ phận hạ cánh bao gồm ba bánh xe—hai bánh xe chính và bánh xe thứ ba được đặt ở phía trước hoặc phía sau máy bay. Thiết bị hạ cánh có bánh xe gắn phía sau được gọi là thiết bị hạ cánh thông thường.
Máy bay có thiết bị hạ cánh thông thường đôi khi được gọi là tailwheel airplanes. Khi bánh xe thứ ba nằm trên mũi, nó được gọi là nosewheel (bánh mũi) và thiết kế được gọi là Tricycle gear. nosewheel hay tailwheel có thể lái được cho phép máy bay được điều khiển trong suốt mọi hoạt động khi ở trên mặt đất. Hầu hết các máy bay được điều khiển bằng cách di chuyển bàn đạp bánh lái, cho dù là nosewheel hay tailwheel. Ngoài ra, một số máy bay được lái bằng phanh vi sai.
Powerplant
Powerplant thường bao gồm cả động cơ và cánh quát. Chức năng chính của động cơ là cung cấp năng lượng để quay cánh quạt. Nó cũng tạo ra năng lượng điện, cung cấp nguồn chân không cho một số thiết bị bay và trong hầu hết các máy bay một động cơ, cung cấp nguồn nhiệt cho phi công và hành khách. [Hình 12] Động cơ được bao phủ bởi một nắp chụp hoặc vỏ đông·cợ, cả hai đều là loại vỏ bọc. Mục đích của nắp chụp hoặc vỏ động cơ là để sắp xếp hợp lý luồng không khí xung quanh động cơ và giúp làm mát động cơ bằng cách dẫn không khí xung quanh các xi-lanh.
Cánh quạt, được gắn ở phía trước động cơ, chuyển lực quay của động cơ thành lực đẩy, một lực tác động về phía trước giúp máy bay di chuyển trong không khí. Cánh quạt cũng có thể được gắn ở phía sau động cơ như ở loại máy bay đẩy. Cánh quạt là một cánh máy bay quay tạo ra lực đẩy thông qua tác động khí động học. Một vùng áp suất thấp được hình thành ở phía sau cánh máy bay của cánh quạt và áp suất cao được tạo ra ở mặt của cánh quạt, tương tự như cách lực nâng được tạo ra bởi một cánh máy bay được sử dụng làm bề mặt nâng hoặc cánh. Chênh lệch áp suất này kéo không khí qua cánh quạt, từ đó kéo máy bay về phía trước.
Có hai yếu tố quan trọng liên quan đến việc thiết kế cánh quạt ảnh hưởng đến hiệu quả của nó. Góc của lá cánh quạt, được đo so với trục cánh quạt, giữ cho góc tấn tương đối ổn định dọc theo nhịp của lá cánh quạt, giúp giảm hoặc loại bỏ khả năng bị chết máy. Cao độ được định nghĩa là khoảng cách mà một cánh quạt sẽ di chuyển trong một vòng quay nếu nó đang quay trong một khối. Hai yếu tố này kết hợp với nhau để cho phép đo hiệu quả của cánh quạt. Các cánh quạt thường được kết hợp với một tổ hợp aircraft/powerplant cụ thể để đạt được hiệu quả tốt nhất ở một cài đặt công suất cụ thể và chúng kéo hoặc đẩy tùy thuộc vào cách lắp động cơ.
Các thành phần phụ của máy báy
Các thành phần phụ của máy bay bao gồm khung máy bay, hệ thống điện, điều khiển chuyến bay và phanh.
Khung máy bay: là cấu trúc cơ bản của máy bay và được thiết kế để chịu được tất cả các lực khí động học, cũng như các ứng suất được áp đặt bởi trọng lượng của nhiên liệu, phi hành đoàn và trọng tải.
