Ин таҳқиқот бо таҷрибаҳои физикӣ месанҷад, ки оё актуаторҳои плазмавии ҷараёни тағйирёбандаи Dielectric Barrier Discharge (AC-DBD), ки дар канори пеши пропеллери хурди UAV ҷойгир шудаанд, дар шароити hover иҷрои аэродинамикиро тағйир медиҳанд ё не. Муҳаққиқон пропеллерҳои дуканатаи NACA 4412-ро бо радиуси 114 mm, chord-и доимии 22 mm ва pitch angle-ҳои гуногуни собит бо 3B истеҳсол кардаанд; суръати гардиш, thrust ва истеъмоли барқи моторро то 4000 RPM чен карда, шиддати баландро ба канатҳои гардишкунанда тавассути системаи high-speed slip-ring интиқол додаанд. Дар пропеллери pitch-и 18°, ҳангоми бозгашт ба тақрибан ҳамон шароити суръати гардиш ва thrust, power coefficient дар 4000 RPM %7,66 коҳиш ёфта, Figure of Merit (FoM) %9,42 афзудааст. Дар скани васеътари pitch манбаъ барои 22° афзоиши %10,1 FoM-ро гузориш мекунад. Баръакс, дар pitch-ҳои 6° ва 12° фоидаи ченшаванда дида нашудааст ва дар баландтарин pitch-и 30° низ актуатсияи плазма беҳбудии иҷро надодааст. Муҳимтарин ҳудуди тафсир ин аст, ки ҷудошавӣ ва reattachment-и ҷараён бо усули мустақими тасвирсозии ҷараён ба мисли PIV чен нашудааст; механизм аз ченкуниҳои иҷро ба таври ғайримустақим тафсир мешавад.

Ҷолибтарин ҷанбаи натиҷаҳо ин аст, ки актуатсияи плазма дар ҳамон шароит ба ҷойи эҷоди афзоиши калони thrust бештар бо он ҳамроҳ шудааст, ки пропеллер ҳамон thrust-ро бо истеъмоли камтари қувваи мотор тавлид мекунад. Дар тести 4000 RPM-и пропеллери 18°, фарқи суръати гардиш баъди актуатсия %0,35, фарқи thrust coefficient %0,69 ва тағйири power coefficient −%7,66 мебошад. Дар ҳамон таҷриба FoM %9,42 зиёд шудааст. Тафсири манбаъ ин аст, ки momentum-и аз ҷониби плазма ба boundary layer интиқолшуда метавонад profile losses-и вобаста ба separated flow-ро кам карда бошад.

Назорати плазма дар ҳамаи шароити корӣ фоида надодааст. Дар pitch-ҳои паст ба мисли 6° ва 12° тағйири ченшаванда дар иҷрои пропеллер ёфт нашудааст; муҳаққиқон инро бо он мепайванданд, ки ҷараёни асосӣ асосан attached мемонад ва бинобар ин барои separation control фазои хеле кам боқӣ мемонад. Дар 15° афзоиши FoM %4,2 пайдо шуда, дар pitch-ҳои миёнаи баландтар фоида зиёд шуда ва дар 22° ба %10,1 расидааст. Баръакс, дар 30° боз фоидаи ченшаванда дида нашудааст. Муҳаққиқон ин натиҷаро чунин тафсир мекунанд, ки минтақаи аз ҳама муфиди плазма метавонад режими separated-flow-и миёна байни “separation нест” ва “separation хеле қавӣ” бошад.

Аз назари Туркия: Натиҷаҳо намунаи усули таҷрибавиеро пешниҳод мекунанд, ки нишон медиҳад барои пропеллерҳои хурди барқии UAV, ки дар Туркия таҳия мешаванд, active flow control бе ниёз ба flap-и механикии ҳаракаткунанда ё системаи дамидани ҳаво таҳқиқ шуда метавонад. Аммо коҳиши %7,66 power coefficient ё афзоиши FoM дар сатҳи %9–10 дар ин таҳқиқот набояд мустақиман ба ҳар гуна пропеллери UAV дар Туркия гузаронида шавад. Натиҷаҳо бо канати untwisted NACA 4412, диаметри 228 mm, геометрияи муайяни электрод, шароити hover, Reynolds number-ҳои тақрибан тартиби 10⁴ ва setup-и лабораторӣ, ки то 4000 RPM санҷида шудааст, маҳдуданд. Барои истифодаи воқеӣ геометрияи аслии пропеллер, forward flight, истеъмоли софи барқи системаи плазма, интегратсияи электромагнитӣ ва устувории дарозмуддат бояд алоҳида санҷида шаванд.

Саволи асосии таҳқиқот чист?

Саволи асосии таҳқиқот ин аст, ки оё DBD plasma-based separation control, ки дар fixed-wing ва таҷрибаҳои rotor-и калон бо суръати паст истифода шудааст, дар пропеллери хеле хурдтари UAV, ки то 4000 RPM мегардад, низ метавонад фоидаи ченшавандаи аэродинамикӣ тавлид кунад ё не.

Ба гуфтаи муаллифон, таҳқиқоти қаблии rotor асосан rotor-ҳои калонтар ва суръатҳои гардиши пасттарро баррасӣ кардаанд. Аз ин рӯ, муҳаққиқон санҷиши систематикии leading-edge AC-DBD plasma actuation дар пропеллерҳои UAV-и хурд дар шароити гуногуни pitch, RPM ва voltage-ро ҳамчун навгонии асосии кор пешниҳод мекунанд.

