Бул изилдөө кичинекей UAV пропеллеринин алдыңкы кырына жайгаштырылган өзгөрмө токтуу Dielectric Barrier Discharge (AC-DBD) плазма актуаторлору hover шартында аэродинамикалык иштөөнү өзгөртөбү же жокпу, физикалык эксперименттер аркылуу изилдейт. Изилдөөчүлөр радиусу 114 mm, туруктуу хордасы 22 mm болгон, эки канаттуу NACA 4412 пропеллерлерин ар кандай туруктуу pitch бурчтары менен 3B түрүндө чыгарышкан; 4000 RPMге чейин айлануу ылдамдыгын, thrust жана мотордун электр керектөөсүн өлчөшүп, жогорку чыңалууну айланган канаттарга жогорку ылдамдыктагы slip-ring системасы аркылуу өткөрүшкөн. 18° pitchтүү пропеллерде дээрлик ошол эле айлануу ылдамдыгы жана thrust шартына кайтарылганда power coefficient 4000 RPMде %7,66 азайып, Figure of Merit (FoM) %9,42 жогорулаган. Кеңири pitch сканында булак 22° үчүн %10,1 FoM өсүшүн билдирет. Ал эми 6° жана 12° pitchтерде өлчөөгө боло турган пайда байкалган эмес, эң жогорку 30° pitchте да плазма актуатциясы иштөөнү жакшырткан эмес. Эң маанилүү чечмелөө чеги — агымдын ажырашы жана кайра жабышы PIV сыяктуу түз агымды визуалдаштыруу ыкмасы менен өлчөнгөн эмес; механизм иштөө өлчөөлөрүнөн кыйыр түрдө чечмеленет.

Жыйынтыктардын эң көңүл бурарлык жагы — плазма актуатциясы ошол эле шарттарда чоң thrust өсүшүн жаратуудан көбүрөөк пропеллердин ошол эле thrustту мотордун азыраак электр кубат керектөөсү менен өндүрүшү менен коштолгон. 18° pitchтүү пропеллердин 4000 RPM тестинде актуатциядан кийинки айлануу ылдамдыгынын айырмасы %0,35, thrust coefficient айырмасы %0,69, power coefficient өзгөрүүсү болсо −%7,66. Ошол эле экспериментте FoM %9,42 жогорулаган. Булактын чечмелөөсүнө ылайык, плазма boundary layerге өткөргөн momentum ажыраган агым менен байланышкан профиль жоготууларын азайткан болушу мүмкүн.

Плазма башкаруусу бардык иш шарттарында пайда берген эмес. 6° жана 12° сыяктуу төмөн pitchтерде пропеллер иштөөсүндө өлчөөгө боло турган өзгөрүү табылган эмес; изилдөөчүлөр муну негизги агым көбүнчө жабышкан бойдон калганы жана ошондуктан ажыроону башкарууга аз мүмкүнчүлүк бар экени менен байланыштырган. 15°де FoM өсүшү %4,2 болуп чыккан, андан жогору орто pitchтерде пайда чоңоюп, 22°де %10,1ге жеткен. Бирок 30°де кайрадан өлчөөгө боло турган пайда байкалган эмес. Изилдөөчүлөр бул жыйынтыкты плазма эң пайдалуу боло турган аймак “ажыроо жок” менен “өтө күчтүү ажыроо” ортосундагы орточо ажыраган-агым режими болушу мүмкүн деп чечмелешет.

Түркия жагынан: Табылгалар Түркияда иштелип чыга турган кичинекей электр UAV пропеллерлери үчүн кыймылдуу механикалык flap же аба үйлөө системасын талап кылбаган активдүү агым башкаруусун изилдөөгө боло турганын көрсөткөн эксперименттик ыкманын мисалын берет. Бирок изилдөөдөгү %7,66 power coefficient азайышы же %9–10 деңгээлиндеги FoM өсүштөрү Түркиядагы каалаган UAV пропеллерине түздөн-түз көчүрүлбөшү керек. Жыйынтыктар twistсиз NACA 4412 канаты, 228 mm диаметр, белгилүү электрод геометриясы, hover шарты, болжол менен 10⁴ тартибиндеги Reynolds сандары жана 4000 RPMге чейин сыналган лабораториялык түзүлүш менен чектелет. Реалдуу колдонуу үчүн өзгөчө пропеллер геометриясы, forward flight, плазма системасынын таза электр керектөөсү, электромагниттик интеграция жана узак мөөнөттүү бышыктык өзүнчө сыналышы керек.

Изилдөөнүн негизги суроосу эмне?

Изилдөөнүн негизги суроосу — туруктуу канаттарда жана төмөн ылдамдыктагы чоң ротор эксперименттеринде колдонулган DBD плазма негизиндеги ажыроону башкаруу, андан кыйла кичине жана 4000 RPMге чейин айланган UAV пропеллеринде да өлчөөгө боло турган аэродинамикалык пайда жаратабы же жокпу.

Авторлордун маалыматына ылайык, мурунку ротор изилдөөлөрү көбүнчө чоңураак роторлорду жана төмөнүрөөк айлануу ылдамдыктарын караган. Ошондуктан изилдөөчүлөр кичине өлчөмдөгү UAV пропеллерлеринде leading-edge AC-DBD плазма актуатциясын ар кандай pitch, RPM жана чыңалуу шарттарында системалуу сыноону иштин негизги жаңылыгы катары көрсөтүшөт.

DBD плазма актуатору абага кантип таасир этет?

