eMathTeacher Platform Suite

La idea inicial de este proyecto surge de la necesidad de desarrollar una herramienta software que ayudase a estudiantes de un curso de iniciación de álgebra lineal a adquirir los conceptos expuestos en el curso mediante la asistencia de cálculos y la representación visual de conceptos e ideas. Algunas de las características o funcionalidades que debería cumplir la herramienta serían: cálculo simbólico, representación simbólica, interfaz gráfico interactivo (point-and-click para realizar operaciones y cálculos, inserción de elementos gráficos mediante drag-and-drop desde una paleta de elementos, representación visual esquemática, representación gráfica 2D y 3D...), persistencia del modelo de datos, etc. Esta fase de un proyecto puede definirse como el – qué –. El siguiente paso o fase del proyecto trata del diseño del proyecto o el – cómo –. Cómo realizar el cálculo numérico, cómo representar símbolos matemáticos en pantalla, cómo crear una paleta de elementos. . . Seguramente existen bibliotecas o APIs de programación para realizar todas estas tareas, sin embargo, su utilización exige al programador tiempo de aprendizaje y el diseño de integración de las diferentes bibliotecas (compatibilidad de versiones, mecanismos de comunicación entre ellas, configuración, etc.). Lo primero puede resolverse fácilmente dedicando tiempo de estudio a la documentación, pero ya implica tiempo. Lo segundo implica además tener que tomar decisiones sobre cómo realizar la integración, no es trivial llegar a dibujar en pantalla, mediante una API de visualización gráfica, una matriz resultado de realizar ciertas operaciones mediante un API de cálculo de álgebra lineal. Existen varias bibliotecas de cálculo de álgebra lineal en las que apoyarse para realizar cálculos. Así pues, es fácil encontrar una biblioteca o API con funciones para realizar operaciones con matrices. Lo que no resulta tan sencillo es encontrar un API que permita definir al programador los mecanismos para representar la matriz en pantalla o para que el usuario introduzca los valores de la matriz. Es en estas últimas tareas en las que el programador se ve obligado a dedicar la mayor parte del tiempo de desarrollo. El resultado de este proyecto supone una gran simplificación de esta segunda fase, la parte del – cómo –, estableciendo una plataforma sobre la que futuros desarrollos puedan basarse para obtener resultados de alta calidad sin tener que preocuparse de las tareas ajenas a la lógica del programa.

Aplicación de representación gráfica de datos y/o señales en entorno GNU/LINUX

El contenido de este PFC supone el desarrollo de una aplicación gráfica en el entorno GNU/LINUX. La aplicación debe representar en la pantalla gráficos procedentes de una fuente externa (un fichero, una tarjeta de adquisición de datos, otra aplicación, etc.) Debe permitir las siguientes funcionalidades: Representar la señal uniendo puntos o marcándolos como símbolos. Debe gestionar de forma adecuada el zoom. Debe permitir exportar la gráfica a formatos SVG y PDF. Debe permitir mostrar varias señales superpuestas para poder compararlas. Opcionalmente debe permitir arrastrar y soltar (“drag and drop”). ABSTRACT The content of the thesis is the development of a graphical application in GNU / Linux environment. The application must render graphics on the screen from an external source (a file, a data acquisition card, other applications, etc..) It must allow the following functionality: Joining dots represent the signal or marking them as symbols. Must properly manage the zoom. Allow export the graph to SVG and PDF formats. Allow display multiple signals superimposed for comparison. Optionally should allow drag and drop.

BaTboT: a biologically inspired flapping and morphing bat robot actuated by SMA-based artificial muscles