Актуатори плазмавии DBD ба ҳаво чӣ гуна таъсир мекунад?

Дар актуатори маъмулии Dielectric Barrier Discharge ду электрод бо қабати dielectric аз ҳам ҷудо карда мешаванд. Яке аз электродҳо бо ҳаво тамос дорад, дигаре дар дохил ё зери dielectric пӯшида аст. Вақте байни электродҳо шиддати баланди alternating дода мешавад, ҳавои атрофи exposed electrode ионизатсия шуда, дар рӯи сатҳ минтақаи плазма пайдо мешавад.

Мубодилаи momentum байни зарраҳои зарядноки майдони электрикӣ ва молекулаҳои нейтралии ҳаво метавонад дар рӯи сатҳ wall jet-и аз плазма тавлидшуда ба вуҷуд оварад. Схемаи Шакли 1-и таҳқиқот exposed electrode, dielectric layer, covered electrode ва ҷараёни ҳавои induced-ро дар рӯи сатҳ якҷо нишон медиҳад.

Аз ҷиҳати аэродинамикӣ ҳадаф интиқоли энергия ба қисми low-momentum-и boundary layer, зиёд кардани муқовимати ҷараён ба adverse pressure gradient ва ба таъхир андохтани separation мебошад. Аммо азбаски таҳқиқоти ҷорӣ дар канат PIV анҷом надодааст, плазма boundary layer-ро дар кадом мавқеъҳои radial ва то чӣ андоза reattach кардааст, мустақим чен нашудааст.

Дар таҷриба чӣ гуна пропеллер истифода шуд?

Модели таҷриба қасдан содда интихоб шудааст. Пропеллер:

• дуканата аст,
• untwisted аст,
• радиуси 114 mm дорад,
• chord-и доимии 22 mm дорад,
• airfoil-и NACA 4412 истифода мекунад,
• дар тӯли канат pitch-и геометрии доимӣ дорад.

Барои таҷрибаҳои гуногун пропеллерҳои ҷудогона бо pitch angle-ҳои собити 6°, 12°, 15°, 18°, 22° ва 30° истеҳсол шудаанд. Канатҳо бо SLA-type Rigid 10K Resin-и пуркардашуда бо шиша ва rigidity-и баланд 3B чоп шудаанд.

Ин геометрияи содашуда барои намояндагии ҳамаи ҷузъиёти геометрии пропеллери тиҷоратии UAV интихоб нашудааст, балки барои осон кардани татбиқи электродҳои плазма ба канатҳои хурди гардишкунанда ва таҳқиқи назоратшавандаи таъсири pitch интихоб шудааст.

Setup-и таҷриба чӣ гуна сохта шуд?

Дар Шакли 3-и таҳқиқот системаи махсуси таҷрибавӣ нишон дода мешавад, ки интиқоли шиддати баланд ба пропеллери гардишкунандаро таъмин мекунад. Пропеллер бо brushless electric motor гардонда шудааст; мотор аз 16 V DC supply истифода кардааст. RPM-и лозима тавассути electronic speed control system дастӣ танзим ва бо digital tachometer чен шудааст.

Қувваи аэродинамикии пропеллер бо сенсори force/torque-и ATI mini45 IP65 чен шудааст. Дар calibration бо вазнҳои стандартӣ measurement uncertainty-и load cell барои қувваҳои то 50 N ±%2 муайян шудааст.

Ҷараёни мотор бо Hall-effect current transducer чен шуда, accuracy-и нишон додашудаи системаи марбут ±%1 мебошад. Додаҳои қувваи аэродинамикӣ ва истеъмоли қувваи мотор бо sampling rate-и 5000 Hz сабт шудаанд.

Муҳаққиқон ҳар шароити кориро чанд маротиба такрор карда, total variability-и ченкуниҳои такрории thrust/power-ро тақрибан ±%2,5 гузориш кардаанд. Бо вуҷуди ин, шумораи дақиқи independent repeats барои ҳар шароит дар манбаъ ба таври ададӣ дода нашудааст.

Шиддати баланд ба канатҳои гардишкунанда чӣ гуна интиқол дода шуд?

Интиқоли шиддати баланде, ки плазма тавлид мекунад, ба пропеллери гардишкунанда яке аз ҷузъҳои муҳими муҳандисии таҷриба мебошад. Ду high-voltage, high-speed slip ring истифода шудааст. Як slip ring хатти high voltage ва дигаре ground line-ро интиқол медиҳад.

Slip ring-ҳои истифодашуда барои кор то 7500 RPM rated шудаанд; баландтарин суръати пропеллер дар таҷрибаҳо 4000 RPM буд. Shaft adapter-ҳои махсуси 3B-чопшуда имкон доданд мотор, пропеллер, wiring ва slip ring-ҳо дар як системаи гардишкунанда механикӣ муттаҳид шаванд.

Электродҳои плазма ба канат чӣ гуна ҷойгир шуданд?

Актуатори DBD ба leading edge-и канат татбиқ шуд. Қабатҳои мисии тақрибан 70 µm ҳамчун электрод истифода шуданд.

Ground electrode ба сатҳи бараҳнаи канат ҷойгир шуда, аз leading edge ба suction ва pressure surfaces печонида шуд. Болои он чор қабати изолятсияи Kapton, ҳар кадом 130 µm, гузошта шуд. Қабатҳои Kapton байни high-voltage exposed electrode ва ground electrode ҳамчун dielectric barrier хизмат карданд.