Типтүү Dielectric Barrier Discharge актуаторунда эки электрод диэлектрдик катмар менен бөлүнөт. Электроддордун бири аба менен байланышта болуп, экинчиси диэлектрик ичинде же астында жабык болот. Электроддордун ортосуна жогорку өзгөрмө чыңалуу берилгенде ачык электроддун айланасындагы аба иондошуп, бет боюнча плазма аймагы пайда болот.

Электр талаасындагы заряддалган бөлүкчөлөрдүн нейтралдуу аба молекулалары менен momentum алмашуусу бет боюнча плазма жараткан дубал jetин пайда кылышы мүмкүн. Изилдөөнүн 1-сүрөтүндөгү схема ачык электродду, диэлектрдик катмарды, жабык электродду жана бет боюнча пайда болгон индукцияланган аба агымын чогуу көрсөтөт.

Аэродинамикалык жактан максат boundary layerдин төмөн momentumдуу бөлүгүнө энергия берип, агымдын adverse pressure gradientке каршылыгын жогорулатуу жана ажыроону кечеңдетүү. Бирок учурдагы изилдөө канатта PIV жүргүзбөгөндүктөн, плазма boundary layerди кайсы radial позицияларда жана канча өлчөмдө кайра жабыштырганы түз өлчөнгөн эмес.

Экспериментте кандай пропеллер колдонулду?

Эксперимент модели атайын жөнөкөй тандалган. Пропеллер:

• эки канаттуу,
• twistсиз,
• 114 mm радиуска ээ,
• 22 mm туруктуу хордага ээ,
• NACA 4412 профилин колдонот,
• канат боюнча туруктуу геометриялык pitchке ээ.

Ар кандай эксперименттер үчүн 6°, 12°, 15°, 18°, 22° жана 30° сыяктуу ар башка туруктуу pitch бурчтары бар өзүнчө пропеллерлер чыгарылган. Канаттар жогорку катуулуктагы, айнек толтурулган SLA тибиндеги Rigid 10K Resin менен 3B басылып чыгарылган.

Бул жөнөкөйлөштүрүлгөн геометрия коммерциялык UAV пропеллеринин бардык геометриялык деталдарын өкүлчүлүк кылуу үчүн эмес, плазма электроддорун кичине айланган канаттарга колдонууну жана pitch таасирин көзөмөлдөп изилдөөнү жеңилдетүү үчүн тандалган.

Эксперименттик түзүлүш кантип курулган?

Изилдөөнүн 3-сүрөтүндө жогорку чыңалууну айланган пропеллерге жеткирүүгө мүмкүндүк берген атайын эксперименттик система көрсөтүлгөн. Пропеллер brushless электр мотор менен айлантылган; мотор 16 V DC камсыздоону колдонгон. Керектүү RPM электрондук ылдамдык башкаруу системасы аркылуу кол менен жөндөлүп, санарип тахометр менен өлчөнгөн.

Пропеллер өндүргөн аэродинамикалык күч ATI mini45 IP65 күч/момент сенсору менен өлчөнгөн. Стандарттык салмактар менен калибрлөөдө 50 Nге чейинки күчтөр үчүн load cell өлчөө белгисиздиги ±%2 деп аныкталган.

Мотор тогу Hall-effect ток өзгөрткүчү менен өлчөнүп, тиешелүү системанын көрсөтүлгөн тактыгы ±%1 болгон. Аэродинамикалык күч жана мотор кубат керектөөсү тууралуу маалыматтар 5000 Hz sampling ылдамдыгында катталган.

Изилдөөчүлөр ар бир иш шартын бир нече жолу кайталап, кайталанган thrust/power өлчөөлөрүндөгү жалпы өзгөрмөлүүлүктү болжол менен ±%2,5 деп билдиришкен. Бирок ар бир шарт үчүн канча көз карандысыз кайталоо жасалганы булакта сандык берилген эмес.

Жогорку чыңалуу айланган канаттарга кантип өткөрүлдү?

Айланган пропеллерге плазма түзө турган жогорку чыңалууну берүү эксперименттин маанилүү инженердик бөлүктөрүнүн бири. Эки жогорку чыңалуудагы жана жогорку ылдамдыктагы slip ring колдонулган. Бир slip ring жогорку чыңалуу линиясын, экинчиси жер линиясын алып жүргөн.

Колдонулган slip ringдер 7500 RPMге чейин иштөөгө ылайыкталган; эксперименттердеги эң жогорку пропеллер ылдамдыгы 4000 RPM болгон. Атайын 3B басылып чыгарылган shaft adapterлер мотор, пропеллер, кабелдер жана slip ringдерди бир айланган системада механикалык бириктирүүгө мүмкүндүк берген.

Плазма электроддору канатка кантип жайгаштырылды?

DBD актуатору канаттын leading edge бөлүгүнө колдонулган. Болжол менен 70 µm калыңдыктагы жез катмарлар электрод катары пайдаланылган.

Ground electrode жылаңач канат бетине жайгаштырылып, leading edgeден suction жана pressure беттерине карай оролгон. Анын үстүнө ар бири 130 µm калыңдыктагы төрт Kapton изоляция катмары колдонулган. Kapton катмарлары жогорку чыңалуудагы ачык электрод менен ground electrode ортосунда dielectric barrier милдетин аткарган.

Exposed electrode плазма түздөн-түз leading edge аймагында пайда боло тургандай жайгаштырылып, болжол менен:

r/R = %15 – %90

radial диапазонун камтыган.

Электродду %90 радиустан ары узартуу алгачкы дизайн тесттеринде кыска туташуу ыктымалдыгын көбөйткөндүктөн tip аймагы камтуудан чыгарылган.

Плазманын электрдик иш шарттары кандай болгон?