Hệ thống điện máy bay: Có chức năng chính của là tạo ra, điều chỉnh và phân phối năng lượng điện trên khắp máy bay. Có một số nguồn năng lượng khác nhau trên máy bay để cung cấp năng lượng cho hệ thống điện của máy bay. Các nguồn năng lượng này bao gồm: máy phát điện xoay chiều (AC) chạy bằng động cơ, bộ nguồn phụ trợ (APUs) và nguồn điện bên ngoài. Hệ thống năng lượng điện của máy bay được sử dụng để vận hành các thiết bị bay, các hệ thống thiết yếu như chống đóng băng, hê thống điều hòa không khí v.v. và các dịch vụ hành khách, chẳng hạn như chiếu sáng cabin.
Bộ điều khiển chuyến bay là các thiết bị và hệ thống quản lý trạng thái của máy bay và do đó, đường bay mà máy bay đi theo. Trong trường hợp của nhiều máy bay thông thường, bộ điều khiển chuyến bay chính sử dụng các bề mặt có bản lề, cạnh sau được gọi là elevator để tạo độ cao, aileron để lăn và rudder để nghiêng. Các bề mặt này được vận hành bởi phi công trong sàn đáp hoặc bởi phi công tự động.
Phanh máy bay: bao gồm nhiều miếng đệm (được gọi là miếng đệm caliper) được ép thủy lực vào nhau bằng một đĩa quay (gọi là rôto) ở giữa chúng. Các miếng đệm tạo áp lực lên rôto đang quay cùng với các bánh xe. Do ma sát trên rôto tăng lên, các bánh xe vốn đã chậm lại và ngừng quay. Các đĩa và má phanh được làm từ thép, giống như trong ô tô, hoặc từ vật liệu carbon có trọng lượng nhẹ hơn và có thể hấp thụ nhiều năng lượng hơn. Bởi vì phanh máy bay được sử dụng chủ yếu trong quá trình hạ cánh và phải hấp thụ một lượng năng lượng khổng lồ, nên tuổi thọ của chúng được đo bằng số lần hạ cánh chứ không phải dặm.
Xem thêm: Hộp đen máy bay là gì?
Các quy trình xây dựng của máy bay
Việc xây dựng thân máy bay đã phát triển từ sự sắp xếp cấu trúc giàn gỗ ban đầu sang cấu trúc vỏ liền khối đến cấu trúc vỏ bán nguyên khối hiện nay
kết cấu giàn
Hạn chế chính của cấu trúc giàn là thiếu hình dạng hợp lý. Trong phương pháp xây dựng này, chiều dài của ống, được gọi là longon, được hàn tại chỗ để tạo thành một khung chịu lực tốt. Các thanh chống dọc và ngang được hàn vào các thanh dài và tạo cho cấu trúc hình vuông hoặc hình chữ nhật khi nhìn từ cuối. Cần có các thanh chống bổ sung để chống lại ứng suất có thể đến từ bất kỳ hướng nào. Các dây và vách ngăn, hoặc các tấm định hình, được thêm vào để định hình thân máy bay và hỗ trợ lớp phủ.
Khi công nghệ phát triển, các nhà thiết kế máy bay bắt đầu bao bọc các bộ phận giàn để hợp lý hóa máy bay và cải thiện hiệu suất. Điều này ban đầu được thực hiện bằng vải, cuối cùng nhường chỗ cho các kim loại nhẹ như nhôm. Trong một số trường hợp, lớp vỏ bên ngoài có thể hỗ trợ tất cả hoặc một phần lớn tải trọng của chuyến bay. Hầu hết các máy bay hiện đại đều sử dụng một dạng cấu trúc vỏ chịu lực này được gọi là kết cấu liền khối (monocoque) hoặc bán liền khối (semimonocoque). [Hình 13]
Monocoque
Cấu trúc liền khối sử dụng lớp vỏ chịu lực để hỗ trợ hầu hết mọi tải trọng giống như một lon nước giải khát bằng nhôm. Mặc dù rất chắc chắn, nhưng cấu trúc liền khối không có khả năng chịu biến dạng bề mặt cao. Ví dụ, một lon nước giải khát bằng nhôm chịu lực đáng kể ở hai đầu lon, nhưng nếu mặt bên của lon bị biến dạng nhẹ trong khi đỡ một tải trọng, nó sẽ dễ dàng bị gãy vụn.
