NĂNG NỘI ĐỊA HOÁ
4.1.2 Tác động cơ học và môi trường lên các bộ phận của máy bay và các yêu cầu kĩ thuật đặc thù đối với các phụ tùng lắp trên máy bay
Việc hiểu rõ và xác định đúng các yêu cầu kỹ thuật đối với các sản phẩm nói chung và đối với các phụ tùng, thiết bị của máy bay nói riêng là bước đầu tiên có ý nghĩa quyết định đối với toàn bộ quá trình phát triển sản phẩm theo mẫu (thiết kế theo mẫu, triển khai công nghệ chế thử, thử nghiệm, đưa vào sản xuất loạt).
Các yêu cầu kỹ thuật đối với các phụ tùng, thiết bị lắp trên bất kỳ phương tiện vận chuyển nào (kể cả máy bay) có thể chia làm ba nhóm:
-Nhóm 1: các yêu cầu kĩ thuật để thực hiện trực tiếp chức năng cụ thể của phụ tùng, thiết bị (ví dụ như đối với một xi lanh thuỷ lực: cần phải tạo ra lực với hành trình bao nhiêu, tốc độ như thế nào trong hành trình thuận và hành trình nghịch, sử dụng công suất nguồn thuỷ lực bao nhiêu, loại dầu thuỷ lực gì … );
-Nhóm 2: các yêu cầu kĩ thuật chung đối với bất kỳ sản phẩm nào: kích thước, trọng lượng, độ tin cậy trong một khoảng thời gian xác định hoặc trong một số lần làm việc nhất định (ví dụ: số giờ bay, số lần cất hạ cánh, số lần bật tắt, niên hạn sử dụng ), tính công nghệ (thuận lợi cho việc chế tạo), tính thuận tiện cho sử dụng, kiểm tra, sửa chữa, bảo quản.
-Nhóm 3: các yêu cầu kĩ thuật để phụ tùng, thiết bị có thể thực hiện được các chức năng đã định trong điều kiện chiu tác động cơ học và môi trường (gia tốc, rung xóc, nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, điện từ trường-nếu cần );
Các yêu cầu nhóm 1 phụ thuộc vào chức năng cụ thể của phụ tùng, thiết bị.
Các yêu cầu thuộc nhóm 2 không mang tính đặc thù hàng không, có chăng chỉ là yêu cầu độ tin cậy cao hơn, kích thước và trọng lượng nhỏ hơn. Tuy nhiên những
Nghiên cứu khả năng gia công chế tạo và sản xuất vật r− phụ tùng máy bay HKVN giai đoạn 2007 - 2015
yêu cầu này thông thường không chỉ quan trọng đối với kỹ thuật máy bay mà còn đối với nhiều ngành kỹ thuật khác (kỹ thuật ô tô – xe máy, các thiết bị y tế, các sản phẩm trang bị cá nhân cho bộ binh ...). Ngày nay, do tiến bộ về khoa hoc công nghệ rất nhanh, xu hướng nâng cao độ tin cậy, giảm kích thước và trọng lượng cũng phát triển rộng ra tất cả các ngành khác, kể cả đồ gia dụng và hàng tiêu dùng cá nhân (điện thoại di động, máy tính xách tay, máy hút bụi, … ). Trong các yêu cầu nhóm 3 (tác động cơ học và môi trường) có một số yêu cầu có tính đặc thù đối với các phụ tùng, thiết bị lắp lên máy bay.
Vì vậy trong mục này ta sẽ đi sâu vào tác động cơ học và môi trường đối với phụ tùng, thiết bị trên máy bay, trên cơ sở đó sẽ hình thành ra các yêu cầu đặc thù chung đối với các sản phẩm này.
