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Vehículo aéreo electromagnético sin alas

El vehículo aéreo electromagnético sin alas (WEAV) es un sistema de vuelo más pesado que el aire que puede elevarse por sí solo, flotar y volar de manera confiable sin componentes móviles.

El vehículo aéreo electromagnético sin alas ( WEAV ) es un sistema de vuelo más pesado que el aire desarrollado en la Universidad de Florida , financiado por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea . [1] [2] [3] El WEAV fue inventado en 2006 por el Dr. Subrata Roy , [4] físico de plasma, profesor de ingeniería aeroespacial en la Universidad de Florida , y ha sido objeto de varias patentes. [5] [6] [7] [8] [9] [10] El WEAV no emplea partes móviles y combina la estructura de la aeronave, la propulsión, la producción y almacenamiento de energía y los subsistemas de control en un sistema integrado.

Mecanismo de funcionamiento

El WEAV utiliza una multitud de pequeños electrodos que cubren toda el área mojada de la aeronave, en una disposición de actuador de plasma de múltiples barreras (MBPA), una mejora sobre los sistemas de descarga de barrera dieléctrica (DBD) de electrodo doble que utilizan múltiples capas de materiales dieléctricos y electrodos alimentados. [11] Estos electrodos están muy cerca uno del otro, por lo que el aire circundante se puede ionizar utilizando alto voltaje de CA de RF de unas pocas decenas de kilovoltios incluso a la presión estándar de una atmósfera . El plasma resultante contiene iones que son acelerados por la fuerza de Coulomb utilizando electrohidrodinámica (EHD) a baja altitud y pequeña velocidad. La superficie del vehículo actúa como un acelerador de fluido electrostático que bombea el aire circundante como viento de iones , radialmente y luego hacia abajo, por lo que la zona de menor presión en la superficie superior y la zona de mayor presión debajo de la aeronave producen sustentación y empuje para propulsión y estabilidad. [1] A mayor altitud y para alcanzar mayores velocidades, también se aplica un campo magnético para mejorar las colisiones entre electrones y especies pesadas en el plasma y utilizar la fuerza del cuerpo de Lorentz más poderosa para acelerar todos los portadores de carga en la misma dirección a lo largo de un chorro radial de alta velocidad . [2] Una versión muy temprana de esto documentada por Jean-Louis Naudin usaba un cable originalmente de un cable de unidad de disco duro (también conocido como cable 80/40) con HV alternado en cada par y esto funciona pero es muy ineficiente en comparación con los enfoques más nuevos como se discutió anteriormente. [ cita requerida ]

Nuevas tecnologías

Para lograr su misión, la investigación relacionada con WEAV introdujo una serie de diseños de actuadores de plasma. En esta sección se destacan las principales tecnologías.

Actuadores de plasma de múltiples barreras

Esquema de un diseño de actuador de plasma multibarrera de tres capas (MBPA). Aunque se muestra un diseño de MBPA de tres capas, son posibles otras configuraciones.
Comparación de fuerza y ​​eficacia entre varios diseños de MBPA de una, dos y tres capas.

El diseño convencional del actuador de descarga de barrera dieléctrica simple (DBD) está compuesto por dos electrodos separados por un único material dieléctrico. Se ha trabajado mucho para optimizar el diseño y el rendimiento del diseño DBD simple, [12] sin embargo, el trabajo de investigación continúa para mejorar el rendimiento de estos actuadores. El diseño MBPA es una extensión del diseño del actuador DBD simple que introduce barreras dieléctricas y electrodos adicionales y, por lo tanto, parámetros de diseño adicionales. La investigación indica que los diseños MBPA pueden lograr un empuje resultante más alto y relaciones empuje-potencia mejoradas que el diseño del actuador DBD simple. [11] [13] [14] Los ensayos de muestra de un diseño MBPA de dos capas demostraron un aumento de aproximadamente el 40% en la efectividad sobre el diseño convencional de una sola capa. [2] [13]

Actuadores serpentinos

El WEAV empleó actuadores de plasma de geometría serpentina para un control de flujo completamente tridimensional que combina los efectos de un actuador lineal y un chorro sintético de plasma. [15] [16] [17] Debido a la geometría periódica del diseño serpentino, hay pinzamiento y propagación del aire circundante a lo largo del actuador. [18] En consecuencia, los actuadores serpentinos generan vorticidad tanto en el sentido de la envergadura como en el sentido de la corriente, lo que da como resultado estructuras de flujo únicas que no se reproducen con los actuadores de plasma de geometría lineal convencionales. [ cita requerida ]

Actuadores a microescala

Esquema superior y transversal del actuador de plasma de descarga de barrera dieléctrica a microescala.