Exposed electrode тавре ҷойгир шуд, ки плазма мустақиман дар атрофи leading edge пайдо шавад ва тақрибан:

r/R = %15 – %90

диапазони radial-ро фаро гирифт.

Азбаски дар кӯшишҳои аввалини дизайн дароз кардани электрод аз %90 радиус эҳтимоли short circuit-ро зиёд мекард, tip region берун аз фарогирӣ нигоҳ дошта шуд.

Шароити электрикии кори плазма чӣ буд?

Дар таҷрибаҳои асосии performance актуаторҳо тақрибан:

• шиддати AC-и татбиқшуда: \(V_{ac}=6\) kV,
• қувваи электрикии актуатор: \(P_{ac}\approx4\) W,
• басомади актуатсия: \(f_{ac}\approx5.5\) kHz

кор кардаанд.

Қувваи электрикии актуатори плазма аз миёнаи ҳосили шиддат ва ҷараёни ченшуда дар як period ҳисоб шудааст:

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

Дар ин ҷо \(P_{ac}\) истеъмоли миёнаи қувваи электрикии актуатор, \(V_{ac}(t)\) шиддати лаҳзавӣ, \(I_{ac}(t)\) ҷараёни лаҳзавӣ ва \(T\) evaluation period-ро ифода мекунад.

Процедураи таҷриба таъсири плазмаро чӣ гуна ҷудо кард?

Дар ҳар таҷриба пропеллер аввал дар RPM-и муайяншуда бо плазма хомӯш тақрибан 30 сония дар ҳолати устувор кор карда шуд. Сипас актуаторҳои плазмавии DBD фаъол шуданд.

Азбаски control system RPM-ро автоматӣ собит нигоҳ намедошт, агар aerodynamic drag кам шавад мотор метавонад дар ҳамон control setting тезтар гардад. Муҳаққиқон афзоиши RPM баъди фаъол шудани плазмаро ҳамчун яке аз нишонаҳои эҳтимолии flow control истифода карданд.

Пас аз он ки ҳолати нав тақрибан 30 сония устувор шуд, плазма фаъол монд, аммо RPM-и пропеллер дастӣ ба арзиши ибтидоии plasma-off баргардонда шуд. Ҳамин тавр thrust ва истеъмоли қувваи мотор дар тақрибан ҳамон суръати гардиш муқоиса шуданд.

Ин процедура фарқи муҳим эҷод мекунад: RPM ва thrust-и баландтаре, ки ҳангоми аввал фаъол шудани плазма дида шуданд, ҳам losses-и аэродинамикии тағйирёфта ва ҳам суръати гардиши афзудашударо дар бар мегиранд. Муқоисаи асосӣ баъди баргардондани RPM ба сатҳи ибтидоӣ анҷом шуд.

Чаро дар pitch-ҳои 6° ва 12° фоида дида нашуд?

Дар пропеллерҳои pitch-и собити 6° ва 12° баъди фаъол шудани плазма тағйири ченшавандаи RPM ё efficiency дида нашуд.

Муаллифон инро бо он шарҳ медиҳанд, ки дар ин low-loading conditions boundary layer асосан attached мемонад ва аз ин рӯ минтақаи калони separated барои назорати актуатори плазма вуҷуд надорад.

Аммо азбаски таҳқиқот дар ин ду ҳолат surface flow-ро мустақим чен накардааст, “ҷараён ҳатман пурра attached буд” гуфтан ҳамчун experimental visualization evidence дуруст нест. Ифодаи дастгиришавандаи манбаъ ин аст, ки performance measurements бо тафсири набудани large-scale separation ё инкишоф наёфтани он то дараҷае, ки бо плазма ченшаванда тағйир дода шавад, мувофиқанд.

Дар пропеллери 18° чӣ тағйир ёфт?

Дар pitch-и 18° ҳангоми фаъол шудани плазма суръати гардиш дар ҳамаи тестҳои 2000, 2500, 3000 ва 4000 RPM афзуд. Бо боло рафтани RPM thrust ҳам муваққатан афзуд, истеъмоли барқи мотор бошад кам шуд.

Вақте RPM баъдан дар ҳоле ки плазма фаъол буд ба арзиши ибтидоӣ баргардонда шуд, thrust тақрибан ба сатҳи аввал баргашт, аммо истеъмоли қувваи мотор пасттар монд.

Ин рафтор натиҷаи асосии таҷрибавии таҳқиқот аст: таъсири равшантарини плазма дар он буд, ки дар ҳамон сатҳи thrust қувваи электрикии камтар лозим шуд.

Thrust coefficient ва power coefficient чӣ гуна ҳисоб шуданд?

Барои муқоисаи пропеллер дар RPM-ҳои гуногун thrust ва қувваи электрикии ченшуда ба coefficients-и dimensionless табдил дода шуданд.

Thrust coefficient:

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

Дар ин ҷо \(T\) thrust force, \(\rho\) density-и ҳаво, \(n\) шумораи гардиш дар як сония ва \(D\) диаметри пропеллер мебошад.

Power coefficient:

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

ҳисоб шудааст.

Таҷрибаҳо дар муҳити назоратшавандаи лабораторӣ дар тақрибан 22 °C ва 101,3 kPa анҷом шуда, дар ҳисобҳо density-и ҳаво:

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

гирифта шудааст.

Figure of Merit чиро ифода мекунад?

Figure of Merit ҳамчун нишондиҳандаи efficiency-и hovering rotor бо муносибати:

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

ҳисоб шудааст.

