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Há uma extensa pesquisa sobre como um flap de posição fixa afeta a sustentação no domínio da interação fluido-estrutura. No entanto, levando a conversa para uma nova direção, os pesquisadores da Universidade de Illinois Urbana-Champaign conduziram um estudo bio-inspirado com uma nova reviravolta – rigidez variável – para aprender mais sobre como isso afeta a sustentação.
Os pesquisadores se perguntaram se poderiam modelar uma aba em um aerofólio, ou asa, com rigidez variável ao longo do tempo, assim como um pássaro pode tensionar ou enrijecer a musculatura e os tendões conectados às penas ocultas.
“Sabemos de estudos anteriores que ter um flap com alguma rigidez pode ajudar a aumentar a sustentação no regime de estol”, disse Andres Goza, professor do Departamento de Engenharia Aeroespacial da UIUC. “Então, isso levantou a questão: e se você pudesse ajustar a rigidez? Quanto benefício haveria?”
Os resultados do estudo mostraram um grande benefício. “Nosso retalho com rigidez variável foi 136% melhor do que não ter nenhum retalho e 85% melhor do que o melhor retalho de rigidez única possível de um estudo anterior que realizamos”.
Goza e seu aluno Nirmal Nair modelaram um atuador de rigidez variável em um flap articulado a um aerofólio por meio de uma mola de torção para criar um controlador híbrido que altera a rigidez ao longo do tempo. A aba em si não pode cair ou dobrar de forma alguma. A rigidez refere-se a quão firmemente a mola de torção está segurando o flap.
“Na simulação, treinamos um controlador que determinava um valor específico no espectro de muito rígido a muito solto. O controlador foi construído usando aprendizado por reforço e treinado para selecionar uma rigidez para melhorar a sustentação no aerofólio”, disse Goza.
“Usando os atuadores de rigidez variável, obtemos as mudanças nos valores de rigidez da mola. A mola é um modelo simplificado. Na prática, essa funcionalidade pode ser implementada usando atuadores de rigidez variável, embora esta seja uma etapa não trivial que exigiria um novo esforço de pesquisa, além do escopo do que vimos. Os resultados de nosso paradigma de rigidez ajustável foram comparados ao melhor caso de rigidez única possível, obtido pela construção de um mapa de desempenho para várias simulações diferentes, correspondendo a um único valor de rigidez cada.”
Goza disse que as melhorias de elevação são alcançadas devido a oscilações de flap de grande amplitude, pois a rigidez varia em quatro ordens de magnitude.
“Nas primeiras nove unidades de tempo, o controlador tentou diferentes rigidezes e aprendeu o que aconteceu”, disse Goza. “Em seguida, o deixamos solto pelo restante da simulação: em um determinado momento, ele decide alterar a rigidez e se adaptar ativamente ao longo do tempo com base no que o fluxo está fazendo para obter um aumento na sustentação”.
Goza disse que é complicado desenvolver uma estratégia de controle como esta.
“À medida que a rigidez muda, o flap se move. Então o movimento do flap muda o fluxo de ar ao seu redor, então há um acoplamento complexo acontecendo”, disse Goza. “Agora, o flap responderá de maneira diferente à mudança do campo de fluxo ao seu redor e, à medida que o campo de fluxo mudar, a resposta do flap mudará novamente. Simular esse acoplamento bidirecional é uma fonte de complexidade.
“Uma força do nosso trabalho é que modelamos tudo isso. Levamos em consideração o acoplamento bidirecional entre o movimento estrutural e a resposta. E isso é fundamental para desenvolver um controlador preciso. Precisamos ser capazes de dizer, quando eu mude a rigidez, aqui está a interação que vai acontecer e aproveite isso para dar uma sustentação melhor.”
Goza disse que na maioria das vezes quando as pessoas pensam em controle, trata-se de feedback. Recebemos informações sobre um sistema e usamos essas informações para tomar uma decisão. Existem consequências e você continua corrigindo automaticamente.
“Este controlador híbrido ajusta a rigidez, mas nós o chamamos de híbrido porque não controlamos diretamente o movimento do flap. Estamos apenas dizendo que o flap tem uma rigidez específica, e vou acioná-lo e mudar a rigidez. Tudo isso O que acontece a seguir é baseado na física dessa rigidez. O flap sentirá o que está acontecendo no fluxo e começará a se desdobrar por conta própria. E começará a induzir essas outras dinâmicas.”
Goza disse que a aplicação mais natural para esta pesquisa são os veículos desocupados que possuem computadores de bordo.
“Para essas aeronaves menores, as rajadas podem ter um impacto muito maior”, disse Goza. “Eles precisam ser mais manobráveis, por exemplo, em desastres naturais, pode haver a necessidade de chegar a um local onde os humanos não possam viajar facilmente”.
Ele acrescentou que a computação tem utilidade “porque você pode permitir que o controlador varie a rigidez em 4 ordens de magnitude, e qualquer que seja o número resultante, apenas é usado na simulação. Você não está limitado por limitações físicas. Isso nos permite explorar os parâmetros espaços que de outra forma não conheceríamos, e usar isso como um trampolim para motivar experimentalistas inteligentes a realizar esses intervalos de parâmetros.
“Neste ponto da pesquisa, os projetos estruturais que sofrem as mudanças de rigidez necessárias não existem. Assim, desta forma, a computação pode inspirar os cientistas de materiais a desenvolver novos materiais/paradigmas de design estrutural que possam fazê-lo”, disse Goza.
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