Негизги иштөө эксперименттеринде актуаторлор болжол менен:

• колдонулган AC чыңалуу: \(V_{ac}=6\) kV,
• актуатор электр кубаты: \(P_{ac}\approx4\) W,
• актуатция жыштыгы: \(f_{ac}\approx5.5\) kHz

шартында иштетилген.

Плазма актуаторунун электр кубаты өлчөнгөн чыңалуу менен токтун убакыт боюнча көбөйтүндүсүнүн бир периоддогу орточосу аркылуу эсептелген:

\[ P_{ac} = \frac{1}{T} \int_{0}^{T} V_{ac}(t)I_{ac}(t)\,dt \]

Бул жерде \(P_{ac}\) актуатордун орточо электр кубат керектөөсүн, \(V_{ac}(t)\) учурдагы чыңалууну, \(I_{ac}(t)\) учурдагы токту жана \(T\) баалоо периодун билдирет.

Эксперимент процедурасы плазманын таасирин кантип бөлдү?

Ар бир экспериментте пропеллер алгач белгиленген RPMде плазма өчүк абалда болжол менен 30 секунд туруктуу иштетилген. Андан кийин DBD плазма актуаторлору активдештирилген.

Башкаруу системасы RPMди автоматтык туруктуу кармабагандыктан, аэродинамикалык drag азайса мотор ошол эле башкаруу шартында тезирээк айланышы мүмкүн. Изилдөөчүлөр плазма активдешкенден кийинки RPM өсүшүн агым башкаруунун мүмкүн болгон көрсөткүчтөрүнүн бири катары колдонушкан.

Жаңы абал болжол менен 30 секунд туруктуу болгондон кийин плазма ачык калтырылып, бирок пропеллер RPMи кол менен баштапкы плазма-өчүк мааниге кайра төмөндөтүлгөн. Ошентип thrust жана мотор кубат керектөөсү дээрлик бирдей айлануу ылдамдыгында салыштырылган.

Бул процедура маанилүү айырма жаратат: плазма биринчи күйгүзүлгөндө байкалган жогорку RPM жана thrust өзгөргөн аэродинамикалык жоготууларды да, өсүп кеткен айлануу ылдамдыгын да камтыйт. Негизги салыштыруу RPM кайра баштапкы деңгээлге кайтарылгандан кийин жүргүзүлгөн.

Эмне үчүн 6° жана 12° pitchте пайда болгон жок?

6° жана 12° туруктуу pitchтүү пропеллерлерде плазма күйгүзүлгөндөн кийин өлчөөгө боло турган RPM же натыйжалуулук өзгөрүүсү байкалган эмес.

Авторлор муну бул төмөн жүктөө шарттарында boundary layer негизинен жабышкан бойдон калгандыгы жана плазма актуатору көзөмөлдөй ала турган чоң ажыраган аймак болбогондугу менен түшүндүрүшөт.

Бирок изилдөө бул эки шартта беттик агымды түз өлчөбөгөндүктөн “агым сөзсүз толук жабышкан” деген жыйынтыкты эксперименттик визуалдаштыруу далили катары берүү туура эмес. Булак колдогон билдирүү — иштөө өлчөөлөрү ири масштабдагы ажыроо жок болгон же плазма менен өлчөөгө боло тургандай өзгөрө турган деңгээлге чейин өнүкпөгөн деген чечмелөөгө ылайык.

18° pitchтүү пропеллерде эмне өзгөрдү?

18° pitchте плазма күйгүзүлгөндө 2000, 2500, 3000 жана 4000 RPM тесттеринин баарында айлануу ылдамдыгы жогорулаган. RPM өскөндө thrust да убактылуу көбөйүп, мотордун электр керектөөсү азайган.

Андан кийин плазма ачык бойдон RPM баштапкы мааниге кайтарылганда thrust болжол менен баштапкы деңгээлге кайтып, мотор кубат керектөөсү болсо төмөн бойдон калган.

Бул жүрүм-турум изилдөөнүн негизги эксперименттик табылгасы: плазманын эң көрүнүктүү таасири ошол эле thrust деңгээлинде төмөн электр кубат талабына коштолгон.

Thrust жана power coefficientтер кантип эсептелди?

Пропеллерди ар кандай RPM маанилеринде салыштыруу үчүн өлчөнгөн thrust жана электр кубаты өлчөмсүз коэффициенттерге айландырылган.

Thrust coefficient:

\[ C_T= \frac{T} {\rho n^2D^4} \]

Бул жерде \(T\) thrust күчү, \(\rho\) аба тыгыздыгы, \(n\) секунддагы айлануулар саны жана \(D\) пропеллер диаметри.

Power coefficient:

\[ C_P= \frac{P} {\rho n^3D^5} \]

түрүндө эсептелген.

Эксперименттер көзөмөлдөнгөн лаборатория шартында болжол менен 22 °C жана 101,3 kPa шарттарында жүргүзүлүп, эсептөөлөрдө аба тыгыздыгы:

\[ \rho=1.20\;kg/m^3 \]

деп алынган.

Figure of Merit эмнени билдирет?

Hovering rotor натыйжалуулук көрсөткүчү Figure of Merit:

\[ FoM= \frac{C_T^{3/2}} {\sqrt{2}\,C_P} \]

байланышы менен эсептелген.

FoM жогорулаганда ошол эле аэродинамикалык жүктөө үчүн төмөн power coefficient болот. Бул экспериментте thrust coefficient негизинен бирдей калганына карабастан, power coefficient төмөндөшү FoM өсүшүнө алып келген.

