Thiết kế và tối ưu hóa nắp bảo vệ mũi tách rời kích hoạt bằng thủy động lực học cho các phương tiện bay lao vào nước tốc độ cao
9 lượt xemDOI:
https://doi.org/10.54939/1859-1043.j.mst.FMC.2026.108-116Từ khóa:
Nắp mũi tách rời; Giải phóng thủy động lực học; Lao vào nước tốc độ cao; Chênh lệch áp suất; Rãnh bẫy nướcTóm tắt
Việc lao vào nước ở tốc độ cao gây ra tải trọng va đập thủy động lực học rất lớn lên các thiết bị đo lường nhạy cảm được lắp ở mũi của các phương tiện ngầm, chẳng hạn như ngư lôi và thiết bị hải dương học. Các nắp chắn mũi dễ vỡ (frangible) truyền thống thường có hiện tượng tách rời không ổn định do sự biến đổi tính chất vật liệu dưới tác động của điều kiện môi trường. Bài báo này trình bày một thiết kế nắp bảo vệ mũi có thể tháo rời, hoạt động hoàn toàn dựa trên cơ chế kích hoạt thủy động lực học. Thiết kế bao gồm các phân đoạn vỏ được cố định bởi một chi tiết mũi trung tâm và các kẹp gắn; các rãnh dẫn nước khi ngập trong nước sẽ dẫn nước vào một rãnh bẫy (trap groove) bên dưới mỗi kẹp, tạo ra chênh lệch áp suất làm kích hoạt việc nhả kẹp. Bằng phương pháp Quy hoạch toàn phương liên tiếp (Sequential Quadratic Programming – SQP), các thông số hình học và cơ học then chốt đã được tối ưu hóa nhằm đảm bảo kích hoạt tin cậy tại vận tốc lao vào nước 90 km/h, đồng thời duy trì biên độ an toàn cao chống lại hiện tượng nhả sớm ở tốc độ bay cận âm trong không khí. So với các nắp chắn dễ vỡ truyền thống, thiết kế đề xuất mang lại độ tin cậy, khả năng lặp lại và tính ổn định trước điều kiện môi trường cao hơn, đồng thời cung cấp các công thức lý thuyết và hướng dẫn thực tiễn cho các cơ cấu nhả bằng thủy động lực học trong các ứng dụng hàng không vũ trụ và phương tiện hàng hải.
Tài liệu tham khảo
[1]. T. V. Kármán, “The impact on seaplane floats during landing”, NACA Technical Note No. 321, (1929).
[2]. C. M. Seddon and M. Moatamedi, “Review of water entry with applications to aerospace structures”, International Journal of Impact Engineering, Vol. 32, No. 7, pp. 1045–1067, (2006). DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2004.09.002
[3]. O. M. Faltinsen, “Sea Loads on Ships and Offshore Structures”, Cambridge University Press, (1993). DOI: https://doi.org/10.4043/7142-MS
[4]. T. T. Truscott, B. P. Epps and A. H. Techet, “Water entry of projectiles”, Annual Review of Fluid Mechanics, Vol. 46, pp. 355–378, (2014). DOI: https://doi.org/10.1146/annurev-fluid-011212-140753
[5]. B. Guo, H. Liu and Y. Zhao, “Experimental investigation on the water entry of frangible composite covers”, Ocean Engineering, Vol. 157, pp. 1–12, (2018).
[6]. Y. Li and X. Zhang, “Material variability and reliability analysis of frangible nose caps”, Journal of Materials Engineering and Performance, Vol. 29, No. 4, pp. 2345–2356, (2020).
[7]. Z. Huang et al., “Failure analysis of frangible radomes under high-speed water impact”, Composite Structures, Vol. 172, pp. 12–22, (2017).
[8]. J. Zhao et al., “Environmental effects on the fracture behavior of ceramic frangible covers”, Ceramics International, Vol. 47, No. 12, pp. 16845–16853, (2021). DOI: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.03.092
[9]. S. Kim and J. Park, “Bird strike and handling damage assessment on protective nose covers”, Aerospace Science and Technology, Vol. 88, pp. 102–110, (2019).
[10]. R. W. Thompson, “Reliability issues in frangible nose protection systems”, Naval Engineers Journal, Vol. 127, No. 3, pp. 45–53, (2015).
[11]. N. B. Kimerer et al., “Removable protective nose cover”, U.S. Patent No. 8,093,487 B2, (2012).
[12]. A. May, “Water entry and the cavity-running behavior of missiles”, Naval Ordnance Laboratory, (1975). DOI: https://doi.org/10.21236/ADA020429
[13]. G. Yan et al., “Hydrodynamic loading and cavity dynamics during high-speed water entry”, Physics of Fluids, Vol. 34, No. 5, p. 052101, (2022).
[14]. S. F. Hoerner, “Fluid-Dynamic Drag: Practical Information on Aerodynamic Drag and Hydrodynamic Resistance”, Hoerner Fluid Dynamics, (1965).
[15]. S. S. Rao, “Engineering Optimization: Theory and Practice”, 5th ed., John Wiley & Sons, (2019).
[16]. J. C. Helton and F. J. Davis, “Latin hypercube sampling and the propagation of uncertainty”, Reliability Engineering & System Safety, Vol. 81, No. 1, pp. 23–69, (2003). DOI: https://doi.org/10.1016/S0951-8320(03)00058-9