Bởi vì hầu hết các ứng suất xoắn và uốn được mang bởi lớp vỏ bên ngoài chứ không phải bởi một kết cấu khung mở, nên nhu cầu về thanh giằng bên trong đã được loại bỏ hoặc giảm đi, giúp tiết kiệm trọng lượng và tối đa hóa không gian. Một trong những phương pháp đáng chú ý và sáng tạo để sử dụng kết cấu liền khối đã được sử dụng bởi Jack Northrop. Năm 1918, ông nghĩ ra một phương pháp mới để chế tạo thân máy bay liền khối được sử dụng cho Lockheed S-1 Racer. Kỹ thuật này sử dụng hai nửa vỏ bằng ván ép đúc được dán lại với nhau xung quanh các vòng gỗ hoặc stringer.
Để tạo ra các nửa vỏ, thay vì dán nhiều dải ván ép lên một khuôn, ba bộ dải vân sam lớn đã được ngâm bằng keo và đặt trong một khuôn bê tông hình bán nguyệt trông giống như một cái bồn tắm. Sau đó, dưới một cái nắp được kẹp chặt, một quả bóng cao su được bơm căng trong khoang để ép ván ép vào khuôn. 24 giờ sau, nửa vỏ nhẵn đã sẵn sàng để ghép với một nửa khác để tạo thân máy bay. Hai nửa mỗi cái dày chưa đến một phần tư inch. Mặc dù được sử dụng trong thời kỳ đầu của ngành hàng không, nhưng cấu trúc liền khối sẽ không xuất hiện trở lại trong vài thập kỷ do sự phức tạp liên quan. Các ví dụ hàng ngày về kết cấu liền khối có thể được tìm thấy trong sản xuất ô tô, nơi liền khối được coi là tiêu chuẩn trong sản xuất.
Semimonocoque
Cấu trúc bán liền khối, một phần hoặc một nửa, sử dụng cấu trúc phụ để gắn vỏ máy bay. Cấu trúc phụ, bao gồm các vách ngăn và/hoặc các tấm định hình có nhiều kích cỡ và thanh giằng khác nhau, củng cố lớp vỏ chịu lực bằng cách chịu một số ứng suất uốn từ thân máy bay. Phần chính của thân máy bay cũng bao gồm các điểm gắn cánh và tường lửa. Trên máy bay một động cơ, động cơ thường được gắn ở phía trước thân máy bay. Có một vách ngăn chống cháy giữa phía sau động cơ và buồng lái hoặc cabin để bảo vệ phi công và hành khách khỏi các vụ cháy động cơ bất ngờ. Vách ngăn này được gọi là tường lửa và thường được làm bằng vật liệu chịu nhiệt như thép không gỉ. Tuy nhiên, một quy trình xây dựng mới đang nổi lên là sự tích hợp của vật liệu tổng hợp hoặc máy bay được làm hoàn toàn bằng vật liệu tổng hợp.
Cấu trúc xây dựng tổng hợp
Lịch sử:
Việc sử dụng vật liệu tổng hợp trong chế tạo máy bay có thể có từ máy bay Thế chiến II khi vật liệu cách nhiệt bằng sợi thủy tinh mềm được sử dụng trong thân máy bay B-29. Vào cuối những năm 1950, các nhà sản xuất thủy phi cơ hiệu suất cao của châu Âu đã sử dụng sợi thủy tinh làm cấu trúc chính. Năm 1965, mẫu FAA đã chứng nhận chiếc máy bay hoàn toàn bằng sợi thủy tinh đầu tiên thuộc hạng tiêu chuẩn, một chiếc thủy phi cơ của Thụy Sĩ có tên là Diamant HBV. Bốn năm sau, FAA đã chứng nhận Windecker Eagle một động cơ bốn chỗ ở hạng tiêu chuẩn. Đến năm 2005, hơn 35% máy bay mới được chế tạo bằng vật liệu composite.