Булак FoMду “system-level FoM” деп атайт, анткени механикалык shaft кубатынын ордуна мотордун электр кириш кубаты өлчөнгөн. Бирок DBD плазма системасынын болжол менен 4 W өзүнчө керектөөсү FoM теңдемесиндеги \(P\)ге ачык киргизилгени көрсөтүлгөн эмес. Ошондуктан FoM маанилери жалпы учак энергия бюджети менен бир нерсе эмес.

18° пропеллердин так жыйынтыктары кандай?

RPM өзгөрүүлөрү бул салыштыруулардын баарында %1ден төмөн калган. Power coefficient азайышы RPM жогорулаган сайын негизинен чоңоюп, FoM өсүшү 2000 RPMдеги %4,72ден 4000 RPMдеги %9,42ге жеткен.

Булак текст максималдуу \(C_T\) өзгөрүүсү %0,7ден кичине дейт, бирок таблицадагы 2500 RPM мааниси +%0,91. Ошондуктан Verianla thrust coefficient “ар бир шартта %0,7ден аз өзгөргөн” деген сүйлөмдү кайталабайт. Коопсузураак жыйынтык — \(C_T\) өзгөрүүсү таблицадагы төрт экспериментте −%0,46 менен +%0,91 арасында калган.

Жыйынтык өлчөө белгисиздигинен жогорубу?

Кайталанган thrust жана power өлчөөлөрүндөгү жалпы эксперименттик өзгөрмөлүүлүк болжол менен ±%2,5 деп билдирилген. 4000 RPMдеги −%7,66 power coefficient өзгөрүүсү бул деңгээлден кыйла чоң. Ошондуктан изилдөөчүлөр кубат керектөөсүнүн азайышы тесттер арасындагы чачыроо менен гана түшүндүрүлбөгөн, кайталана турган таасир экенин белгилешет.

FoMдагы %9,42 өсүш да ошол эле ±%2,5 кайталануу масштабынан чоң.

Бирок макалада бул салыштыруулар үчүн p-value, confidence interval же өзүнчө параметрдик/non-parametrik hypothesis test берилген эмес. ±%2,5 мааниси кайталанган эксперименттерде байкалган жалпы вариацияны билдирет.

Pitch бурчу плазманын таасирин кантип өзгөртөт?

4000 RPMде ар кандай pitch бурчтары менен жүргүзүлгөн экинчи эксперимент сериясы плазманын таасири бирдей эмес экенин көрсөтөт.

• 6°: өлчөөгө боло турган FoM өсүшү жок.
• 12°: өлчөөгө боло турган FoM өсүшү жок.
• 15°: FoM өсүшү %4,2.
• 18°: байкаларлык FoM өсүшү; 18° үчүн өзүнчө Table 1 экспериментинде 4000 RPM жыйынтыгы %9,42.
• 22°: булак текстинде FoM өсүшү %10,1.
• 30°: өлчөөгө боло турган пайда жок.

Бул бөлүштүрүү жөнөкөй “pitch жогорулаган сайын плазма дайыма жакшыраак иштейт” мамилесин көрсөтпөйт. Пайда төмөн pitchте көрүнбөйт, орто-жогорку pitchте өсүп, эң жогорку 30° pitchте кайра жок болот.

Эмне үчүн эң чоң пайда орточо ажыроо режиминде көрүнгөн болушу мүмкүн?

Изилдөөчүлөрдүн физикалык чечмелөөсү боюнча DBD актуаторунун белгилүү бир башкаруу бийлиги терезеси бар.

Агым буга чейин жабышкан болсо, актуатор оңдой турган маанилүү ажыроо жоготуусу жок. Ажыраган аймак орточо деңгээлде болсо, плазма wall jet boundary layerге жетиштүү momentum берип, ажыроону кечеңдетиши же аймактын бир бөлүгүн кайра жабыштырышы мүмкүн. Ажыроо өтө күчтүү болгондо болсо актуатор берген momentum бүткүл ажыраган аймакты башкарууга жетпеши мүмкүн.

Бул түшүндүрмө изилдөө жыйынтыктарына ылайык келет; бирок түз PIV болбогондуктан 6°, 22° же 30° канаттардагы ажыроонун чыныгы көлөмү эксперименттик агым картасы катары өлчөнгөн эмес.

Аннотация менен толук жыйынтыктардын ортосундагы максималдуу FoM айырмасы эмне үчүн маанилүү?

Макаланын аннотациясы максималдуу FoM өсүшүн %9,42 деп берет. Бул сан 18° pitchтүү пропеллердин 4000 RPM Table 1 эксперименти үчүн туура.

Бирок кийинки pitch бурчу сканында текст 22° пропеллер үчүн %10,1 FoM өсүшүн билдирет. Демек, изилдөөнүн толук жыйынтыктары эске алынганда булакта билдирилген эң жогорку FoM өсүшү %10,1; аннотация муну чагылдырбайт.

Verianla бул эки маанини бири-биринин ордуна койбойт: %9,42 — деталдуу 18° RPM сериясынын эң жогорку мааниси; %10,1 — ар башка pitchтер 4000 RPMде салыштырылган эксперимент сериясында билдирилген 22° жыйынтыгы.

Актуатция чыңалуусун жогорулатуу жыйынтыкты жакшырттыбы?

Жок; сыналган диапазондо өлчөөгө боло турган кошумча FoM пайдасы байкалган эмес.

Плазма болжол менен 4 kV айланасында көрүнүп баштаган, 6 kVде кочкул кызгылт плазма жаркыроосу аныгыраак болгондуктан негизги эксперименттерде 6 kV тандалган.

18° пропеллерде 4, 6, 8 жана 10 kV чыңалуулар; 1500, 2000, 2500, 3000 жана 4000 RPM шарттарында салыштырылганда Figure 8де FoM маанилери бири-бирине абдан жакын калган.