+ Tác động cơ học và môi trường đối với phụ tùng, thiết bị của máy bay thường được phân thành hai loại: trong điều kiện làm việc ở mặt đất và trên không . Điều kiện ở mặt đất: bao gồm các yếu tố khí hậu (nóng, ẩm, m−a …), yếu tố sinh học (chuột, bọ, nấm mốc…), các yếu tố khai thác sử dụng (vận chuyển, bảo d−ỡng kĩ thuật, bảo quản) . Nguy hiểm nhất trong các yếu tố trên đối với phụ tựng, thiết bị của mỏy bay (nhất là cỏc đồng hồ và thiết bị điện tử) là tải rung xóc do vận chuyển. Khi xe chuyên chở phụ tựng, thiết bị chạy với tốc độ cao và đường xấu, hệ số quá tải do rung xóc ny có thể lên đến 10 (gia tốc rung ~10g, g=9,8m/s2) hoặc hơn nữa với tần số dao động c−ỡng bức 1-100 Hz (xem thờm cỏch tớnh lực tỏc động vào phụ tùng đặt trên một vật chuyển động trong mục “Tác động cơ học do chuyển động của máy bay gây ra” dưới đây). V× vËy phụ tùng, thiết bị th−êng vËn chuyÓn trong hộp xốp hoặc phải cú cỏc biện phỏp giảm chấn (giảm xúc) khỏc.
Điều kiện ở trên không: bao gồm các yếu tố t−ơng tác giữa mỏy bay với môi tr−ờng không khí, gõy ra chuyển động của mỏy bay (thụng qua đú tỏc động đến từng phụ tùng, thiết bị trên máy bay), nhiệt độ, áp suất, điện từ trường của bản thân các thiết bị điên-điện tử trên máy bay…
Dưới đây ta sẽ phân tích kĩ hơn tác động cơ học và một số yếu tố môi trường đặc thù đối với phụ tùng, thiết bị của máy bay [1,4,5,6].
Tác động cơ học do chuyển động của máy bay gây ra
Trong quá trình sử dụng ở dưới đất và trên không mỏy bay chịu tác dụng của nhiều ngoai lực: lực khí động học, lực đẩy của động cơ, trọng lực, phản lực của các giá đỡ trong vận chuyển …Các lực nói trên có thể phân ra thành hai loại:lực bề mặt và lực khối l−ợng. Lực bề mặt là lực tác dụng vào các bề mặt của vật thể: lực khí
động học, lực đẩy của động cơ (tác động lên bề mặt các chi tiết cố định động cơ)
…còn lực khối l−ợng là lực tác dụng trên toàn bộ tất cả các điểm phân bố khối l−ợng của vật thể: trọng lực, lực quán tính. Nếu bản thân vật thể chỉ chịu tác dụng của lực khối l−ợng (và không có lực bề mặt, kể cả phản lực của giá đỡ) thì vật thể không chịu ứng suất và biến dạng. Ví dụ nh− con tầu vũ trụ khi chuyển động theo quán tính quanh Trái đất (cách bề mặt Trái đất vài trăm km so với bán kính trái đất là 6400km ) vẫn chịu tác động của sức hút Trái đất (trọng lực) và vì vậy con tầu không chuyển động thẳng mà chuyển động cong vòng quanh Trái đất (so với hệ toạ
độ gắn với Trái đất). Tuy nhiên lực này tác dụng lên toàn bộ tất cả các điểm phân bố khối l−ợng của con tầu, kể cả các nhà du hành vũ trụ (không có phản lực ở các bề mặt tiếp xúc với nhà du hành), vì vậy không gây ra ứng suất và biến dạng của
Nghiên cứu khả năng gia công chế tạo và sản xuất vật r− phụ tùng máy bay HKVN giai đoạn 2007 - 2015
các nhà du hành và các nhà du hành có cảm giác ở trạng thái không trọng l−ợng (mặc dù trọng lực vẫn gần giống nh− ở trên mặt đất). Ví dụ khác, khi vận động viên nhảy từ trên cao xuống bể bơi , trong giai đoạn đầu rơi gần nh− với gia tốc rơi tự do g=9,8m/s2 (lực cản khí động học không đáng kể) và vận động viên lúc đó cũng có cảm giác không trọng l−ợng, và lúc này trọng lực không gây ra ứng suất và biến dạng đối với vận động viên.
