Aerodynamic performance improvement by active morphing of flexible membrane wing using dielectric elastomer actuator

Research Project

Project/Area Number	19K15203
Research Category	Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Basic Section 24010:Aerospace engineering-related
Research Institution	Tohoku University
Principal Investigator	Fujita Koji 東北大学, 流体科学研究所, 助教 (80774471)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2022-03-31
Project Status	Completed (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help	¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000) Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000) Fiscal Year 2020: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000) Fiscal Year 2019: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Keywords	モーフィング / 低レイノルズ数 / アクチュエータ / 空力 / 高電圧 / 空力デバイス / 膜翼 / 空力特性 / 構造 / 火星 / 宇宙探査 / 飛行機 / エラストマ / 柔軟膜翼 / 誘電エラストマアクチュエータ / 突風
Outline of Research at the Start	火星探査航空機には，希薄で突風の強い火星大気中で飛行するため翼の高性能化が不可欠である．低レイノルズ数かつ突風の強い流れ場に適した翼としては，コウモリのような柔軟膜翼が知られているが，膜の受動的変形のみを利用する従来の柔軟膜翼では空力性能に限界があった．そこで本研究では，柔軟膜の面積を電圧によって変化させることのできる誘電エラストマアクチュエータを柔軟膜翼に適用する．この誘電エラストマ型柔軟膜翼により，柔軟膜翼形状をその場の状況に合わせて受動的ではなく能動的に変形させ，最大の空力特性を引き出すことを目指す．
Outline of Final Research Achievements	Goal of this study is to control aerodynamic performance of a flexible membrane wing using a dielectric elastomer actuator (DEA). The DEA is an elastomer membrane that has flexible electrodes on its surfaces. When high voltage is supplied, the electrodes attract each other, therefore membrane’s area and tension can be controlled. First, effects of thickness, prestrain, and voltage on deformation and tension of DEA were investigated as a basic property. Second, DEA was applied to a flexible membrane wing model and a wind tunnel test was performed. The results shows that a lift coefficient of the wing was controlled by camber change caused by applied voltage. Its 3-dimentional deformation was measured by stereo camera technique.
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	柔軟膜翼は自然界ではコウモリなどが有しており，従来の剛な翼にはない様々な利点があることが知られている．しかし，膜の変形挙動を制御することが難しいことがこれまで課題とされてきた．本研究では，近年新たに開発された，誘電エラストマアクチュエータという新しいアクチュエータ構造を用いることで，膜自体を直接変形させ，これにより今までにない能動的な柔軟膜翼制御を実現することを試みた．本研究では，実現の基礎となる種々の知見を獲得した．これらを応用することで将来的に，現在の剛な航空機とは一線を画するコウモリのような柔軟かつ高性能な航空機を生み出すことができると期待される．