Авторлор муну saturation жүрүм-турумуна ылайык деп эсептешет: плазма discharge boundary layerге жетиштүү momentum бере баштагандан кийин чыңалууну дагы көтөрүү бирдей катышта аэродинамикалык пайда өндүрбөйт.

Бул жыйынтык сыналган электрод геометриясы жана чыңалуу диапазону үчүн гана жарактуу. Башка актуатор түзүлүшү же pulsed control формасы ошол эле saturation жүрүм-турумун көрсөтөрү бул эксперимент менен далилденген эмес.

Актуатция жыштыгы оптималдаштырылдыбы?

Жок. Жабдуу жана актуатор геометриясы себептүү плазма жыштыгы болжол менен:

\[ 4\leq f_{ac}\leq7\;kHz \]

диапазонунда калган.

4000 RPMде пропеллердин механикалык айлануу жыштыгы:

\[ f_r=\frac{\Omega}{60}=66.67\;Hz \]

болгондуктан плазма жыштыгы ротор жыштыгынан кыйла жогору.

Ошондуктан изилдөө ротор же ажыраган shear-layer динамикасы менен phase-locked төмөн жыштыктагы актуатцияны системалуу изилдеген эмес. Авторлор төмөнүрөөк жана жөнгө салынуучу актуатция жыштыктарын келечектеги изилдөө багыты катары калтырышат.

Плазманын агымга таасири quasi-steadyби же убакытка көз карандыбы?

Изилдөө бул эки механизмди эксперименттик түрдө бири-биринен ажырата албайт.

Биринчи мүмкүн болгон механизм — плазма жараткан wall jet boundary layerге quasi-steady momentum кошуп, adverse pressure gradientке туруктуулукту жогорулатышы.

Экинчи мүмкүнчүлүк — периоддук плазма forcing ажыраган shear layer ичинде coherent vortical structures жаратып, тышкы агым менен дубалга жакын төмөн momentumдуу агымдын ортосунда аралашууну күчөтүшү.

Учурдагы эксперимент глобалдык RPM, thrust жана электр кубат өлчөөлөрүн гана камтыгандыктан, эки механизмдин салыштырмалуу салымы аныкталган эмес. Авторлор бул айырманы аныктоо үчүн phase-locked PIV сыяктуу деталдуу агым талаасы өлчөөлөрү керек экенин ачык белгилешет.

Ротор боюнча ажыроо эмне үчүн бирдей болбошу мүмкүн?

Айланган пропеллерде канат кесиминин салыштырмалуу ылдамдыгы жана Reynolds саны радиус боюнча өзгөрөт. Булактын 2-сүрөтүндөгү Reynolds бөлүштүрүүсү да ушул radial өзгөрүүнү көрсөтөт.

Ошондуктан канаттын ички жана тышкы аймактарында boundary layer жүрүм-туруму бирдей болот деп күтүлбөйт. Айрыкча төмөн Reynolds сандуу ички аймактар ажыроого көбүрөөк жакын болушу мүмкүн.

Бирок учурдагы эксперимент канаттын канча пайыз аймагы ажыраганын же плазмадан кийин кайсы radial аймактар кайра жабышканын өлчөгөн эмес.

Плазма актуаторунун болжол менен 4 W керектөөсү эмне үчүн маанилүү?

Плазма системасы аэродинамикалык жактан “акысыз” эмес. Негизги тест шартында актуатордун электр керектөөсү болжол менен 4 W деп эсептелген.

Изилдөөдөгү мотор power coefficient жана FoM эсептери мотордун электр керектөөсү боюнча жүргүзүлөт; плазма актуаторунун 4 W керектөөсү өзүнчө \(P_{ac}\) эсебинде билдирилет. Булак жалпы мотор + плазма электр бюджети үчүн өзүнчө net FoM же учуу убактысы эсебин бербейт.

Ошондуктан изилдөө “плазма күйгөндө мотор азыраак электр тартты” деген жыйынтыкты колдойт; бирок бардык power electronics жана плазма булагы чогуу эсептелгенде чыныгы учуучу аппарат батареядан таза канча пайыз азыраак энергия алары бул эксперименттен түз чыгарылбайт.

Изилдөө колдогон жыйынтыктар

• AC-DBD плазма актуаторлору физикалык түрдө 4000 RPMге чейин айланган кичинекей UAV пропеллерине колдонулган.
• 18° pitchтүү пропеллерде плазма күйгөндө RPM өсүп, мотордун электр керектөөсү азайган.
• RPM баштапкы деңгээлге кайтарылганда 18° пропеллерде power coefficient 4000 RPMде %7,66 азайган.
• Ошол эле 18°/4000 RPM экспериментинде FoM %9,42 жогорулаган.
• Булактын кеңири pitch сканында 22° үчүн %10,1 FoM өсүшү билдирилген.
• 6° жана 12° төмөн pitchтерде өлчөөгө боло турган натыйжалуулук пайдасы табылган эмес.
• 30° эң жогорку тест pitchинде да өлчөөгө боло турган пайда байкалган эмес.
• 4–10 kV арасында актуатция чыңалуусун жогорулатуу сыналган шарттарда FoMду олуттуу жогорулаткан эмес.
• Power coefficientдеги максималдуу %7,66 азайуу эксперименттер аралык болжол менен ±%2,5 вариациядан чоң.
• Жыйынтыктар DBD башкаруусу орточо деңгээлде ажыраган агым шарттарында натыйжалуураак болушу мүмкүн деген чечмелөөгө ылайык.

