آنالیز تطبیقی پیشران الکتروآیرودینامیک با موتورالکتریکی برای پهپاد Zephyr 8

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسندگان

1 دانشجو کارشناسی ارشد، مجتمع دانشگاهی هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

2 استادیار، مجتمع دانشگاهی هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

3 دانشیار، مجتمع دانشگاهی هوافضا، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

10.22044/jsfm.2025.15524.3926

چکیده

پیشران الکتروآیرودینامیک، یک فناوری در تولید نیروی پیشرانش میباشد، که در دهه اخیر بهشدت مورد توجه محققان قرار گرفته است. در این تحقیق، مزایا و معایب این سیستم پیشران همراه با چالشهای مرتبط با توسعه آن بیان گردیده و همچنین، به مقایسه عملکردی این سیستم پیشران با سیستم پیشران الکتریکی برای پهپاد Zephyr 8 پرداخته شده است. سپس، یک مدل ریاضی برای موتور الکتریکی ارائه شده و با استفاده از داده‌های استخراج‌شده از هواپیمای Zephyr 8، نمودارهای عملکردی موتور الکتریکی این هواپیما ترسیم شده‌اند. در گام بعدی، مدل‌سازی ریاضی موتور الکتروآیرودینامیک انجام و با استفاده از الگوریتم بهینه‌سازی ترکیبی GA-SQP، یک نمونه بهینه از این موتور طراحی گردید. این طراحی با هدف دستیابی به نیروی پیشران مشابه با موتور الکتریکی در ارتفاع 21,000 متر و سرعت پروازی 10 متر بر ثانیه انجام گردید. پس از طراحی، نمودارهای عملکردی این موتور نیز استخراج و تحلیل شده‌اند. در نهایت، با مقایسه نمودارهای عملکردی موتورهای الکتریکی و الکتروآیرودینامیک، نتایج نشان می‌دهد که موتور الکتروآیرودینامیک می‌تواند به‌عنوان جایگزینی مناسب برای موتور الکتریکی در هواپیمای Zephyr 8 مورد استفاده قرار گیرد. این نتیجه‌گیری بر پایه مزایای بالقوه موتور الکتروآیرودینامیک از نظر بهره‌وری انرژی و قابلیت عملکرد در ارتفاع‌های بالا است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1]  S. Estahbanati and U. Schichler, (2021)"Beneficial electrode arrangement for electroaerodynamic propulsion," in 22nd International Symposium on High Voltage Engineering (ISH 2021), 21-26 Nov. , pp. 108-113.
[2]  C. K. Gilmore and S. R. H. Barrett, "Electroaerodynamic Thruster Performance as a Function of Altitude and Flight Speed," AIAA Journal, vol. 56, no. 3, pp. 1105-1117, 2018.
[3]  Y. He, M. Woolston, and D. Perreault, (2017) "Design and implementation of a lightweight high-voltage power converter for electro-aerodynamic propulsion," in 2017 IEEE 18th Workshop on Control and Modeling for Power Electronics (COMPEL), 9-12 July, pp. 1-9.
[4]  H. Xu et al., (2018) "Flight of an aeroplane with solid-state propulsion," Nature, vol. 563, no. 7732, pp. 532-535, 2018/11/01.
[5]  H. Xu, N. Gomez-Vega, D. R. Agrawal, and S. R. H. Barrett,  (2020)"Higher thrust-to-power with large electrode gap spacing electroaerodynamic devices for aircraft propulsion," Journal of Physics D: Applied Physics, vol. 53, no. 2, p. 025202, 2019/10/21.
[6]  N. Gomez-Vega, H. Xu, J. M. Abel, and S. R. H. Barrett, (2021) "Performance of decoupled electroaerodynamic thrusters," Applied Physics Letters, vol. 118, no. 7.
[7]  V. Y. Khomich, V. E. Malanichev, and I. E. Rebrov, (2021)"Electrohydrodynamic thruster for near-space applications," Acta Astronautica, vol. 180, pp. 141-148.
[8]  Z. He, P. Li, W. Wang, L. Shao, and X. Chen, (2021) "Design of indoor unmanned airship propelled by ionic wind," J. Physics: Conference Series, vol. 1748, no. 6, p. 062011, 2021/01/01.
[9]  S. B. Barrett, A; Gomez-Vega, N, (2023) "Silent, Solid-State Propulsion for Advanced Air Mobility Vehicles".
[10] C. L. Nelson and D. S. Drew, (2024) "High Aspect Ratio Multi-Stage Ducted Electroaerodynamic Thrusters for Micro Air Vehicle Propulsion," IEEE Robotics and Automation Letters, vol. 9, no. 3, pp. 2702-2709.
[11] P. Rushikesh, P. Jain, and H. Singh Gill, (2023) "Design and optimization of ion propulsion drone," BOHR Journal of Material Sciences and Engineering, vol. 1, no. 1, pp. 25-31, 08/25 2023, doi: 10.54646/bjmse.05.
[12] N. Gomez-Vega, A. Brown, H. Xu, and S. R. H. Barrett,  (2023) "Model of Multistaged Ducted Thrusters for High-Thrust-Density Electroaerodynamic Propulsion," AIAA Journal, vol. 61, no. 2, pp. 767-779.
[13] A. Brown, (2023) "Towards Practical Fixed-Wing Aircraft with Electroaerodynamic Propulsion," Doctor of Philosophy Department of Aeronautics and Astronautics Massachusetts Institute of Technology.
 
[14] A. Ahmadi, M. Nosratollahi, R. Khoshkhoo, and A. Fathi, (2024) "Introducing Design Algorithm and Sensitivity Analysis on System Parameters of Electrohydrodynamic Thruster," presented at the 7th International Conference on Mechanical Engineering, Industries & Aerospace, (in Persian).
[15] R. Khoshkhoo, M. J. Memari, and M. Aghaei Malekabadi, (2024) "Experimental Investigation of the Thrust and Ion Wind Velocity Using Corona Discharge in Different Arrangements in Positive and Negative Coronas," (in Persian), Mechanical Engineering of Tabriz University, vol. 54, no. 1, pp. 91-100.
[16] J. D. Anderson, (2005) Introduction to Flight. McGraw-Hill Higher Education.
[17] D.Jéricho .(2024) "Airbus-Zephyr." MilitaryAviations.net​. https://aviationsmilitaires.net/v3/kb/aircraft/show/2654/airbus-qinetiq-zephyr (accessed 12/24/2024,).
[18] M. Devices. "MicroLink Devices Powers Successful Stratospheric Flight of Airbus Defence and Space Zephyr S HAPS Solar Aircraft." PRNewswire.
[19] N. Gomez-Vega and S. R. Barrett, (2024) "Order-of-Magnitude Improvement in Electroaerodynamic Thrust Density with Multistaged Ducted Thrusters," AIAA Journal, vol. 62, no. 4, pp. 1342-1353.