High Aspect Ratio Multi-stage Ducted Electroaerodynamic Thrusters for Micro Air Vehicle Propulsion

要約

静電的に加速されたイオンと中性の空気分子との衝突によって力が生成される電気空気力学的推進は、その静かでソリッドステートな性質により、超小型飛行機 (MAV) 飛行のためのプロペラや羽ばたき翼に基づく方法に代わる魅力的な代替手段となります。
導入に対する大きな障壁の 1 つは、有用なディスク負荷レベルでの推力効率が限られていることです。
直列に統合された複数の加速ステージで構成されるダクト付きアクチュエータは、潜在的な解決策であり、有効な総推力を維持しながら個々のステージをより高い効率で動作させることができ、さまざまな空気力学および流体力学機構を通じて効率を向上させる可能性があります。
この研究では、ダクトとエミッタ電極の形状がアクチュエータの性能に及ぼす影響を調査し、断面アスペクト比の増加と複数段の直列統合の組み合わせをどのように使用して、商用推進器に匹敵する全体的な推力密度を生成できるかを示します。
最適化された5段装置は、約2mN/Wの推力効率で約18N/m$^2$の推力密度を達成しており、これはこのスケールでこれまでに測定された最高値の一つである。
さらに、このタイプのスラスタを MAV スケールの固定翼プラットフォームの翼の下にどのように統合できるかを示し、分散型推進システムとしての将来の使用を目指しています。

要約(オリジナル)

Electroaerodynamic propulsion, where force is produced through collisions between electrostatically accelerated ions and neutral air molecules, is an attractive alternative to propeller- and flapping wing-based methods for micro air vehicle (MAV) flight due to its silent and solid-state nature. One major barrier to adoption is its limited thrust efficiency at useful disk loading levels. Ducted actuators comprising multiple serially-integrated acceleration stages are a potential solution, allowing individual stages to operate at higher efficiency while maintaining a useful total thrust, and potentially improving efficiency through various aerodynamic and fluid dynamic mechanisms. In this work, we investigate the effects of duct and emitter electrode geometries on actuator performance, then show how a combination of increasing cross-sectional aspect ratio and serial integration of multiple stages can be used to produce overall thrust densities comparable to commercial propulsors. An optimized five-stage device attains a thrust density of about 18 N/m$^2$ at a thrust efficiency of about 2 mN/W, among the highest values ever measured at this scale. We further show how this type of thruster can be integrated under the wings of a MAV-scale fixed wing platform, pointing towards future use as a distributed propulsion system.

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