Tải tác dụng lên mỏy bay trong khi bay thường được biểu diễn bằng đại l−ợng không thứ nguyên là hệ số quá tải (g-load) . Hệ số quá tải của mỏy bay là tỉ số giữa tổng vectơ các lực bề mặt tác dụng lên mỏy bay và trọng l−ợng (mg) của mỏy bay. Hệ số quá tải của mỏy bay th−ờng đ−ợc phân tích thành hai thành phần : thành phần dọc trục nx và thành phần pháp tuyến ny theo hệ toạ độ liên kết Oxyz (gắn liền với mỏy bay). Nếu lực đẩy động cơ P tác dụng theo phương Ox thì :
nx = (P-X)/(mg) và ny = Y/(mg)
trong đó X và Y là lực cản và lực nâng khí động học tác dụng lên KCB trong hệ toạ độ liên kết. Hệ số quá tải dọc trục dương của mỏy bay thường lớn nhất trong giai đoạn cất cỏnh nh−ng thường không quá +1 và hệ số quá tải dọc trục õm của mỏy bay th−ờng cú giỏ trị lớn nhất trong giai đoạn hạ cỏnh nh−ng thường không quá -1. Hệ số quá tải pháp tuyến dương của mỏy bay dõn dụng th−ờng đ−ợc chọn trong thiết kế khụng quỏ +(4…5) và giỏ trị hệ số quá tải pháp tuyến õm của mỏy bay dõn dụng th−ờng đ−ợc chọn trong thiết kế khụng quỏ -(1…2).
Tác dụng cơ học Rxi, Ryi đối với phụ tùng, thiết bị có trọng lượng mig đặt trờn mỏy bay khi cú quỏ tải đối với cả mỏy bay nx và ny được xỏc định như sau :
Rxi= -nxmig , Ryi =-nymig
Ví dụ như khi máy bay chịu quá tải dương là ny= 5 (tương đương khi ô tô bị xóc khá mạnh lúc chạy qua “ổ gà”) mà phụ tùng có trọng lượng là 1kG thì sẽ bị lực tác dụng Ryi= -5kG (tức là nặng hơn 5 lần so với bình thường). Về bản chất lực này thuộc loại lực khối lượng (tác dụng lên tất cả các điểm của vật thể). Khi tính toán độ bền của phụ tùng cần xét trạng thái cân bằng tĩnh của phụ tùng trên giá đỡ (có tính phản lực trên bề mặt các chi tiết cố định phụ tùng).
Rõ ràng là tác động cơ học đối với các phụ tùng, thiết bị lắp trên máy bay không có gì đặc biệt so với phụ tùng, thiết bị lắp trên ô tô, thậm chí còn nhỏ hơn so với tác động lên các phụ tùng ô tô khi chạy nhanh trên đường xấu.
Tóm lại, tác động cơ học do chuyển động của máy bay gây ra đối với các phụ tùng, thiết bị đặt trên máy bay không đáng ngại hơn so với lúc vận chuyển ở mặt đất.
Nhiệt độ
Trong khi bay mỏy bay có thể bị nóng lên do nguồn nhiệt bên ngoài và nguồn nhiệt bên trong. Nguồn nhiệt bên ngoài bao gồm: tăng nhiệt khí động (do bay tốc
độ lớn trong khí quyển), bức xạ mặt trời. Bức xạ mặt trời khi bay ở độ cao H<40 km có thể coi là không đáng kể (đứng về khớa cạnh làm núng vỏ mỏy bay trên không), tuy nhiên lại rất đáng kể khi máy bay phơi nắng trên đường băng.
