Vehículos aéreos no-tripulados con alas que mutan: accionamiento de alas flexibles mediante actuadores piezoeléctricos

Abstract

Durante los últimos años, los vehículos aéreos no-tripulados (UAVs) han sido un tópico importante de investigación en el campo de la ingeniería aeronáutica debido a su gran cantidad de aplicaciones. Un nuevo concepto de UAV promete una aeronave que se reconfigura, como lo hacen los pájaros, con el objetivo de alterar sus características aerodinámicas para adaptarse a los distintos regímenes de vuelo que caracterizan una misión. Este concepto conducirá a una nueva generación de aeronaves con capacidades de maniobras similares a las que poseen las aves; esto permitirá realizar las misiones de una manera más eficiente, y aún más importante, cubrir un amplio rango de misiones que aún no es cubierto por los UAVs convencionales. La tecnología asociada a las aeronaves no-tripuladas con alas que mutan (Morphing wings) abarca diversas disciplinas de la ingeniería: aerodinámica no-lineal e inestacionaria, aeroelasticidad, mecánica estructural, dinámica de sistemas multicuerpos flexibles, teoría de control, etc. En este trabajo se presenta el desarrollo de un modelo estructural de alas flexibles para UAVs reconfigurables. La estructura elástica del ala posee actuadores piezoeléctricos inmersos y distribuidos espacialmente, y está compuesta por una viga principal que cubre, casi completamente, la envergadura del ala y por varias vigas en voladizo, orientadas a lo largo de la cuerda, y conectadas en uno de sus extremos a la viga principal. Los actuadores piezoeléctricos, que han sido seleccionados por sus destacadas ventajas respecto a otros tipos de actuadores, son utilizados para inducir deformaciones localizadas sobre cada una de las vigas que conforman la estructura del ala que muta, con el fin de alterar su estado. Las ecuaciones de movimiento que gobiernan la dinámica del sistema vigas/actuadores son discretizadas espacialmente mediante el método de los elementos finitos. Debido a que el modelo estructural incorpora la adhesión de actuadores piezoeléctricos, las matrices de masa y de rigidez se alteran significativamente. El vector de cargas también sufre modificaciones, puesto que se incorpora el término de la llamada fuerza bloqueada, generada por la limitación en la deformación libre del actuador al someterlo a la acción de un campo eléctrico variable en el tiempo. Con la implementación computacional del modelo estructural desarrollado en este trabajo, se llevan a cabo simulaciones numéricas del comportamiento estático y dinámico de alas flexibles de UAVs reconfigurables sometidas a deformaciones controladas mediante la acción de los actuadores piezoeléctricos. Este esfuerzo es parte de un proyecto de mayor envergadura cuyo fin último es comprender el comportamiento aeroservoelástico de UAVs con alas que cambian dinámicamente de forma durante las distintas fases del vuelo.