Composite là một thuật ngữ rộng và có thể có nghĩa là các vật liệu như sợi thủy tinh, vải sợi carbon, vải Kevlar © và hỗn hợp của tất cả các vật liệu trên. Cấu trúc hỗn hợp mang lại hai ưu điểm: lớp vỏ cực kỳ mịn và khả năng dễ dàng tạo thành các cấu trúc cong hoặc sắp xếp hợp lý phức tạp. [Hình 14]
Vật liệu tổng hợp trong máy bay
Vật liệu composite là hệ thống ma trận cốt sợi. Ma trận là “keo” được sử dụng để giữ các sợi lại với nhau và khi được xử lý sẽ tạo cho bộ phận hình dạng của nó, nhưng các sợi chịu hầu hết tải trọng. Có nhiều loại sợi và hệ thống ma trận khác nhau.
Trong máy bay, ma trận phổ biến nhất là nhựa epoxy, là một loại nhựa nhiệt rắn. So với các lựa chọn khác như nhựa polyester, epoxy mạnh hơn và có đặc tính nhiệt độ cao tốt. Hiện có nhiều loại epoxy khác nhau, với nhiều đặc tính cấu trúc, thời gian và nhiệt độ lưu hóa cũng như chi phí.
Các sợi gia cố phổ biến nhất được sử dụng trong chế tạo máy bay là sợi thủy tinh và sợi carbon. Sợi thủy tinh có độ bền kéo và nén tốt, khả năng chống va đập tốt, dễ gia công, tương đối rẻ và sẵn có. Nhược điểm chính của nó là tương đối nặng và rất khó để làm cho cấu trúc chịu tải bằng sợi thủy tinh nhẹ hơn cấu trúc nhôm tương đương được thiết kế tốt.
Sợi carbon thường mạnh hơn về độ bền kéo và nén so với sợi thủy tinh và có độ cứng uốn cao hơn nhiều. Nó cũng nhẹ hơn đáng kể so với sợi thủy tinh. Tuy nhiên, nó tương đối kém về khả năng chống va đập; các sợi giòn và có xu hướng vỡ ra dưới tác động mạnh. Điều này có thể được cải thiện đáng kể với hệ thống nhựa epoxy “cứng rắn”, như được sử dụng trong bộ ổn định ngang và dọc của Boeing 787. Sợi carbon đắt hơn sợi thủy tinh, nhưng giá đã giảm do những đổi mới được thúc đẩy bởi chương trình B-2 vào những năm 1980 và Boeing 777 hoạt động trong những năm 1990. Cấu trúc sợi carbon được thiết kế rất tốt có thể nhẹ hơn đáng kể so với cấu trúc nhôm tương đương, đôi khi khoảng 30%.
Ưu điểm của vật liệu tổng hợp
Cấu trúc composite mang lại một số lợi thế so với kim loại, gỗ hoặc vải, với trọng lượng nhẹ hơn được nhắc đến nhiều nhất. Trọng lượng không phải lúc nào cũng nhẹ hơn một cách tự động. Cần phải nhớ rằng việc chế tạo cấu trúc máy bay bằng vật liệu tổng hợp không đảm bảo nó sẽ nhẹ hơn, nó phụ thuộc vào cấu trúc cũng như loại vật liệu tổng hợp được sử dụng.
Một lợi thế quan trọng hơn là cấu trúc khí động học, cong phức hợp, rất mượt mà được làm từ vật liệu tổng hợp giúp giảm lực cản. Đây là lý do chính khiến các nhà thiết kế thủy phi cơ chuyển từ kim loại và gỗ sang vật liệu tổng hợp vào những năm 1960. Trong máy bay, việc sử dụng vật liệu tổng hợp làm giảm lực cản đối với dòng máy bay sản xuất của Cirrus và Columbia, dẫn đến hiệu suất cao mặc dù thiết bị hạ cánh cố định của chúng. Vật liệu tổng hợp cũng giúp che giấu dấu hiệu radar của các thiết kế máy bay “tàng hình”, chẳng hạn như B-2 và F-22. Ngày nay, vật liệu tổng hợp có thể được tìm thấy trong máy bay đa dạng như tàu lượn cho đến hầu hết các máy bay trực thăng mới.