Nguồn nhiệt bên trong bao gồm : động cơ và các thiết bị điện-điện tử khi làm việc
đều toả nhiệt. Thiết bị điều hoà nhiệt độ trờn mỏy bay cũng cú thể toả nhiệt và thu nhiệt.Nhiệt do động cơ gây ra đ−ợc xem xét trong các tài liệu về động cơ. Cỏc nguồn nhiệt khác nêu trên đã có nhiều tài liệu công bố và không có tính đặc thù
Nghiên cứu khả năng gia công chế tạo và sản xuất vật r− phụ tùng máy bay HKVN giai đoạn 2007 - 2015
hàng khụng.Dưới đây sẽ đề cập đến hiện tượng tăng nhiệt khí động của vỏ mỏy bay khi bay trong không khí là hiện tượng đặc thù đối với các khí cụ bay bay trong không khí.
Nh− đã biết, do tính nhớt của không khí , trong khi bay trên bề mặt ngoài mỏy bay có một lớp biên bao bọc. Trong lớp biên này tốc độ tương đối của dòng khí giảm dần đến 0. Theo định luật bảo toàn năng l−ợng (động năng biến thành nhiệt năng) sát vỏ mỏy bay nhiệt độ dòng hãm hoàn toàn T* (0K) sẽ là:
T*= TH (1+0,2 MH2)
Trong đó: TH - nhiệt độ (0K) không khí ở độ cao H;
MH =V/aH– số Mach (V-tốc độ dòng không khí không nhiễu động so với mỏy bay, aH -tốc độ âm thanh trong không khí ở độ cao H).
Tuy nhiên nhiệt độ không khí sát vỏ mỏy bay (gọi là nhiệt độ phục hồi) nhỏ hơn một chút so với nhiệt độ dòng hãm hoàn toàn nói trên :
Tr= TH (1+0,18 MH2)
Hiện t−ợng tăng nhiệt do bay tốc độ lớn trong khí quyển phụ thuộc rất nhiều vào tốc độ và độ cao bay. Ví dụ nhiệt độ vỏ mỏy bay bay với tốc độ V=1000 km/h ở độ cao H=10000m chỉ bị nóng lờn một chỳt, đạt khoảng +15…200 C (tức là khoảng 3000 K trong khi nhiệt độ ngoài trời theo Khí quyển chuẩn quốc tế ở độ cao H=10000m là -500 C ). Trong khi đó ở độ cao H=1000 m cũng với tốc độ đó sau khi bay liên tục vài phỳt nhiệt độ vỏ mỏy bay bị nóng lên đỏng kể, đạt khoảng +60…700 C (trong khi nhiệt độ ngoài trời theo Khí quyển chuẩn quốc tế ở độ cao H=1000m là +70 C ). Tuy nhiên, nếu máy bay như Concord bay với tốc độ V=2000 km/h thỡ cũng ở độ cao H=10000m vỏ mỏy bay bị nóng nhiều hơn, lờn tới khoảng 1700 C và ở độ cao H=1000 m, cũng với tốc độ đó sau khi bay liên tục vài phỳt nhiệt độ vỏ mỏy bay bị nóng lên tới hơn 2000 C. [1,4] .
Tóm lại là đối với máy bay dân dụng hiện nay (với tốc độ bay khoảng trên dưới 1000 km/h), hiện tượng tăng nhiệt khí động không có gì đáng ngại đối với phụ tùng, thiết bị đặt trong máy bay. Đối với các phụ tùng, thiết bị này cần quan tâm đến vị trí cụ thể : ví dụ gần động cơ hay là trong buồng hành khách …Đối với một số phụ tùng lắp ngay bên ngoài máy bay như ốp đèn hàng hành, ốp ăng ten, kính mica (hữu cơ ) cũng vậy. Ngược lại, đối với các phụ tùng này cần lưu ý nhiệt độ âm (ví dụ, nhiệt độ ngoài trời theo Khí quyển chuẩn quốc tế ở độ cao H=10000m là -500 C) vì các vật liệu phi kim loại có thể bị dòn khi nhiệt độ rất lạnh. Đối với lốp máy bay và săm bịt kín các cửa buồng khách và buồng lái cũng vậy.
