Empirical Study of Ceiling Proximity Effects and Electrostatic Adhesion for Small-scale Electroaerodynamic Thrusters

要約

加速されたイオンと中性の空気分子の間の運動量伝達衝突によって力が生成される電気空気力学的推進は、その静かで固体の性質により、超小型飛行機スケールでの飛行のための有望な代替メカニズムです。
しかし、その効率が比較的低いため、これまでのところ、動力自動運転車での使用は不可能です。
固定面の近くで操作することによる効率の利点を活用することが、潜在的な解決策となります。
地面や天井の効果などの近接効果は、回転翼航空機や羽ばたき翼の超小型飛行機については十分に研究されていますが、電気空気力学的に推進される飛行体については研究されていません。
この研究では、センチメートル規模のスラスタを入口の周囲の「天井」面の近くで動作させたときの性能の変化を調査します。
私たちは、これまで報告されていなかった驚くべき効果を示しました。
主要な静電引力要素。静電付着圧力に似ていますが、代わりに安定した大気プラズマによって媒介されます。
天井効果の分離された静電成分と流体力学成分が、平面からの距離や材質ごとに示されています。
さらに、入口に取り付けられたフランジが力の両方の成分を大幅に増加させる可能性があることを示します。
天井近くで 600% のピーク効率の向上が見られます。
この研究は、動力自動運転車の天井効果の効果的な使用、飛行時間の延長、または止まり木機構としての道を示しています。

要約(オリジナル)

Electroaerodynamic propulsion, where force is produced via the momentum-transferring collisions between accelerated ions and neutral air molecules, is a promising alternative mechanism for flight at the micro air vehicle scale due to its silent and solid-state nature. Its relatively low efficiency, however, has thus far precluded its use in a power-autonomous vehicle; leveraging the efficiency benefits of operation close to a fixed surface is a potential solution. While proximity effects like the ground and ceiling effects have been well-investigated for rotorcraft and flapping wing micro air vehicles, they have not been for electroaerodynamically-propelled fliers. In this work, we investigate the change in performance when centimeter-scale thrusters are operated close to a ‘ceiling’ plane about the inlet. We show a surprising and, until now, unreported effect; a major electrostatic attractive component, analogous to electroadhesive pressure but instead mediated by a stable atmospheric plasma. The isolated electrostatic and fluid dynamic components of the ceiling effect are shown for different distances from the plane and for different materials. We further show that a flange attached to the inlet can vastly increase both components of force. A peak efficiency improvement of 600% is shown close to the ceiling. This work points the way towards effective use of the ceiling effect for power autonomous vehicles, extending flight duration, or as a perching mechanism.

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