Los resultados experimentales y la simulación numérica demuestran que al reducir el espacio entre los electrodos a un tamaño micrométrico, [19] [20] [21] la densidad de fuerza eléctrica en la región de descarga aumenta al menos en un orden de magnitud y la potencia requerida para la descarga de plasma disminuye en un orden de magnitud. En consecuencia, se pueden utilizar fuentes de alimentación físicamente más pequeñas y ligeras con estos denominados actuadores a microescala. Las investigaciones demostraron que, por actuador, las velocidades inducidas por el actuador de plasma a microescala son comparables a sus homólogos estándar a macroescala, aunque con un orden de magnitud menor de empuje. [2] Sin embargo, debido a los menores requisitos de potencia de los actuadores de plasma a microescala, los experimentos sugieren un control de flujo macroscópico eficaz a través de grandes conjuntos de actuadores de plasma a microescala. [22] [23]

Materiales novedosos

Además de los diseños y geometrías de actuadores de plasma experimentales, el WEAV investigó el rendimiento de una gran variedad de materiales aislantes para su uso en la capa de barrera dieléctrica, incluidos materiales flexibles como caucho de silicona y zirconato-titanato de plomo modificado ferroeléctrico (PZT) y aerogel de sílice. [24]

Despegue

Demostración del despegue exitoso del prototipo WEAV.
Cronología que muestra los logros y el progreso del WEAV.

Un primer prototipo del WEAV fue capaz de mantener un vuelo estacionario a unos pocos milímetros del suelo durante aproximadamente tres minutos. También se probaron con éxito prototipos de distintos radios, lo que sugiere la escalabilidad del diseño. [ cita requerida ]