Вақте FoM меафзояд, барои ҳамон aerodynamic loading power coefficient пасттар мешавад. Дар ин таҷриба, гарчанде thrust coefficient асосан ҳамон монд, кам шудани power coefficient боиси зиёд шудани FoM шуд.

Манбаъ FoM-ро “system-level FoM” меномад, зеро ба ҷойи mechanical shaft power electrical input power-и мотор чен шудааст. Аммо равшан гуфта нашудааст, ки истеъмоли ҷудогонаи тақрибан 4 W-и системаи плазмавии DBD ба \(P\)-и муодилаи FoM дохил шудааст ё не. Аз ин рӯ, қиматҳои FoM бо budget-и умумии энергияи ҳавопаймо як чиз нестанд.

Натиҷаҳои дақиқи пропеллери 18° кадоманд?

Тағйироти RPM дар ҳамаи ин муқоисаҳо поёнтар аз %1 монд. Коҳиши power coefficient бо зиёд шудани RPM умуман афзуд; афзоиши FoM аз %4,72 дар 2000 RPM то %9,42 дар 4000 RPM расид.

Гарчанде матни манбаъ мегӯяд, ки тағйири максималии \(C_T\) аз %0,7 камтар аст, қимати 2500 RPM дар ҷадвал +%0,91 мебошад. Аз ин рӯ, Verianla ибораи “thrust coefficient дар ҳама шароит аз %0,7 камтар тағйир ёфт”-ро такрор намекунад. Натиҷаи бехатартар ин аст, ки тағйири \(C_T\) дар чор таҷрибаи ҷадвал байни −%0,46 ва +%0,91 монд.

Оё натиҷа аз measurement uncertainty баландтар аст?

Total experimental variability дар ченкуниҳои такрории thrust ва power тақрибан ±%2,5 гузориш шудааст. Тағйири −%7,66 power coefficient дар 4000 RPM аз ин сатҳ ба таври равшан калонтар аст. Аз ин рӯ, муҳаққиқон мегӯянд, ки коҳиши истеъмоли қувва таъсири такроршавандаест, ки танҳо бо scatter байни тестҳо шарҳ дода намешавад.

Афзоиши %9,42 FoM низ аз ҳамон миқёси ±%2,5 repeatability калонтар аст.

Бо вуҷуди ин, дар мақола барои ин муқоисаҳо p-value, confidence interval ё hypothesis test-и ҷудогонаи parametrik/non-parametrik гузориш нашудааст. Қимати ±%2,5 total variation-и мушоҳидашуда дар таҷрибаҳои такрориро ифода мекунад.

Pitch angle таъсири плазмаро чӣ гуна тағйир медиҳад?

Серияи дуюми таҷрибаҳо бо pitch angle-ҳои гуногун дар 4000 RPM нишон медиҳад, ки таъсири плазма яксон нест.

• 6°: афзоиши ченшавандаи FoM нест.
• 12°: афзоиши ченшавандаи FoM нест.
• 15°: афзоиши FoM %4,2.
• 18°: афзоиши намоёни FoM; барои 18° дар таҷрибаи ҷудогонаи Table 1 натиҷаи 4000 RPM %9,42 аст.
• 22°: дар матни манбаъ афзоиши FoM %10,1.
• 30°: фоидаи ченшаванда нест.

Ин тақсимот муносибати содаи “бо зиёд шудани pitch плазма ҳамеша беҳтар кор мекунад”-ро нишон намедиҳад. Фоида дар pitch-и паст пайдо намешавад, дар pitch-и миёна-баланд меафзояд ва дар баландтарин pitch-и 30° боз аз байн меравад.

Чаро фоидаи бузургтарин метавонад дар режими ҷудошавии миёна дида шуда бошад?

Тафсири физикии муҳаққиқон ин аст, ки актуатори DBD дорои як равзанаи control authority мебошад.

Агар ҷараён аллакай attached бошад, loss-и муҳими separation барои ислоҳи актуатор вуҷуд надорад. Агар минтақаи separated миёна бошад, plasma wall jet метавонад ба boundary layer momentum-и кофӣ диҳад, separation-ро ба таъхир андозад ё қисми минтақаро reattach кунад. Агар separation хеле қавӣ бошад, momentum-и додаи актуатор метавонад барои назорати тамоми минтақаи separated кофӣ набошад.

Ин тавзеҳ бо натиҷаҳои таҳқиқот мувофиқ аст; аммо азбаски PIV-и мустақим вуҷуд надорад, андозаи воқеии separation дар канатҳои 6°, 22° ё 30° ҳамчун харитаи экспериментии ҷараён чен нашудааст.

Чаро фарқи максималии FoM байни abstract ва натиҷаҳои пурра муҳим аст?

Abstract-и мақола афзоиши максималии FoM-ро %9,42 медиҳад. Ин рақам барои таҷрибаи 4000 RPM Table 1-и пропеллери pitch-и 18° дуруст аст.

Аммо дар скани баъдии pitch angle матн барои пропеллери 22° афзоиши %10,1 FoM-ро гузориш мекунад. Аз ин рӯ, агар тамоми таҳқиқот ба ҳисоб гирифта шавад, баландтарин афзоиши FoM-и дар манбаъ гузоришшуда %10,1 аст; abstract инро инъикос намекунад.

Verianla ин ду қиматро ба ҷойи ҳам намегузорад: %9,42 баландтарин қимати серияи муфассали 18° RPM; %10,1 натиҷаи 22° дар серияи таҷрибавиест, ки pitch-ҳои гуногун дар 4000 RPM муқоиса шудаанд.

Оё зиёд кардани шиддати актуатсия натиҷаро беҳтар кард?