Изилдөө колдобогон же сынабаган жыйынтыктар

• Плазма канаттагы ажыроо аймагын так кайда жана канчага кичирейткени түз өлчөнгөн эмес.
• PIV, phase-locked PIV же деталдуу беттик агым визуалдаштыруу жасалган эмес.
• 30° пропеллердеги агымдын так stall түзүлүшү жана ажыроо башталышы түз аныкталган эмес.
• Жыйынтыктар forward-flight шартында текшерилген эмес.
• Чыныгы көп роторлуу UAVде учуу тести жасалган эмес.
• Ар кандай airfoil, twist, chord бөлүштүрүүсү же коммерциялык пропеллер геометриялары системалуу изилденген эмес.
• Актуатордун узак мөөнөттүү эрозия, экологиялык чыдамдуулук же үзгүлтүксүз учуу ишенимдүүлүгү бааланган эмес.
• Плазма кубат булагынын болжол менен 4 W керектөөсү кошулуп, чыныгы батарея деңгээлиндеги net энергия пайдасы өзүнчө эсептелген эмес.
• Изилдөө плазма бардык pitch жана RPM шарттарында натыйжалуулукту жогорулатат деп көрсөтпөйт.
• 4–10 kV диапазонунда жыйынтыктар окшош болушу бардык плазма актуаторлору чыңалуудан көз карандысыз дегенди билдирбейт.
• Төмөн жыштыктагы, ротор же shear-layer динамикасы менен синхрондуу актуатция сыналган эмес.
• Байкалган FoM өсүшү UAV учуу убактысында түз ошол эле пайыздык өсүштү берет деп көрсөтүлгөн эмес.

Изилдөөнүн Ыкмасы жана Жыйынтыктары

Эксперимент модели жана негизги параметрлер

Өлчөө ишенимдүүлүгү

Load cell калибрлөө жыйынтыгындагы өлчөө белгисиздиги ±%2, электр тогу сенсорунун өндүрүүчү тактыгы ±%1 деп көрсөтүлгөн. Бир нече кайталоодо thrust жана power жыйынтыктарынын байкалган өзгөрмөлүүлүгү болжол менен ±%2,5.

Бул акыркы маани түзмөктөрдүн каталогдук тактыгын гана эмес, тесттен тестке чыккан жалпы эксперименттик чачыроону да камтыйт.

18° тест сериясынын физикалык мааниси

18° pitchтүү пропеллер изилдөөнүн деталдуу убакыт сериясы анализинин негизги мисалы. 2000–4000 RPM диапазонунда плазма күйгөндө RPM жогорулашы drag жоготуусу азайган деген чечмелөөгө ылайык деп каралган.

RPM кайра ошол эле мааниге жөндөлгөндө thrust негизинен сакталып, мотор азыраак кубат керектегендиги аэродинамикалык жүктү көбөйтүүдөн көбүрөөк жоготуу механизмдери азайган деген чечмелөөнү колдойт.

Power coefficient эмне үчүн маанилүү?

Чийки электр кубаты RPM менен катуу өзгөргөндүктөн ар кандай иш ылдамдыктарын watt менен гана салыштыруу адаштырышы мүмкүн. \(C_P\) мотордун электр киришин аба тыгыздыгы, айлануу ылдамдыгы жана пропеллер өлчөмү менен нормалдаштырат.

18° тестте \(C_P\)нин 2000 RPMде %2,43, 2500 RPMде %4,85, 3000 RPMде %7,17 жана 4000 RPMде %7,66 азайышы плазманын өлчөнгөн таасири жогорку тест ылдамдыктарында аныгыраак болгонун көрсөтөт.

FoM эмне үчүн көбүрөөк өсөт?

FoMдун алымында \(C_T^{3/2}\), бөлүмүндө \(C_P\) болгондуктан thrust coefficient болжол менен сакталып, power coefficient азайганда FoM өсөт.

Ошондуктан 4000 RPMдеги −%7,66 \(C_P\) өзгөрүүсү +%9,42 FoM өзгөрүүсүнө туура келет. FoM өсүшү power азайышы менен бирдей пайызда болушу күтүлбөйт; математикалык аныктамалары ар башка.

22° жыйынтыгы эмне үчүн өзүнчө каралышы керек?

Pitch бурчу сканында булак 15° үчүн %4,2, 22° үчүн %10,1 FoM өсүшүн билдирет. Бул серия 18° пропеллерде RPM боюнча жүргүзүлгөн деталдуу Table 1 экспериментинен башка параметр сканы.

Ошондуктан %10,1 жыйынтыгы 18° Table 1ге кошулбашы; өзүнчө 22° pitch тестинин жыйынтыгы катары сакталышы керек.

Булак аннотациясынын “maximum 9.42%” деген билдирүүсү менен жыйынтык бөлүмүндөгү %10,1 арасында көрүнгөн дал келбестик болгондуктан, Verianla эки маанини тең контексти менен сактайт.

Чыңалуу сканынын жыйынтыгы

Figure 8, 18° pitchтүү пропеллер үчүн 4, 6, 8 жана 10 kV колдонууларында 1500–4000 RPM арасында акыркы FoM маанилери ката тилкесинин ичинде бири-бирине абдан жакын экенин көрсөтөт.

Ошондуктан жогорку чыңалуу учурдагы түзүлүштө өлчөөгө боло турган кошумча FoM пайдасын берген эмес. Изилдөө бул байкоону актуатордун аэродинамикалык таасиринде saturationга жетүү менен түшүндүрөт.

Чыңалуу жыйынтыгы таза энергия оптимизациясы дегенди билдиреби?

