Una nueva investigación permitirá a los drones cambiar de forma en pleno vuelo

Avión no tripulado de ala fija RQ-20A PumaPronto, el Ejército de EE.UU. podrá emplear vehículos aéreos autónomos, que tendrán la capacidad de cambiar de forma durante el vuelo, según una nueva investigación presentada en el evento virtual del Foro y Exposición de Aviación de la AIAA.

Investigadores del Laboratorio de Investigación del Ejército y de la Universidad de Texas A&M han publicado los resultados de un estudio de dos años de duración sobre la interacción fluido-estructura. Su investigación ha dado lugar a una herramienta que podrá optimizar rápidamente la configuración estructural de los futuros vehículos del programa Future Vertical Lift, al tiempo que se tiene en cuenta adecuadamente la interacción entre el aire y la estructura.

Durante el próximo año, esta herramienta se usará para desarrollar y optimizar vehículos capaces de cambiar de forma durante el vuelo, optimizando así el rendimiento del vehículo en las diferentes fases del mismo.

«Considere una misión de inteligencia, vigilancia y reconocimiento, durante la que el vehículo necesita llegar rápidamente a su puesto, o escapar, y luego intentar permanecer en su puesto el mayor tiempo posible, o merodear en él», dijo el Dr. Francis Phillips, un ingeniero aeroespacial del Laboratorio. «Durante los segmentos de carrera, las alas cortas son deseables para ir rápido y ser más maniobrable, pero para los segmentos de merodeo, las alas largas son deseables para permitir un vuelo de baja potencia y gran autonomía».

Esta herramienta permitirá la optimización estructural de un vehículo capaz de tal transformación, teniendo en cuenta la deformación de las alas debido a la interacción fluido-estructura, dijo.

Una de las preocupaciones de los vehículos que se transforman es lograr un equilibrio entre la suficiente rigidez a la flexión y la suavidad para permitir la transformación», dijo Phillips. «Si el ala se dobla demasiado, los beneficios teóricos de la transformación podrían ser anulados y conducir a problemas de control e inestabilidad».

Los análisis de interacción fluido-estructura suelen requerir el acoplamiento entre un fluido y un solucionador estructural. Esto, a su vez, significa que el coste computacional de estos análisis puede ser muy alto, en el rango de unas 10.000 horas, para una única configuración fluida y estructural.

Para superar estos desafíos, los investigadores desarrollaron un proceso que separa los solucionadores de fluidos y los estructurales, lo que puede reducir el costo computacional de una sola operación hasta en un 80 por ciento, dijo Phillips.

El análisis de configuraciones estructurales adicionales también puede realizarse sin volver a analizar el fluido debido a este enfoque desacoplado, lo que a su vez genera ahorros adicionales en los costes computacionales, lo que lleva a reducciones de múltiples órdenes de magnitud en dichos costes cuando se considera este método dentro de un marco de optimización.

En última instancia, esto significa que el Ejército podría diseñar vehículos multifuncionales más rápidamente que mediante el uso de las técnicas actuales, dijo.

Durante los últimos 20 años, ha habido avances en la investigación de la transformación de los vehículos aéreos, pero lo que hace que los estudios del Ejército sean diferentes es su mirada a la interacción fluido-estructura durante el diseño del vehículo y la optimización estructural, en lugar de diseñar primero un vehículo y luego ver cuál será el comportamiento de la interacción fluido-estructura.

«Esta investigación tendrá un impacto directo en la capacidad de generar vehículos para el futuro combatiente», dijo Phillips. «Reduciendo el costo computacional del análisis de la interacción fluido-estructura, la optimización estructural de los futuros vehículos se puede lograr en un plazo mucho más corto».

Según Phillips, cuando se aplique en un marco de optimización y se combine con la fabricación de aditivos, el futuro combatiente podrá emplear esta herramienta para fabricar vehículos aéreos optimizados y personalizados para usos específicos de la misión.

Phillips presentó este trabajo en un artículo, Uncoupled Method for Massively Parallelizable 3-D Fluid-Structure Interaction Analysis and Design, del que son coautores los doctores Todd Henry y John Hrynuk, así como Trent White de la Universidad de Texas A&M, William Scholten y el Dr. Darren Hartl.

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