Véase también

Referencias

  1. ^ ab Greenemeier, Larry (7 de julio de 2008). "El primer platillo volante del mundo: fabricado aquí mismo en la Tierra". Scientific American .
  2. ^ abcd Roy, Subrata; Arnold, David; Lin, Jenshan; Schmidt, Tony; Lind, Rick; et al. (20 de diciembre de 2011). Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea; Universidad de Florida (eds.). Demostración de un vehículo aéreo electromagnético sin alas (PDF) (Informe). Centro de Información Técnica de Defensa. ASIN  B01IKW9SES. AFRL-OSR-VA-TR-2012-0922. Archivado (PDF) desde el original el 17 de mayo de 2013.
  3. ^ "Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial, Universidad de Florida".
  4. ^ Patente estadounidense 8382029, Subrata Roy, "Vuelo estacionario sin alas de un microvehículo aéreo", expedida el 26 de febrero de 2013, asignada a University of Florida Research Foundation Inc. 
  5. ^ Patente estadounidense 8960595, Subrata Roy, "Vuelo estacionario sin alas de un microvehículo aéreo", expedida el 24 de febrero de 2015, asignada a University of Florida Research Foundation Inc. 
  6. ^ Patente de Hong Kong N.º 1129642B emitida el 29 de junio de 2012.
  7. ^ Patente china ZL200780036093.1 emitida el 19 de octubre de 2011.
  8. ^ Patente europea EP 2.046.640 expedida el 12 de octubre de 2011.
  9. ^ Patente japonesa n.º 5.220.742 concedida el 15 de marzo de 2013.
  10. ^ ab Durscher, Ryan; Roy, Subrata (enero de 2011). "Sobre actuadores de plasma de múltiples barreras" (PDF) . AIAA 2011-958 . 49.ª Reunión de Ciencias Aeroespaciales de la AIAA, que incluye el Foro Nuevos Horizontes y la Exposición Aeroespacial. Orlando, Florida. doi :10.2514/6.2011-958.
  11. ^ Corke, Thomas; Enloe, Cynthia; Wilkinson, Stephen (1 de enero de 2010). "Actuadores de plasma de descarga de barrera dieléctrica para control de flujo". Revisión anual de mecánica de fluidos . 42 (1): 505–529. Código Bibliográfico :2010AnRFM..42..505C. doi :10.1146/annurev-fluid-121108-145550.
  12. ^ ab Durscher, Ryan; Roy, Subrata (enero de 2010). "Nuevos actuadores de plasma de barrera múltiple para aumentar el empuje". AIAA 2010-965 . 48.ª Reunión de Ciencias Aeroespaciales de la AIAA, que incluye el Foro Nuevos Horizontes y la Exposición Aeroespacial. Orlando, Florida. doi :10.2514/6.2010-965.
  13. ^ Erfani R, Zare-Behtash H, Hale C, Kontis K (19 de enero de 2015). "Desarrollo de actuadores de plasma DBD: El electrodo doble encapsulado". Acta Astronáutica . 109 : 132-143. Código Bib : 2015AcAau.109..132E. doi : 10.1016/j.actaastro.2014.12.016 .
  14. ^ Roy S, Wang CC (31 de diciembre de 2008). "Modificación del flujo a granel con actuadores de plasma en forma de herradura y serpentina". Journal of Physics D: Applied Physics . 42 (3): 032004. doi :10.1088/0022-3727/42/3/032004. S2CID  31538819.
  15. ^ Roth J, Sherman D, Wilkinson S (7 de julio de 2000). "Control de flujo electrohidrodinámico con un plasma de superficie de descarga luminiscente". AIAA Journal . 38 (7): 1166–1172. Bibcode :2000AIAAJ..38.1166R. doi :10.2514/2.1110.
  16. ^ Santhanakrishnan A, Jacob J (19 de enero de 2007). "Control de flujo con actuadores de chorro sintético de plasma". Journal of Physics D: Applied Physics . 40 (3): 637–651. Bibcode :2007JPhD...40..637S. doi :10.1088/0022-3727/40/3/s02. S2CID  121639330.
  17. ^ Durscher R, Roy S (4 de enero de 2012). "Medidas de flujo tridimensional inducidas a partir de actuadores de plasma serpenteante en aire en reposo". Journal of Physics D: Applied Physics . 45 (3): 035202. Bibcode :2012JPhD...45c5202D. doi :10.1088/0022-3727/45/3/035202. S2CID  122030906.
  18. ^ Zito J, Durscher R, Soni J, Roy S, Arnold D (8 de mayo de 2012). "Inducción de flujo y fuerza utilizando actuadores de descarga de barrera dieléctrica de tamaño micrométrico". Applied Physics Letters . 100 (19): 193502. Bibcode :2012ApPhL.100s3502Z. doi :10.1063/1.4712068.
  19. ^ Wang CC, Roy S (10 de julio de 2009). "Actuadores de plasma a microescala para mejorar la densidad de empuje". Journal of Applied Physics . 106 (1): 013310–013310–7. Bibcode :2009JAP...106a3310W. doi :10.1063/1.3160304. S2CID  119803236.
  20. ^ Wang CC, Roy S (28 de agosto de 2009). "Conformación de flujo mediante descarga de gas a microescala tridimensional". Applied Physics Letters . 95 (8): 081501. Bibcode :2009ApPhL..95h1501W. doi :10.1063/1.3216046. S2CID  122606897.
  21. ^ Pescini E, De Giorgi M, Francioso L, Sciolti A, Ficarella A (mayo de 2014). "Efecto de un actuador de plasma de descarga de barrera microdieléctrica en el flujo quiescente". IET Science, Measurement & Technology . 8 (3): 135–142. doi : 10.1049/iet-smt.2013.0131 . S2CID  110753749.
  22. ^ Aono H, Yamakawa S, Iwamura K, Honami S, Ishikawa H (17 de mayo de 2017). "Actuadores de plasma de descarga de barrera microdieléctrica de tipo recto y curvo para control de flujo activo". Experimental Thermal and Fluid Science . 88 : 16–23. doi :10.1016/j.expthermflusci.2017.05.005.
  23. ^ Durscher R, Roy S (9 de diciembre de 2011). "Materiales dieléctricos aerogeles y ferroeléctricos para actuadores de plasma". Journal of Physics D: Applied Physics . 45 (1): 012001. doi :10.1088/0022-3727/45/1/012001. S2CID  122128615.

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