Không bị ăn mòn là ưu điểm thứ ba của vật liệu tổng hợp. Boeing đang thiết kế chiếc 787, với thân máy bay hoàn toàn bằng composite, để có chênh lệch áp suất cao hơn và độ ẩm trong cabin cao hơn so với các máy bay chở khách trước đó. Các kỹ sư không còn lo lắng về sự ăn mòn do hơi ẩm ngưng tụ trên các khu vực ẩn của vỏ thân máy bay, chẳng hạn như phía sau lớp chăn cách nhiệt. Điều này sẽ dẫn đến chi phí bảo trì dài hạn thấp hơn cho các hãng hàng không.
Một ưu điểm khác của vật liệu tổng hợp là hiệu suất tốt của chúng trong môi trường uốn cong, chẳng hạn như trong cánh quạt máy bay trực thăng. Vật liệu tổng hợp không bị chịu ảnh hương bởi mỏi kim loại và phát triển vết nứt như kim loại. Mặc dù cần có kỹ thuật cẩn thận, nhưng các cánh quạt composite có thể có tuổi thọ thiết kế cao hơn đáng kể so với các cánh kim loại và hầu hết các thiết kế máy bay trực thăng lớn mới đều có tất cả các cánh quạt composite và trong nhiều trường hợp, các trục rôto composite
Nhược điểm của composite
Cấu trúc composite đi kèm với những nhược điểm riêng của nó, trong đó quan trọng nhất là thiếu bằng chứng trực quan về thiệt hại. Vật liệu tổng hợp phản ứng khác với các vật liệu cấu trúc khác khi va chạm và thường không có dấu hiệu hư hỏng rõ ràng. Ví dụ, nếu một chiếc ô tô lùi vào thân máy bay bằng nhôm, nó có thể làm móp thân máy bay. Nếu thân máy bay không bị móp thì không có thiệt hại. Nếu thân máy bay bị móp, hư hỏng có thể nhìn thấy được và việc sửa chữa sẽ được thực hiện.
Trong cấu trúc hỗn hợp, tác động năng lượng thấp, chẳng hạn như va đập hoặc rơi dụng cụ, có thể không để lại bất kỳ dấu hiệu rõ ràng nào về tác động trên bề mặt. Bên dưới vị trí tác động có thể có sự tách lớp rộng, lan rộng theo hình nón từ vị trí tác động. Thiệt hại ở mặt sau của cấu trúc có thể rất lớn và nghiêm trọng, nhưng nó có thể bị che khuất khỏi tầm nhìn. Bất cứ khi nào người ta có lý do để nghĩ rằng có thể đã có tác động, thậm chí là tác động nhỏ, thì tốt nhất là nhờ một thanh tra quen thuộc với vật liệu tổng hợp kiểm tra cấu trúc để xác định hư hỏng cơ bản. Sự xuất hiện của các vùng “màu trắng” trong cấu trúc sợi thủy tinh là một dấu hiệu tốt cho thấy đã xảy ra hiện tượng tách lớp do đứt gãy sợi.
Một tác động năng lượng trung bình (có thể là do ô tô lùi vào cấu trúc) dẫn đến bề mặt bị nghiền nát cục bộ mà mắt thường có thể nhìn thấy được. Khu vực bị hư hỏng lớn hơn khu vực bị dập nát có thể nhìn thấy và sẽ cần được sửa chữa. Tác động năng lượng cao, chẳng hạn như va phải chim hoặc mưa đá khi đang bay, dẫn đến thủng và hư hỏng nghiêm trọng cấu trúc. Trong các tác động năng lượng trung bình và cao, thiệt hại có thể nhìn thấy bằng mắt thường, nhưng tác động năng lượng thấp rất khó phát hiện. [Hình 15]
Nếu một tác động dẫn đến tách lớp, nghiền nát bề mặt hoặc thủng, thì việc sửa chữa là bắt buộc. Trong khi chờ sửa chữa, khu vực bị hư hỏng phải được che phủ và tránh mưa. Nhiều bộ phận hỗn hợp bao gồm các lớp vỏ mỏng trên lõi tổ ong, tạo ra cấu trúc “bánh mì kẹp”. Mặc dù tuyệt vời vì lý do độ cứng của cấu trúc, cấu trúc như vậy là mục tiêu dễ dàng cho nước xâm nhập (đi vào), dẫn đến các vấn đề khác sau này. Một miếng “Speed Tape (băng dinh tốc độ)” trên vết thủng là một cách tốt để bảo vệ nó khỏi nước, nhưng không phải là cách sửa chữa cấu trúc. Việc sử dụng chất làm đầy để che đi vết thương, mặc dù có thể chấp nhận được vì mục đích thẩm mỹ, nhưng cũng không phải là sửa chữa cấu trúc.