Đối với các phụ tùng lắp ngay bên ngoài máy bay cũng cần lưu ý hiện tượng đóng băng có thể xảy ra khi máy bay bay trong không khí ẩm, do trên cao nhiệt độ không khí rất thấp.
Áp suất
Như đã biết, khi lên cao áp suất của không khí ngoài trời pH giảm, ví dụ ở H=0 pH =0,1MPa (1,0 kG/cm2), nhưng ở độ cao H=10000m pH =0,026MPa (0,26 kG/cm2) tức là giảm khoảng 4 lần. Tuy nhiên đây chỉ là áp suất tĩnh của không khí ngoài trời khi không có máy bay. Trong khi bay, tuỳ theo vị trí trên vỏ máy bay so với dòng khí cần xem xét áp suất động và áp suất tĩnh. Áp suất này có thể lớn hoặc nhỏ hơn nhiều lần so với áp suất tĩnh của không khí ngoài trời nói trên. Trong các
Nghiên cứu khả năng gia công chế tạo và sản xuất vật r− phụ tùng máy bay HKVN giai đoạn 2007 - 2015
tài liệu về khí động học máy bay có nói rất kĩ về vấn đề này (ví dụ: NguyÔn Phóc Ninh (2000), Khí động học máy bay, Hoc viện Phòng không-Không quân, Hà Néi).Điều này cần lưu ý khi tính toán và thử nghiệm độ bền của các phụ tùng lắp ở bên ngoài máy bay như ốp đèn hàng hành, ốp ăng ten, kính mica (kính hữu cơ)…Cần lưu ý là áp lực tác dụng lên các phụ tùng này bằng hiệu số của áp lực bên trong và áp lực bên ngoài, vì vậy, ví dụ, các kính cửa sổ nhìn của hành khách chịu áp lực rất lớn (đã có lần máy bay An-26 bị bung kính này do Việt Nam lắp và một hành khách bị “hút” ra ngoài). Các phụ tùng đặt ở các vị trí khác bên trong máy bay, nhìn chung ít bị tác động của áp suất, chỉ cần lưu ý các phụ tùng điện- điện tử điện áp cao có thể bị phóng điện khi áp suất thấp cho nên vẫn cần thử nghiệm độ tin cậy trong điều kiện áp suất thấp, nếu thiết bị đó phải làm việc trong các khoang hở (không phải khoang được tăng áp để duy trì áp suất đủ lớn - pressurised-và vì vậy bao giờ cũng được làm kín).
+ Về tác động của điện từ trường đối với các thiết bị điện tử của bản thân các thiết bị điện-điện tử trên máy bay về nguyên lý không khác gì nhiễu (tạp) khi ta nghe máy thu thanh trên ô tô. Nguyên nhân là do trên ôtô có nhiều thiết bị điện- điện tử khác cùng làm việc, nhất là nếu có các nến điện và chổi quét phóng điện tạo ra các nhiễu điện từ phổ rộng và có cường độ đáng kể. Trong một số trường hợp tác động này chỉ làm giảm các chỉ tiêu chất lượng làm việc của thiết bị.Tuy nhiên đối với các thiết bị kĩ thuật số như máy tính hoặc các bộ vi xử lí thì nhiễu điện từ trường có thể gây ra hiện tượng “treo” máy, khá nguy hiểm. Vì lí do này mà tất cả các hãng hàng không đều yêu cầu hành khách phải tắt điện thoại di động khi lên máy bay. Vì vậy các thiết bị điện-điện tử nhất thiết phải kiểm tra sự tương thích điện từ (electromagnetic compatibility-EMC).