Жок. Чыңалуу сканы аэродинамикалык FoM жыйынтыгына багытталган. Ар кандай чыңалууларда плазма кубат керектөөсүнүн жалпы аппарат энергия натыйжалуулугуна таасирин камтыган деталдуу батарея деңгээлиндеги оптимизация жүргүзүлгөн эмес.

Ошондуктан практикалык UAV дизайнында аэродинамикалык FoM гана эмес, жогорку чыңалуу power electronics жана плазма актуаторунун өз керектөөсү да чогуу бааланышы керек.

Эксперименттин күчтүү жактары

• Плазма актуатциясы чындап айланган кичинекей пропеллерде колдонулган.
• 4000 RPMге чейин жогорку ылдамдыктагы тест жүргүзүлгөн.
• Жогорку чыңалууну айланган системага өткөргөн slip-ring инфраструктурасы физикалык курулган.
• Thrust, RPM жана мотор электр керектөөсү бир убакта көзөмөлдөнгөн.
• Плазма күйгөндөн кийин RPMди баштапкы мааниге кайтаруу көбүрөөк көзөмөлдөнгөн иштөө салыштыруусун камсыз кылган.
• Ар кандай pitch бурчтары сыналып, плазманын иштөө терезеси изилденген.
• 4–10 kV чыңалуу сканы жүргүзүлгөн.
• Кайталанган тесттерде эксперименттик вариация билдирилген.

Эксперименттин негизги чектөөлөрү

• Бир гана негизги airfoil жана жөнөкөйлөштүрүлгөн пропеллер геометриясы колдонулган.
• Hoveringден башка forward-flight шарты бааланган эмес.
• Түз PIV же беттик агым өлчөөсү жасалган эмес.
• Pitchке жараша ажыроо абалы кыйыр иштөө көрсөткүчтөрүнөн чечмеленген.
• Актуатция жыштыгы кең жана төмөн жыштыктагы сканга дуушар болгон эмес.
• Ар бир тест шартындагы кайталоолордун саны ачык берилген эмес.
• Формалдуу статистикалык маанилүүлүк тести билдирилген эмес.
• Узак мөөнөттүү электрод/диэлектрик чыдамдуулугу сыналган эмес.
• Жогорку чыңалуу системасынын чыныгы UAV интеграция салмагы жана power electronics таасири бааланган эмес.
• Плазма актуаторунун өз кубат керектөөсү кошулган толук батарея деңгээлиндеги энергия балансы берилген эмес.

Келечектеги изилдөөлөр кайсы суроолорду чечиши керек?

Авторлор кийинки этапта PIV сыяктуу деталдуу агымды визуалдаштыруу ыкмаларын колдонууну сунушташат. Ошентип кайсы pitch жана radial аймакта ажыроо пайда болгону, плазма күйгөндө shear layer кандай өзгөргөнү жана reattachmentтын чыныгы көлөмү түз өлчөнүшү мүмкүн.

Актуатор геометриясы жана электрод жайгашуусун оптималдаштыруу, төмөнүрөөк жана жөнгө салынуучу актуатция жыштыктары, башка пропеллер дизайндар жана forward-flight шарттары да негизги келечектеги изилдөө багыттарынын арасында.

Изилдөөнүн инженердик жактан негизги билдирүүсү

Изилдөөнүн эң күчтүү жыйынтыгы DBD плазма актуатору кичинекей айланган пропеллерде “плазма түзүүгө болорун” көрсөтүү менен гана чектелбегени. Белгилүү pitch жана айлануу ылдамдыгы шарттарында мотордун электр керектөөсү өлчөөгө боло тургандай азайып, thrust болжол менен сакталган.

Ошол эле учурда жыйынтыктар активдүү агым башкаруусунун иштөө терезеси бар экенин көрсөтөт. Агым негизинен жабышкан деп эсептелген төмөн pitchтерде башкарылуучу жоготуу аз; өтө күчтүү ажыроо күтүлгөн 30° шартында болсо учурдагы актуатор жетиштүү башкаруу бийлигине ээ көрүнбөйт.

Демек DBD плазма актуатциясы бул изилдөөнүн маалыматтарына ылайык “ар бир шартта пропеллер натыйжалуулугун жогорулатуучу” технология эмес, белгилүү аэродинамикалык режимдерде жоготууларды азайтуу мүмкүнчүлүгүн көрсөткөн активдүү агым башкаруу ыкмасы.

Булак жана Ыкма Жөнүндө Эскертүү

Толук оригинал изилдөө аталышы: Experimental Analysis of Flow Separation Control on UAV Propellers Using Dielectric Barrier Discharge Plasma Actuators

Авторлор: Abdallah Samad; Kayde Bowers; Harsha Sista; Anvesh Dhulipalla; Hui Hu.

Авторлордун ирети: Булактагы оригинал ирет өзгөртүүсүз сакталган.

Тең салым/тең биринчи автор: Булакта көрсөтүлгөн эмес.

Жооптуу авторлор: Abdallah Samad жана Hui Hu.

Мекемелер: Department of Aerospace Engineering, Iowa State University, Ames, Iowa, USA; Department of Mechanical Engineering, American University of Bahrain, Al-Riffa, Bahrain; Department of Mechanical Engineering, Pennsylvania State University, University Park, Pennsylvania, USA.

Булак түрү: Рецензияланган эксперименттик изилдөө макаласы. Физикалык түрдө айланган кичинекей UAV пропеллерлеринде AC-DBD плазма актуатциясы колдонулуп; thrust, RPM жана мотордун электр кубат керектөөсү лаборатория шартында өлчөнгөн.

