Sinh viên Bách khoa sáng tạo máy bay cánh vẫy

Góp mặt trong cuộc thi Sáng tạo trẻ Bách khoa 2017, đề tài “Máy bay cánh vẫy ứng dụng trong quan sát do thám và các hoạt động dân dụng” được đánh giá khá cao bởi khả năng ứng dụng vào thực tiễn cuộc sống, sản phẩm là sáng tạo của nhóm sinh viên đến từ Viện Cơ khí động lực.

NHỮNG QUAN SÁT THỰC TẾ

Hiện nay, thiết bị bay không người lái (UAV) đang phát triển mạnh mẽ hơn bao giờ hết. Việc thiết kế những mẫu máy bay mới với nhiều ứng dụng đang là vấn đề cấp thiết đặc biệt trong lĩnh vực quân sự. Trên thế giới, việc nghiên cứu các loại thiết bị mô phỏng một số hoạt động của các loài động vật đã được đưa vào ứng dụng rộng rãi trong quân sự và cuộc sống. Tại Việt Nam, hoạt động này còn khá hạn chế. Là những sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật hàng không – Viện Cơ khí động lực, Nguyễn Văn Dũng, Đỗ Ngọc Sơn và Phạm Văn Mười với sự hướng dẫn của TS Vũ Đình Quý đã tiến hành nghiên cứu và giới thiệu mô hình máy bay cánh vẫy mô phỏng hoạt động của loài chim ưng.

Yêu cầu đặt ra cho cả nhóm trước khi tiến hành nghiên cứu là phải lựa chọn được đối tượng để mô phỏng, có thể hoạt động với vận tốc thấp và dễ dàng tiếp cận đối tượng cần quan sát, có khả năng ngụy trang tốt, dễ dàng tích hợp với các thiết bị thu tín hiệu. Sau khi tìm hiểu hoạt động của một số loài chim, Nhóm đã quyết định lựa chọn chim ưng làm ý tưởng nghiên cứu cho máy bay. “Đây là loài chim săn mồi, có tốc độ di chuyển khá nhanh, dáng bay khá đẹp và linh hoạt, phù hợp với mục đích do thám trong lĩnh vực quân sự” – Đỗ Ngọc Sơn – thành viên nhóm nghiên cứu cho biết.

Sau khi quan sát hoạt động và những đặc điểm của loài chim ưng, Nhóm đã xác định các thông số của máy bay như: sải cánh, chiều dài thân, vận tốc… để từ đó xác định các thông số cơ bản cho máy bay như sau: sải cánh: 1m8; chiều dài thân: 0,8m; tốc độ: 3-5m/s và cơ cấu vẫy: servo-arduino.

SÁNG TẠO TỪ NHỮNG ĐIỀU GIẢN DỊ

 “Đối với các loài chim hay cũng như đối với máy bay nói chung, cánh là bộ phận quan trọng thiết yếu trong quá trình bay. Đặc biệt, đối với mô hình máy bay dạng cánh vẫy, cánh là bộ phận duy nhất tương tác với môi trường khí, tạo ra lực nâng và lực đẩy giúp cho máy bay có thể bay được. Bởi vậy, việc lựa chọn chất liệu vải và thiết kế trở nên rất quan trọng. Với các nghiên cứu trước đó, nhóm đã lựa chọn loại vải rixtop ninon (chất liệu thường được sử dụng để làm dù cho phi công) với ưu điểm nhẹ, không quá mềm, đủ khả năng đáp ứng việc tạo ra các lực khí động trong quá trình vẫy mà không bị giãn, rách. Máy bay được thiết kế với sải cánh 1,8m, góc vẫy của cánh là từ 30 đến 60 độ, hình dạng cánh mô phỏng của loài chim, do đó mang hình elip. Khi cất cánh, máy bay có thể đạt được độ cao tối đa 50m, thông thường, trong các lần thực nghiệm, máy bay duy trì tốt ở độ cao 30m. Để bay được máy bay cần người phóng bằng tay, mỗi lần cất cánh, máy bay có thể bay liên tục trong 10 phút với quỹ đạo bay thẳng hoặc bay liệng. Phần khó khăn nhất của mô hình chính là thiết kế cánh máy bay, việc khâu cánh đòi hỏi kỹ thuật cao, bề mặt cánh càng căng thì lực nâng và lực đẩy càng tốt” – Nguyễn Văn Dũng cho biết.

Đuôi là bộ phận giúp điều khiển hướng di chuyển của máy bay cánh vẫy và tạo cân bằng cho máy bay. Ở nghiên cứu này, nhóm lựa chọn thiết kế đuôi chữ V.