Не; дар диапазони санҷидашуда фоидаи иловагии ченшавандаи FoM дида нашуд.

Плазма тақрибан дар 4 kV намоён шуданро оғоз кардааст; дар 6 kV дурахши бунафши плазма равшантар буд, бинобар ин дар таҷрибаҳои асосӣ 6 kV интихоб шуд.

Дар пропеллери 18° voltage-ҳои 4, 6, 8 ва 10 kV дар шароити 1500, 2000, 2500, 3000 ва 4000 RPM муқоиса шуданд ва дар Figure 8 қиматҳои FoM дар дохили error band ба ҳам хеле наздик монданд.

Муаллифон инро бо saturation behavior мувофиқ медонанд: пас аз он ки plasma discharge ба boundary layer momentum-и кофӣ медиҳад, минбаъд баланд кардани voltage ҳамон таносуби aerodynamic gain-ро тавлид намекунад.

Ин натиҷа танҳо барои геометрияи электрод ва диапазони шиддати санҷидашуда эътибор дорад. Ин таҷриба исбот намекунад, ки сохтори дигар ё pulsed control-и актуатор ҳамон saturation behavior-ро нишон медиҳад.

Оё басомади актуатсия оптимизатсия шуд?

Не. Бо сабаби hardware ва actuator geometry басомади плазма тақрибан дар:

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

диапазон монд.

Дар 4000 RPM басомади механикии гардиши пропеллер:

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

аст, бинобар ин басомади плазма аз басомади rotor хеле баландтар мебошад.

Аз ин рӯ, таҳқиқот low-frequency actuation-и phase-locked бо rotor ё separated shear-layer dynamics-ро систематикӣ насанҷидааст. Муаллифон басомадҳои пасттар ва танзимшавандаи актуатсияро ҳамчун самти ояндаи таҳқиқот мегузоранд.

Таъсири плазма ба ҷараён quasi-steady аст ё вақт-вобаста?

Таҳқиқот ин ду механизмро таҷрибавӣ аз ҳам ҷудо карда наметавонад.

Механизми якуми эҳтимолӣ ин аст, ки plasma-induced wall jet ба boundary layer quasi-steady momentum илова карда, муқовимат ба adverse pressure gradient-ро зиёд мекунад.

Эҳтимоли дуюм ин аст, ки periodic plasma forcing дар separated shear layer coherent vortical structures тавлид карда, mixing-ро байни outer flow ва low-momentum flow-и наздики девор қавитар мекунад.

Азбаски таҷрибаи ҷорӣ танҳо ченкуниҳои global RPM, thrust ва electrical power-ро дар бар мегирад, саҳми нисбии ду механизм муайян нашудааст. Муаллифон ошкоро мегӯянд, ки барои ин фарқгузорӣ ченкуниҳои муфассали flow field ба мисли phase-locked PIV заруранд.

Чаро separation дар тӯли rotor яксон набошад?

Дар пропеллери гардишкунанда relative velocity ва Reynolds number-и section-и канат бо radius тағйир меёбанд. Reynolds distribution дар Шакли 2-и манбаъ низ ин radial change-ро нишон медиҳад.

Аз ин рӯ, интизор намешавад boundary-layer behavior дар минтақаҳои дарунӣ ва берунии канат яксон бошад. Хусусан минтақаҳои дарунӣ бо Reynolds number-и паст метавонанд бештар separation-prone бошанд.

Аммо таҷрибаи ҷорӣ чен накардааст, ки чанд фоизи канат separated аст ё баъди плазма кадом radial regions reattach мешаванд.

Чаро истеъмоли тақрибан 4 W-и актуатори плазма муҳим аст?

Системаи плазма аз ҷиҳати аэродинамикӣ “ройгон” нест. Дар шароити асосии тест истеъмоли барқи актуатор тақрибан 4 W ҳисоб шудааст.

Power coefficient ва FoM-и мотор дар таҳқиқот аз рӯи electrical consumption-и мотор ҳисоб мешаванд; истеъмоли 4 W-и актуатори плазма дар ҳисоби ҷудогонаи \(P_{ac}\) гузориш мешавад. Манбаъ барои budget-и умумии motor + plasma барқ net FoM ё flight-duration calculation-и алоҳида пешниҳод намекунад.

Аз ин рӯ, таҳқиқот натиҷаи “ҳангоми фаъол шудани плазма мотор барқи камтар кашид”-ро дастгирӣ мекунад; аммо агар тамоми power electronics ва plasma source ҳамроҳ ҳисоб карда шаванд, аз ин таҷриба мустақиман баровардан мумкин нест, ки ҳавопаймои воқеӣ аз battery чӣ қадар фоиз камтар энергия мегирад.

