Control de vuelo: actuadores de plasma

El tema del control de vuelo a base de actuadores de plasma más bien parece salido de una película de Star Trek, pero en realidad es algo muy de nuestro tiempo. 

El plasma es conocido desde hace ya muchos años por ser el cuarto estado de la materia. Cuando éramos unos críos se nos decía en el cole entonces que solo existían tres estados de agregación de la materia: sólido, líquido y gaseoso. Hace ya algún tiempo que los científicos consideran un cuarto estado, pero este estado no puede existir de forma aislada como los otros tres sin que exista alguna forma de campo que lo ionice (temperatura, electricidad, etc). El plasma es una especie de gas en el sentido que no tiene volumen o forma definida, pero a diferencia del gas, posee unas propiedades que lo hacen muy diferente.

Ejemplos de plasma en la sociedad actual existen muchos. Desde los famosos televisores de plasma, hasta las luces de neón o los tubos fluorecentes. En la atmósfera se pueden ver también algunos ejemplos, como los rayos de una tormenta, el fuego de San Telmo, la aurora boreal o la capa exterior o ionosfera.  

La lanzadera espacial en su reentrada a la Tierra deja tras de si una estela de gas ionizado (plasma) que puede ser observable desde la Estación Espacial Internacional.

La aplicación del plasma ha dado lugar a grandes avances en muchos campos de la física, pero también en los de la propulsión iónica y la magnetohidrodinámica (MHD). Con el tiempo, estas aplicaciones han llegado al campo de la aerodinámica y a la mecánica de fluidos, que es el tema que más se relaciona con este Blog. Dentro de este campo, se están estudiando desde hace años los llamados actuadores de plasma para las superficies de control de los aviones, que es un concepto muy moderno de control de fluidos en aeronaves.

¿Qué es un actuador de plasma?

A diferencia de los actuadores servo-mecánicos tradicionales de los aviones, los actuadores de plasma son una clase muy particular de actuadores aerodinámicos de control de flujo basados ​​en la formación de un plasma a baja temperatura. Son también conocido como actuadores de descarga de barrera dieléctrica o DBD -Dielectric Barrier Discharge Plasma Actuator- en inglés. Estos nuevos actuadores se llevan probando desde 2005 y son muy prometedores. Se emplearán casi con toda seguridad para la mejora de la sustentación de superficies aerodinámicas. También se ha probado como si fueran generadores de vórtices o torbellinos, es decir, para retardar la separación del flujo aerodinámico y mantenerlo más tiempo en régimen laminar. Otras aplicaciones de estos actuadores tienen que ver con la reducción de la resistencia e, incluso, como una alternativa a las superficies tradicionales de control de vuelo, como alerones o flaps. 

El plasma se forma entre un par de electrodos asimétricos cuando se aplica un voltaje muy alto de corriente alterna en los electrodos. Las moléculas de aire se ionizan en las proximidades del electrodo encapsulado y se aceleran a través del campo eléctrico. El momento se comunica al flujo a través de la colisión de los iones acelerados con partículas neutras en la región. 

Descarga de barrera dieléctrica. Tomado de Enloe, et al., "Mechanisms and Responses of a Single Dielectric Barrier Plasma Actuator: Plasma Morphology," AIAA Journal, v. 42, n. 3, 2004, pp. 589-594.

En el vídeo que se puede ver a continuación se aprecia como el flujo turbulento de una superficie en un túneles de viento se controla por medio de estos actuadores de plasma. EL fluido se mantiene pegado a la superficie cuando se aplica la descarga de corriente eléctrica. 

De esta manera el sistema utiliza el flujo de plasma (gas altamente ionizado) para crear una superficie de control fácilmente manejable sin necesidad de complicadas instalaciones hidráulicas con sus tuberías, bombas, cables, etc. El sistema podría incluso ser aplicable a los típicos alerones o los flaps del avión. En un principio se está estudiando este sistema como ayuda al despegue y el aterrizaje creando más sustentación en el ala. El efecto se crea por la corriente eléctrica de alta tensión y el aire atmosférico normal que juntos forman el propio plasma. Las ventajas son enormes, además de la mayor simplicidad y la menor complejidad mecánica, un avión equipado con este tipo de actuadores podrá ser más ligero y tener mayor alcance. La USAF ha realizado pruebas supersónicas en el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea (AFRL) y se ha estudiado el posible aumento de la maniobrabilidad en aviones de altas características.

Como cualquier moderna tecnología, no todo son ventajas. El actuador de plasma tiene también algunos inconvenientes y limitaciones. Para que el control de la velocidad de flujo del actuador sea mejor y más efectiva, se requiere la utilización de los llamados osciladores fluídicos, donde dos sistemas de actuadores de plasma trabajan en tándem para crear esquemas de flujo de impulsos. Otro de los grandes problemas tiene que ver con la presión atmosférica. La densidad del gas es importante para el efecto que produce el actuador de plasma. Existe una relación directa entre la cantidad de fuerza creada y la densidad del gas. Cuanto más gas se pueda ionizar, más efecto. En las grandes altitudes de los vuelos comerciales no existe presión ambiente suficiente como para que el efecto sea apreciable.

A pesar de estos problemas, la nueva tecnología resulta muy prometedora y seguramente en unos cuantos años veremos volar algún prototipo de avión ligero con este tipo de actuadores.