.Khả năng làm hỏng nhựa do nhiệt là một nhược điểm khác của việc sử dụng vật liệu tổng hợp. Mặc dù “quá nóng” phụ thuộc vào hệ thống nhựa cụ thể được chọn, nhiều epoxy bắt đầu yếu đi trên 150° F. Sơn trắng trên vật liệu tổng hợp thường được sử dụng để giảm thiểu vấn đề này. Ví dụ: đáy của một cánh được sơn màu đen đối diện với đoạn đường nhựa màu đen vào một ngày nắng nóng, có thể nóng tới 220 °F. Cấu trúc tương tự, được sơn màu trắng, hiếm khi vượt quá 140 °F. Do đó, máy bay composite thường có khuyến nghị cụ thể về màu sơn cho phép. Nếu máy bay được sơn lại, phải tuân theo các khuyến nghị này. Thiệt hại do nhiệt cũng có thể xảy ra do hỏa hoạn. Ngay cả một đám cháy phanh nhỏ được dập tắt nhanh chóng cũng có thể làm hỏng lớp vỏ dưới cánh, chân càng hạ cánh composite hoặc wheel pants (quần bánh xe).
Ngoài ra, chất tẩy sơn hóa học rất có hại cho vật liệu tổng hợp và không được sử dụng trên chúng. Nếu cần loại bỏ sơn khỏi vật liệu tổng hợp, thì chỉ được phép sử dụng các phương pháp cơ học, chẳng hạn như phun cát nhẹ hoặc chà nhám. Nhiều bộ phận phức hợp đắt tiền đã bị hỏng do sử dụng chất tẩy sơn và những hư hỏng đó thường không thể sửa chữa được.
Chất Lỏng Tràn Trên Vật Liệu Tổng Hợp
Một số chủ sở hữu lo ngại về sự cố tràn nhiên liệu, dầu hoặc chất lỏng thủy lực trên bề mặt composite. Đây thường không phải là vấn đề với vật liệu tổng hợp hiện đại sử dụng nhựa epoxy. Thông thường, nếu vết tràn không tấn công lớp sơn, thì nó sẽ không làm tổn hại đến lớp composite bên dưới. Ví dụ, một số máy bay sử dụng thùng nhiên liệu bằng sợi thủy tinh, trong đó nhiên liệu di chuyển trực tiếp lên bề mặt composite mà không sử dụng chất bịt kín. Nếu cấu trúc sợi thủy tinh được làm bằng một số loại nhựa polyester rẻ tiền hơn, thì có thể xảy ra vấn đề khi sử dụng khí tự động có trộn etanol vào hỗn hợp. Các loại nhựa polyester đắt tiền hơn, cũng như nhựa epoxy, có thể được sử dụng với khí ô tô, cũng như khí hàng không 100 octan (avgas) và nhiên liệu máy bay.
Chống sét đánh
Chống sét đánh là một cân nhắc quan trọng trong thiết kế máy bay. Khi một chiếc máy bay bị sét đánh, một lượng năng lượng rất lớn sẽ được chuyển đến cấu trúc. Cho dù lái máy bay hàng không chung hạng nhẹ (GA) hay máy bay chở khách lớn, nguyên tắc cơ bản của bảo vệ chống sét đánh là như nhau. Đối với bất kỳ loại máy bay nào, năng lượng từ cú đánh phải được trải rộng trên một diện tích bề mặt lớn để hạ “ampe trên mỗi inch vuông” xuống mức vô hại.