Натиҷаҳои дастгиришудаи таҳқиқот

• Актуаторҳои плазмавии AC-DBD физикӣ ба пропеллери хурди UAV, ки то 4000 RPM мегардад, татбиқ карда шуданд.
• Дар пропеллери pitch-и 18° ҳангоми фаъол шудани плазма RPM афзуд ва electrical consumption-и мотор кам шуд.
• Пас аз баргардондани RPM ба сатҳи ибтидоӣ, power coefficient дар пропеллери 18° дар 4000 RPM %7,66 кам шуд.
• Дар ҳамон таҷрибаи 18°/4000 RPM FoM %9,42 афзуд.
• Дар скани васеътари pitch-и манбаъ барои 22° афзоиши %10,1 FoM гузориш шуд.
• Дар pitch-ҳои пасти 6° ва 12° фоидаи efficiency-и ченшаванда ёфт нашуд.
• Дар баландтарин pitch-и санҷишии 30° ҳам фоидаи ченшаванда дида нашуд.
• Зиёд кардани actuation voltage байни 4–10 kV дар шароити санҷидашуда FoM-ро ба таври намоён зиёд накард.
• Коҳиши максималии %7,66-и power coefficient аз variation-и байни таҷрибаҳои тақрибан ±%2,5 калонтар аст.
• Натиҷаҳо бо тафсири он мувофиқанд, ки DBD control метавонад дар шароити moderately separated flow самараноктар бошад.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ ё санҷиш накардааст

• Мустақим чен нашудааст, ки плазма минтақаи separation-ро дар канат дақиқан дар куҷо ва чӣ қадар кам кардааст.
• PIV, phase-locked PIV ё detailed surface-flow visualization анҷом нашудааст.
• Stall structure ва onset of separation-и дақиқ дар пропеллери 30° мустақим муайян нашудааст.
• Натиҷаҳо дар шароити forward flight тасдиқ нашудаанд.
• Дар UAV-и воқеии multirotor flight test анҷом нашудааст.
• Airfoil, twist, chord distribution ё commercial propeller geometries-и гуногун систематикӣ таҳқиқ нашудаанд.
• Long-term erosion, environmental durability ё continuous-flight reliability-и актуатор арзёбӣ нашудааст.
• Бо дохил кардани истеъмоли тақрибан 4 W-и plasma power source, net energy gain дар сатҳи battery-и воқеӣ алоҳида ҳисоб нашудааст.
• Таҳқиқот нишон намедиҳад, ки плазма дар ҳамаи шароити pitch ва RPM efficiency-ро зиёд мекунад.
• Монанд будани натиҷаҳо дар диапазони 4–10 kV маънои voltage-independent будани ҳамаи plasma actuators-ро надорад.
• Low-frequency actuation-и synchronized бо rotor ё shear-layer dynamics санҷида нашудааст.
• Нишон дода нашудааст, ки афзоиши мушоҳидашудаи FoM мустақиман ҳамон фоиз афзоиши flight time-и UAV-ро медиҳад.

Усул ва Натиҷаҳои Таҳқиқот

Модели таҷриба ва параметрҳои асосӣ

Эътимоднокии ченкунӣ

Натиҷаи calibration-и load cell measurement uncertainty-и ±%2 ва manufacturer accuracy-и current sensor-и электрикӣ ±%1 нишон дода шудааст. Variability-и мушоҳидашудаи thrust ва power дар чанд такрор тақрибан ±%2,5 аст.

Ин қимати охирин на танҳо catalog accuracy-и дастгоҳҳо, балки total experimental scatter-и аз тест ба тест пайдошавандаро низ дар бар мегирад.

Маънои физикии серияи тести 18°

Пропеллери pitch-и 18° case-и асосии detailed time-series analysis-и таҳқиқот мебошад. Афзоиши RPM ҳангоми фаъол шудани плазма дар диапазони 2000–4000 RPM бо тафсири кам шудани drag losses мувофиқ дониста шудааст.

Вақте RPM боз ба ҳамон қимат танзим шуд, нигоҳ доштани thrust ва камтар қувва истеъмол кардани мотор тафсири кам шудани loss mechanisms-ро бештар аз зиёд шудани aerodynamic load дастгирӣ мекунад.

Чаро power coefficient муҳим аст?

Азбаски raw electrical power бо RPM сахт тағйир меёбад, муқоисаи суръатҳои гуногуни кор танҳо бо watt метавонад гумроҳкунанда бошад. \(C_P\) electrical input-и моторро бо air density, rotational speed ва propeller size normalize мекунад.

Дар тести 18°, коҳиши \(C_P\) дар 2000 RPM %2,43, дар 2500 RPM %4,85, дар 3000 RPM %7,17 ва дар 4000 RPM %7,66 нишон медиҳад, ки таъсири ченшудаи плазма дар суръатҳои баланди тест равшантар шудааст.

Чаро FoM бештар меафзояд?

Азбаски дар numerator-и FoM \(C_T^{3/2}\) ва дар denominator \(C_P\) мавҷуд аст, нигоҳ доштани тақрибии thrust coefficient ҳамроҳ бо коҳиши power coefficient FoM-ро зиёд мекунад.

Аз ин рӯ, тағйири −%7,66 \(C_P\) дар 4000 RPM ба тағйири +%9,42 FoM мувофиқат мекунад. Интизор нест, ки афзоиши FoM ҳамон фоизи коҳиши power бошад; таърифҳои математикии онҳо гуногунанд.

Чаро натиҷаи 22° бояд алоҳида баррасӣ шавад?

Дар скани pitch angle манбаъ барои 15° афзоиши %4,2 ва барои 22° афзоиши %10,1 FoM-ро нишон медиҳад. Ин серия аз таҷрибаи муфассали Table 1, ки дар пропеллери 18° вобаста ба RPM анҷом шудааст, параметр-скани дигар аст.

Аз ин рӯ, натиҷаи %10,1 набояд ба 18° Table 1 илова шавад; бояд ҳамчун натиҷаи тести алоҳидаи pitch-и 22° нигоҳ дошта шавад.

Азбаски байни ибораи “maximum 9.42%” дар abstract ва %10,1 дар бахши натиҷаҳо номувофиқати намоён вуҷуд дорад, Verianla ҳар ду қиматро бо context нигоҳ медорад.