Журнал: Aerospace

Басмакана: MDPI

Том / сан / макала номери: 13(8), 668

Жарыя күнү: 26 июль 2026

DOI: 10.3390/aerospace13080668

Расмий жарыя шилтемеси: https://www.mdpi.com/2226-4310/13/8/668

DOI шилтемеси: https://doi.org/10.3390/aerospace13080668

Рецензия статусу: Изилдөө рецензияланган Aerospace журналында жарыяланган изилдөө макаласы.

Лицензия: Creative Commons Attribution (CC BY) ачык жеткиликтүүлүк лицензиясы.

Каржылоо: Изилдөө Army Research Office тарабынан W911NF2410251 келишим номери менен жана National Science Foundation тарабынан CBET-1935363 жана CBET-2313310 сыйлык номерлеринин алкагында жарым-жартылай колдоого алынган.

Маалымат жеткиликтүүлүгү: Маалыматтар суроо-талап боюнча алынары көрсөтүлгөн.

Ыраазычылык: Авторлор эксперименттик түзүлүштү монтаждоодогу колдоосу үчүн Iowa State Universityден James Benson жана Andrew Jordanга ыраазычылык билдиришет.

Кызыкчылыктардын кагылышы: Авторлор кызыкчылыктардын кагылышын билдиришкен эмес.

Автордук салым боюнча булак эскертүүсү: Булактагы Author Contributions сабы “A.S., K.B. and H.H.; Methodology, A.S.; Validation...” түрүндө башталат. Алгачкы үч ысымдын алдында CRediT ролу көрүнбөгөндүктөн Verianla жетишпеген ролду божомол менен толуктаган эмес. Булак так түрдө методология A.S.; валидация A.S., K.B., H.S. жана H.H.; формалдык анализ A.S., H.S. жана A.D.; изилдөө A.S., K.B., H.S. жана A.D.; ресурстар H.H.; маалымат курациясы A.S., K.B., H.S. жана A.D.; алгачкы долбоор A.S.; карап чыгуу жана редакциялоо A.S. жана H.H.; көзөмөл, долбоорду башкаруу жана каржылоону алуу H.H. деп берет.

Аннотация–жыйынтык FoM дал келбестиги: Макаланын аннотациясы максималдуу FoM өсүшүн %9,42 деп билдирет. Бул 18° pitchтүү пропеллердин 4000 RPM Table 1 эксперименти. Бирок pitch бурчу сканынын жыйынтык тексти 22° үчүн %10,1 FoM өсүшүн билдирет. Verianla эки санды контексти менен өзүнчө сактап, бирин унчукпай экинчисинин ордуна койгон эмес.

Thrust coefficient дал келбестиги: Table 1де 2500 RPM үчүн ΔC_T +%0,91. Ошол бөлүмдүн уландысында текст максималдуу thrust coefficient variation мааниси %0,7ден кичине экенин айтат. Таблица менен сүйлөм шайкеш келбегендиктен Verianla негизги баалоодо таблицадагы так маанилерди негиз кылып, булак ичиндеги айырманы ачык каттаган.

FoM энергия камтуусу боюнча эскертүү: Макала FoM эсебинде shaft кубатынын ордуна электр кириш кубаты өлчөнгөндүктөн көрсөткүчтү system-level FoM деп атайт. Ошол эле изилдөө DBD плазма актуаторунун болжол менен 4 W кубат керектөөсүн өзүнчө эсептеген. Бирок бул болжол менен 4 W FoM эсебиндеги \(P\) маанисине кошулган-кошулбаганы ачык көрсөтүлгөн эмес. Ошондуктан билдирилген FoM өсүшү толук мотор + плазма + power electronics таза система натыйжалуулугу катары кайра чечмеленген эмес.

Агым ажыроосун текшерүү чеги: Изилдөөдө агым талаасы PIV же окшош ыкма менен түз өлчөнгөн эмес. Төмөн pitchтерде агым жабышкан, орто pitchтерде ажыраган жана 30°де күчтүүрөөк ажыраган деген чечмелөөлөр RPM, thrust жана motor power өзгөрүүлөрү менен мурунку аэродинамикалык билимге негизделет. Verianla буларды түз визуалдаштырылган ажыроо картасы катары бербеген.

Эксперименттик камтуу: Негизги тест модели эки канаттуу, 114 mm радиустуу, 22 mm туруктуу хорддуу, twistсиз NACA 4412 пропеллери. Эксперименттер hovering шартында, кирген эркин агымсыз жана 4000 RPMге чейин жүргүзүлгөн.

Өлчөө белгисиздиги: Load cell көрсөтүлгөн өлчөө белгисиздиги ±%2, электр тогу өлчөө системасынын тактыгы ±%1 жана кайталанган thrust/power эксперименттеринде байкалган жалпы өзгөрмөлүүлүк болжол менен ±%2,5. Изилдөө деталдуу p-value же confidence interval анализин билдирбейт.

Илимий чек: Табылгалар физикалык лаборатория эксперименти, бирок чыныгы UAV учуу тести эмес. Forward flight, ар башка пропеллер геометриялары, узак мөөнөттүү плазма электрод чыдамдуулугу, чыныгы аппараттын салмак/кубат бюджети жана интеграцияланган батарея энергия пайдасы изилдөөнүн камтуусуна кирбейт.

Мазмун түзүү ыкмасы: Бул Verianla түшүндүрмөсүндөгү эксперимент шарттары, механизмдер, теңдемелер, өлчөө маанилери, график чечмелөөлөрү жана чектөөлөр каралган булак изилдөөгө негизделген. Тышкы текшерүү изилдөө идентификациясы, расмий жарыя жазуусу жана журналдын рецензия статусу менен гана чектелип; тышкы булактардан жаңы эксперименттик иштөө мааниси же булакта жок аэродинамикалык жыйынтык негизги макалага кошулган эмес.