Nếu sét đánh vào một chiếc máy bay bằng nhôm, thì năng lượng điện tự nhiên sẽ dẫn truyền dễ dàng qua cấu trúc nhôm. Thách thức là giữ năng lượng ra khỏi hệ thống điện tử hàng không, hệ thống nhiên liệu, v.v., cho đến khi nó có thể được đưa lên tàu một cách an toàn. Lớp vỏ bên ngoài của máy bay là con đường ít lực cản nhất.
Trong một chiếc máy bay tổng hợp, sợi thủy tinh là một chất cách điện tuyệt vời, trong khi sợi carbon dẫn điện, nhưng không dễ dàng như nhôm. Do đó, độ dẫn điện bổ sung cần được thêm vào lớp ngoài của vỏ composite. Điều này được thực hiện thông thường với các lưới kim loại mịn được liên kết với bề mặt vỏ. Lưới nhôm và đồng là hai loại phổ biến nhất, với nhôm được sử dụng trên sợi thủy tinh và đồng trên sợi carbon. Bất kỳ sửa chữa cấu trúc nào trên các khu vực được bảo vệ khỏi sét đánh cũng phải bao gồm lưới cũng như cấu trúc bên dưới.
Đối với tàu bay composite có ăng-ten radio bên trong, phải có “cửa sổ” trong lưới chống sét ở khu vực ăng-ten. Ăng-ten vô tuyến bên trong có thể được tìm thấy trong vật liệu tổng hợp sợi thủy tinh vì sợi thủy tinh trong suốt với tần số vô tuyến, trong khi sợi carbon thì không.
Tương lai của composite
Trong những thập kỷ kể từ Thế chiến II, vật liệu tổng hợp đã đóng một vai trò quan trọng trong thiết kế cấu trúc máy bay. Tính linh hoạt trong thiết kế và khả năng chống ăn mòn, cũng như tỷ lệ cường độ trên trọng lượng cao nhất có thể, chắc chắn sẽ tiếp tục dẫn đến các thiết kế máy bay sáng tạo hơn trong tương lai. Từ Cirrus SR-20 đến Boeing 787, rõ ràng là vật liệu tổng hợp đã tìm thấy chỗ đứng trong việc chế tạo máy bay và sẽ tồn tại ở đây. [Hình 16]
Sự trang bị máy móc: Tiến vào tương lai
Cho đến gần đây, hầu hết các máy bay GA đều được trang bị các công cụ riêng lẻ được sử dụng chung để vận hành và điều khiển máy bay một cách an toàn. Với việc phát hành hệ thống hiển thị chuyến bay điện tử (EFD), các thiết bị thông thường đã được thay thế bằng nhiều màn hình tinh thể lỏng (LCD). Màn hình đầu tiên được lắp phía trước vị trí phi công ngồi ghế bên trái và được gọi là màn hình chuyến bay chính (PFD). Màn hình thứ hai, nằm ở vị trí gần trung tâm của bảng điều khiển, được gọi là màn hình đa chức năng (MFD). Hai màn hình này làm gọn bảng điều khiển đồng thời tăng độ an toàn. Điều này đã được thực hiện thông qua việc sử dụng các thiết bị trạng thái rắn có tỷ lệ lỗi thấp hơn nhiều so với các thiết bị tương tự thông thường. [Hình 2-17]
một chiếc Cessna 172.
Với những cải tiến ngày nay về hệ thống điện tử hàng không và sự ra đời của EFD, phi công ở bất kỳ cấp độ kinh nghiệm nào cũng cần có kiến thức sâu sắc về các hệ thống điều khiển chuyến bay trên máy bay cũng như hiểu biết về cách tự động hóa kết hợp với Ra quyết định hàng không (ADM).
Cho dù một chiếc máy bay có các thiết bị tương tự hay kỹ thuật số (“thủy tinh”), thì thiết bị này được chia thành ba loại khác nhau: hiệu suất, điều khiển và điều hướng.