Натиҷаи voltage scan

Figure 8 нишон медиҳад, ки барои пропеллери pitch-и 18° дар истифодаҳои 4, 6, 8 ва 10 kV, қиматҳои ниҳоии FoM дар 1500–4000 RPM дар дохили error band ба ҳам хеле наздиканд.

Аз ин рӯ, voltage-и баландтар дар setup-и ҷорӣ фоидаи иловагии FoM-и ченшаванда эҷод накард. Таҳқиқот ин мушоҳидаро бо saturation-и aerodynamic effect-и актуатор шарҳ медиҳад.

Оё натиҷаи voltage маънои net energy optimization-ро дорад?

Не. Voltage scan ба натиҷаи aerodynamic FoM тамаркуз мекунад. Detailed battery-level optimization, ки таъсири plasma power consumption дар voltage-ҳои гуногунро ба total vehicle energy efficiency фаро гирад, анҷом нашудааст.

Аз ин рӯ, дар дизайни амалии UAV на танҳо aerodynamic FoM, балки high-voltage power electronics ва истеъмоли худи plasma actuator низ бояд якҷо арзёбӣ шаванд.

Ҷиҳатҳои қавии таҷриба

• Plasma actuation воқеан дар пропеллери хурди гардишкунанда татбиқ шуд.
• High-speed test то 4000 RPM анҷом шуд.
• Slip-ring infrastructure барои интиқоли high voltage ба системаи гардишкунанда физикӣ сохта шуд.
• Thrust, RPM ва electrical consumption-и мотор ҳамзамон monitoring шуданд.
• Пас аз фаъол шудани плазма баргардондани RPM ба арзиши ибтидоӣ performance comparison-и назоратшавандаро таъмин кард.
• Pitch angle-ҳои гуногун санҷида шуда, operating window-и плазма таҳқиқ шуд.
• Voltage scan-и 4–10 kV анҷом шуд.
• Experimental variation дар тестҳои такрорӣ гузориш шуд.

Маҳдудиятҳои асосии таҷриба

• Танҳо як airfoil-и асосӣ ва геометрияи содашудаи пропеллер истифода шуд.
• Forward-flight condition берун аз hovering арзёбӣ нашуд.
• PIV-и мустақим ё surface-flow measurement анҷом нашуд.
• Ҳолати separation аз рӯи pitch аз performance indicators-и ғайримустақим тафсир шуд.
• Actuation frequency ба скани васеъ ва low-frequency дучор карда нашуд.
• Шумораи такрорҳо дар ҳар test condition ошкор дода нашуд.
• Formal statistical significance test гузориш нашуд.
• Long-term electrode/dielectric durability санҷида нашуд.
• Real UAV integration weight ва power electronics effect-и high-voltage system арзёбӣ нашуд.
• Full battery-level energy balance бо дохил кардани истеъмоли худи plasma actuator пешниҳод нашуд.

Таҳқиқоти оянда кадом саволҳоро бояд ҳал кунад?

Муаллифон дар марҳилаи баъдӣ истифодаи усулҳои муфассали flow visualization ба мисли PIV-ро пешниҳод мекунанд. Ҳамин тавр, дар кадом pitch ва radial region separation ба вуҷуд меояд, ҳангоми фаъол шудани плазма shear layer чӣ гуна тағйир меёбад ва real extent-и reattachment мустақим чен карда мешавад.

Optimization-и actuator geometry ва electrode placement, actuation frequency-ҳои пасттар ва танзимшаванда, propeller design-ҳои гуногун ва forward-flight conditions низ самтҳои асосии кори оянда мебошанд.

Паёми асосии муҳандисии таҳқиқот

Қавитарин натиҷаи таҳқиқот ин аст, ки DBD plasma actuator дар пропеллери хурди гардишкунанда танҳо бо нишон додани “имкони тавлиди плазма” маҳдуд намонд. Дар шароити муайяни pitch ва rotational speed, electrical consumption-и мотор ба таври ченшаванда кам шуд, дар ҳоле ки thrust тақрибан нигоҳ дошта шуд.

Баръакс, натиҷаҳо инчунин нишон медиҳанд, ки active flow control дорои operating window мебошад. Дар pitch-ҳои паст, ки ҷараён асосан attached ҳисоб мешавад, loss барои control кам аст; дар шароити 30°, ки separation хеле қавӣ интизор мешавад, актуатори ҷорӣ control authority-и кофӣ надорад.

Аз ин рӯ, DBD plasma actuation мувофиқи додаҳои ин таҳқиқот технологияе нест, ки “дар ҳар шароит efficiency-и пропеллерро зиёд мекунад”; он active flow-control method мебошад, ки дар regimes-и муайяни aerodynamic potential-и коҳиши loss нишон медиҳад.

Ёддошт оид ба Манбаъ ва Усул

Номи пурраи аслии таҳқиқот: Experimental Analysis of Flow Separation Control on UAV Propellers Using Dielectric Barrier Discharge Plasma Actuators

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

Тартиби муаллифон: Тартиби аслии манбаъ айнан ҳифз шудааст.

Саҳми баробар/муаллифи якуми баробар: Дар манбаъ зикр нашудааст.

Муаллифони масъул: Abdallah Samad ва Hui Hu.

Муассисаҳо: 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.

Навъи манбаъ: Мақолаи рецензияшудаи таҷрибавӣ. AC-DBD plasma actuation ба пропеллерҳои хурди UAV-и физикӣ гардишкунанда татбиқ шуда; thrust, RPM ва electrical motor power consumption дар лаборатория чен шудаанд.