Cuối cùng là thiết kế thân máy bay. Phần thân máy bay chính là “ngôi nhà” của mô hình, là nơi lắp ghép các bộ phận về điện như: cơ cấu truyền động vẫy cánh; các thiết bị điện gồm pin, servo (bộ phận cung cấp lực cần thiết để di chuyển các thiết bị theo yêu cầu của ứng dụng) … Các thiết bị của cụm điểu khiển gồm bộ điều tốc, bộ thu; đuôi và cơ cấu điều khiển đuôi.

Các yêu cầu đặt ra cho thiết kế thân máy là phải có hình dáng đơn giản, đủ cứng, đủ độ bền để chịu rung động trong quá trình cánh vẫy, khối lượng nhẹ, đủ diện tích để lắp các bộ phận còn lại của mô hình. Từ đó, nhóm đã tính toán và thiết kế thân máy phù hợp với các yêu cầu trên. Năng lượng cho máy bay được nhóm lựa chọn là pin Lipo 450mAh. Với nguồn năng lượng này, theo tính toán, máy bay có thể bay liên tục trong vòng 10 phút. Tuy nhiên, khi tiến hành bay thử nghiệm, máy bay chưa đạt được quãng thời gian đó. Hiện tại, máy bay hoạt động được từ 2 đến 3 phút do động cơ bị nóng. Chính vì vậy, nhóm đang tích cực nghiên cứu và tìm kiếm những biện pháp nhằm khắc phục nhược điểm này.

Đặc biệt, trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu các dạng máy bay mô phỏng chuyển động của côn trùng hay các loài chim, và đã có những ứng dụng trong quân sự, khoa học. Ở Việt Nam, mô hình này vẫn đang là một đề tài mới trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển, qua đề tài này, nhóm đã xây dựng một bộ thực nghiệm hoàn chỉnh về máy bay cánh vẫy, nhằm kiểm nghiệm các đặc tính động lực học như: tần số vẫy, lực nâng, lực đẩy, từ đó tạo sơ sở để nghiên cứu sâu hơn. Tuy nhiên, một khó khăn tương đối lớn mà nhóm gặp phải đó là phải đầu tư rất nhiều thời gian và chi phí. Nguyễn Văn Dũng khẳng định: “Hành trình nào cũng có những khó khăn, nhưng chúng em tin bằng sự cố gắng, niềm đam mê và chăm chỉ, con đường nào cũng sẽ có thành công”. TS Vũ Đình Quý – Bộ môn Kỹ thuật hàng không, giảng viên hướng dẫn của nhóm: “Đây là một mô hình tương đối mới ở Việt Nam, có nguyên lý đặc thù, khác hoàn toàn so với những mô hình máy bay hiện có ở trong nước. Để ứng dụng được mô hình vào trong đời sống cần rất nhiều cải tiến khác như: vật liệu, tính cơ động và nhỏ gọn hơn nữa của máy bay và đó là một hành trình lâu dài”.

“Trong suốt quá trình gắn bó với đề tài, nhiều lúc có những khó khăn dồn dập, là trưởng nhóm, đôi khi vì áp lực học tập, vừa nghiên cứu chưa hoàn thiện, đã có lúc em muốn từ bỏ, nhưng nghĩ đến lý do vì đâu mà mình bắt đầu cả nhóm lại sốc lại tinh thần và chiến đấu tiếp. Kỷ niệm đáng nhớ nhất có lẽ là lần chúng em tiến hành bay thử nghiệm tại Công viên Yên Sở, mặc dù đã thử hết mọi trường hợp nhưng máy bay vẫn không thể bay được, đang rất nản lòng và chuẩn bị bỏ cuộc thì có các bác bảo vệ “mời” ra khỏi khu vực thử nghiệm vì giẫm lên cỏ quá nhiều. Cũng nhờ khoảng thời gian đó, cả nhóm mới ngồi lại và nghĩ ra còn một trường hợp duy nhất chưa thử và chính nó là nguyên nhân chính giúp máy bay cất cánh thành công”.

Xin được kết thúc bài viết này bằng câu hát trong bài hát “Đường đến ngày vinh quang” của Ban nhạc Bức tường: “Chặng đường nào trải bước trên hoa hồng; Bàn chân cũng thấm đau vì những mũi gai; Đường vinh quang đi qua muôn ngàn sóng gió; Lời hứa ghi trong tim mình; Vẫn bước đi hiên ngang đầu ngẩng cao…”

Sáng Nguyễn
Ảnh: Minh Anh