Dụng cụ đo hiêu suất
Các dụng cọ đo hiêu suất cho biết hiệu suất thực tế của máy bay. Hiệu suất được xác định bằng cách tham khảo đồng hồ đo độ cao, tốc độ máy bay hoặc chỉ báo tốc độ thẳng đứng (VSI), chỉ báo tiêu đề và chỉ báo rẽ và trượt. Các dụng cụ đo hiêu suất phản ánh trực tiếp hiệu suất mà máy bay đang đạt được. Tốc độ của máy bay có thể được tham chiếu trên chỉ báo tốc độ. Độ cao có thể được tham chiếu trên máy đo độ cao. Hiệu suất leo cao của máy bay có thể được xác định bằng cách tham khảo VSI. Các công cụ hiệu suất khác có sẵn là chỉ báo tiêu đề, chỉ báo góc tấn công và chỉ báo trượt . [Hình 18]
Dụng cụ điều khiển
Các công cụ điều khiển [Hình 19] hiển thị ngay lập tức tình trạng và năng lượng thay đổi, và được hiệu chỉnh để cho phép điều chỉnh theo từng bước chính xác. Công cụ cho tình trạng màn hình là chỉ số tình trạng. Các công cụ điều khiển không cho biết tốc độ hoặc độ cao của máy bay. Để xác định các biến này và các biến khác, phi công phải tham khảo các công cụ đo lường
Công cụ điều hướng
Các công cụ điều hướng cho biết vị trí của máy bay liên quan đến cơ sở điều hướng hoặc điểm cố định đã chọn. Nhóm công cụ này bao gồm nhiều loại chỉ báo hướng đi, chỉ báo phạm vi, chỉ báo độ trượt và chỉ báo phương hướng. Máy bay mới hơn với thiết bị đo công nghệ tiên tiến hơn cung cấp thông tin hỗn hợp, cung cấp cho phi công thông tin vị trí chính xác hơn.
Các công cụ điều hướng bao gồm các chỉ báo hiển thị GPS, phạm vi vô tuyến đa hướng (VHF) tần số rất cao (VHF), đèn hiệu không định hướng (NDB) và thông tin về hệ thống hạ cánh của thiết bị (ILS). Các công cụ cho biết vị trí của máy bay so với cơ sở điều hướng hoặc điểm cố định đã chọn. Họ cũng cung cấp thông tin về hoa tiêu để máy bay có thể được điều động để giữ cho nó đi trên đường đã định trước. Thông tin hoa tiêu có thể ở dạng hai hoặc ba chiều so với thông tin dẫn đường trên mặt đất hoặc trên không gian. [Hình 20 và 21]
Hệ thống định vị toàn cầu (GPS)
GPS là một hệ thống định vị dựa trên vệ tinh bao gồm một mạng lưới các vệ tinh được Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ (DOD) đưa vào quỹ đạo. GPS ban đầu được dành cho các ứng dụng quân sự, nhưng vào những năm 1980, chính phủ đã cung cấp hệ thống này cho mục đích dân sự. GPS hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, mọi nơi trên thế giới, 24 giờ một ngày. Máy thu GPS phải được khóa vào tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính toán vị trí hai chiều (kinh độ và vĩ độ) và theo dõi chuyển động. Với bốn hoặc nhiều vệ tinh trong tầm nhìn, máy thu có thể xác định vị trí ba chiều của người dùng (vĩ độ, kinh độ và độ cao). Các vệ tinh khác cũng phải được quan sát để bù đắp cho sự mất tín hiệu và sự mơ hồ của tín hiệu.
Bài viết liên quan
Tại sao máy bay có thể bay được?
Là một người đam mê hàng không, bạn đã đọc rất nhiều bài báo thú...
Th11
Kiểm soát viên không lưu: Cơ hội nghề nghiệp và đãi ngộ
Kiểm soát viên không lưu trong tiếng anh gọi là Air traffic control specialists (viết...
Th11
Chiếc máy bay đầu tiên trên thế giới
Cha đẻ của máy bay Anh em nhà Wright có niềm đam mê về việc...
Th11
IPP Air Cargo xin dừng cấp phép bay
Cục Hàng không VN vừa có văn bản gửi Bộ GTVT liên quan đến việc...
Th11
Máy bay không người lái là gì?
Máy bay không người lái hay còn gọi Là Drone, nó thường đề cập đến...
Th11
Airfoil là gì?
...