Маҷалла: Aerospace

Ношир: MDPI

Ҷилд / шумора / рақами мақола: 13(8), 668

Санаи нашр: 26 июли 2026

DOI: 10.3390/aerospace13080668

Пайванди расмии нашр: https://www.mdpi.com/2226-4310/13/8/668

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

Ҳолати рецензия: Таҳқиқот мақолаи таҳқиқотии дар маҷаллаи рецензияшудаи Aerospace нашршуда мебошад.

Иҷозатнома: Creative Commons Attribution (CC BY) open-access license.

Маблағгузорӣ: Таҳқиқот қисман аз Army Research Office бо рақами шартномаи W911NF2410251 ва аз National Science Foundation зери award number-ҳои CBET-1935363 ва CBET-2313310 дастгирӣ шудааст.

Дастрасии додаҳо: Гуфта шудааст, ки додаҳо бо дархост дастрасанд.

Ташаккур: Муаллифон барои дастгирӣ дар монтажи setup-и таҷриба ба James Benson ва Andrew Jordan аз Iowa State University ташаккур мегӯянд.

Бархӯрди манфиатҳо: Муаллифон бархӯрди манфиатҳо гузориш накардаанд.

Ёддошти манбаи саҳми муаллифон: Author Contributions-и манбаъ бо “A.S., K.B. and H.H.; Methodology, A.S.; Validation...” оғоз мешавад. Азбаски дар назди се номи аввал CRediT role дида намешавад, Verianla role-и гумшударо бо фарзия пур накардааст. Манбаъ равшан медиҳад: methodology A.S.; validation A.S., K.B., H.S. ва H.H.; formal analysis A.S., H.S. ва A.D.; investigation A.S., K.B., H.S. ва A.D.; resources H.H.; data curation A.S., K.B., H.S. ва A.D.; original draft A.S.; review and editing A.S. ва H.H.; supervision, project administration ва funding acquisition H.H.

Номувофиқати FoM байни abstract ва result: Abstract-и мақола maximum FoM increase-ро %9,42 гузориш мекунад. Ин қимат таҷрибаи 4000 RPM Table 1 барои пропеллери pitch-и 18° аст. Аммо матни натиҷаҳои pitch-angle scan барои 22° афзоиши %10,1 FoM-ро гузориш мекунад. Verianla ҳар ду рақамро бо context алоҳида нигоҳ дошта, якеашро бесадо бо дигаре иваз накардааст.

Номувофиқати thrust coefficient: Дар Table 1 барои 2500 RPM ΔC_T +%0,91 аст. Дар идомаи ҳамон бахш матн мегӯяд maximum thrust coefficient variation аз %0,7 камтар аст. Азбаски table ва sentence мувофиқ нестанд, Verianla дар арзёбии асосӣ exact values-и table-ро асос гирифта ва source-internal difference-ро ошкор сабт кардааст.

Ёддошти фарогирии энергияи FoM: Мақола нишондиҳандаро system-level FoM меномад, зеро дар ҳисоби FoM electrical input power ба ҷойи shaft power чен шудааст. Ҳамон таҳқиқот истеъмоли тақрибан 4 W-и DBD plasma actuator-ро алоҳида ҳисоб кардааст. Аммо равшан гуфта нашудааст, ки ин тақрибан 4 W ба \(P\)-и ҳисоби FoM дохил шудааст ё не. Аз ин рӯ, reported FoM increase ҳамчун net system efficiency-и пурраи motor + plasma + power electronics бозтафсир нашудааст.

Ҳудуди тасдиқи flow separation: Дар таҳқиқот flow field бо PIV ё усули монанд мустақим чен нашудааст. Тафсирҳои attached flow дар pitch-и паст, separated flow дар pitch-и миёна ва stronger separation дар 30° ба тағйироти RPM, thrust ва motor power ва дониши қаблии аэродинамикӣ асос меёбанд. Verianla онҳоро ҳамчун direct visualized separation map пешниҳод накардааст.

Фарогирии таҷрибавӣ: Модели асосии тест пропеллери дуканата, радиуси 114 mm, chord-и доимии 22 mm ва untwisted NACA 4412 мебошад. Таҷрибаҳо дар hovering condition, бе incoming free stream ва то 4000 RPM анҷом шудаанд.

Measurement uncertainty: Measurement uncertainty-и нишон додашудаи load cell ±%2, accuracy-и electrical current measurement system ±%1 ва overall variability-и мушоҳидашуда дар таҷрибаҳои такрории thrust/power тақрибан ±%2,5 мебошад. Таҳқиқот detailed p-value ё confidence-interval analysis гузориш намекунад.

Ҳудуди илмӣ: Натиҷаҳо physical laboratory experiment мебошанд, аммо real UAV flight test нестанд. Forward flight, propeller geometries-и гуногун, long-term plasma electrode durability, real vehicle weight/power budget ва integrated battery energy gain ба доираи таҳқиқот дохил нестанд.

Усули истеҳсоли мундариҷа: Шароити таҷриба, механизмҳо, муодилаҳо, қиматҳои ченкунӣ, тафсири графикҳо ва маҳдудиятҳо дар ин шарҳи Verianla ба таҳқиқоти манбаи баррасишуда асос ёфтаанд. External verification танҳо бо study identity, official publication record ва peer-review status-и маҷалла маҳдуд шуда; аз манбаъҳои беруна experimental performance value-и нав ё aerodynamic result-и дар манбаъ набуда ба мақолаи асосӣ илова нашудааст.