Bats are animals that posses high maneuvering capabilities. Their wings contain dozens of articulations that allow the animal to perform aggressive maneuvers by means of controlling the wing shape during flight (morphing-wings). There is no other flying creature in nature with this level of wing dexterity and there is biological evidence that the inertial forces produced by the wings have a key role in the attitude movements of the animal. This can inspire the design of highly articulated morphing-wing micro air vehicles (not necessarily bat-like) with a significant wing-to-body mass ratio. This thesis presents the development of a novel bat-like micro air vehicle (BaTboT) inspired by the morphing-wing mechanism of bats. BaTboT’s morphology is alike in proportion compared to its biological counterpart Cynopterus brachyotis, which provides the biological foundations for developing accurate mathematical models and methods that allow for mimicking bat flight. In nature bats can achieve an amazing level of maneuverability by combining flapping and morphing wingstrokes. Attempting to reproduce the biological wing actuation system that provides that kind of motion using an artificial counterpart requires the analysis of alternative actuation technologies more likely muscle fiber arrays instead of standard servomotor actuators. Thus, NiTinol Shape Memory Alloys (SMAs) acting as artificial biceps and triceps muscles are used for mimicking the morphing wing mechanism of the bat flight apparatus. This antagonistic configuration of SMA-muscles response to an electrical heating power signal to operate. This heating power is regulated by a proper controller that allows for accurate and fast SMA actuation. Morphing-wings will enable to change wings geometry with the unique purpose of enhancing aerodynamics performance. During the downstroke phase of the wingbeat motion both wings are fully extended aimed at increasing the area surface to properly generate lift forces. Contrary during the upstroke phase of the wingbeat motion both wings are retracted to minimize the area and thus reducing drag forces. Morphing-wings do not only improve on aerodynamics but also on the inertial forces that are key to maneuver. Thus, a modeling framework is introduced for analyzing how BaTboT should maneuver by means of changing wing morphology. This allows the definition of requirements for achieving forward and turning flight according to the kinematics of the wing modulation. Motivated by the biological fact about the influence of wing inertia on the production of body accelerations, an attitude controller is proposed. The attitude control law incorporates wing inertia information to produce desired roll (φ) and pitch (θ) acceleration commands. This novel flight control approach is aimed at incrementing net body forces (Fnet) that generate propulsion. Mimicking the way how bats take advantage of inertial and aerodynamical forces produced by the wings in order to both increase lift and maneuver is a promising way to design more efficient flapping/morphing wings MAVs. The novel wing modulation strategy and attitude control methodology proposed in this thesis provide a totally new way of controlling flying robots, that eliminates the need of appendices such as flaps and rudders, and would allow performing more efficient maneuvers, especially useful in confined spaces. As a whole, the BaTboT project consists of five major stages of development: - Study and analysis of biological bat flight data reported in specialized literature aimed at defining design and control criteria. - Formulation of mathematical models for: i) wing kinematics, ii) dynamics, iii) aerodynamics, and iv) SMA muscle-like actuation. It is aimed at modeling the effects of modulating wing inertia into the production of net body forces for maneuvering. - Bio-inspired design and fabrication of: i) skeletal structure of wings and body, ii) SMA muscle-like mechanisms, iii) the wing-membrane, and iv) electronics onboard. It is aimed at developing the bat-like platform (BaTboT) that allows for testing the methods proposed. - The flight controller: i) control of SMA-muscles (morphing-wing modulation) and ii) flight control (attitude regulation). It is aimed at formulating the proper control methods that allow for the proper modulation of BaTboT’s wings. - Experiments: it is aimed at quantifying the effects of properly wing modulation into aerodynamics and inertial production for maneuvering. It is also aimed at demonstrating and validating the hypothesis of improving flight efficiency thanks to the novel control methods presented in this thesis. This thesis introduces the challenges and methods to address these stages. Windtunnel experiments will be oriented to discuss and demonstrate how the wings can considerably affect the dynamics/aerodynamics of flight and how to take advantage of wing inertia modulation that the morphing-wings enable to properly change wings’ geometry during flapping. Resumen: Los murciélagos son mamíferos con una alta capacidad de maniobra. Sus alas están conformadas por docenas de articulaciones que permiten al animal maniobrar gracias al cambio geométrico de las alas durante el vuelo. Esta característica es conocida como (alas mórficas). En la naturaleza, no existe ningún especimen volador con semejante grado de dexteridad de vuelo, y se ha demostrado, que las fuerzas inerciales producidas por el batir de las alas juega un papel fundamental en los movimientos que orientan al animal en vuelo. Estas características pueden inspirar el diseño de un micro vehículo aéreo compuesto por alas mórficas con redundantes grados de libertad, y cuya proporción entre la masa de sus alas y el cuerpo del robot sea significativa. Esta tesis doctoral presenta el desarrollo de un novedoso robot aéreo inspirado en el mecanismo de ala mórfica de los murciélagos. El robot, llamado BaTboT, ha sido diseñado con parámetros morfológicos muy similares a los descritos por su símil biológico Cynopterus brachyotis. El estudio biológico de este especimen ha permitido la definición de criterios de diseño y modelos matemáticos que representan el comportamiento del robot, con el objetivo de imitar lo mejor posible la biomecánica de vuelo de los murciélagos. La biomecánica de vuelo está definida por dos tipos de movimiento de las alas: aleteo y cambio de forma. Intentar imitar como los murciélagos cambian la forma de sus alas con un prototipo artificial, requiere el análisis de métodos alternativos de actuación que se asemejen a la biomecánica de los músculos que actúan las alas, y evitar el uso de sistemas convencionales de actuación como servomotores ó motores DC. En este sentido, las aleaciones con memoria de forma, ó por sus siglas en inglés (SMA), las cuales son fibras de NiTinol que se contraen y expanden ante estímulos térmicos, han sido usados en este proyecto como músculos artificiales que actúan como bíceps y tríceps de las alas, proporcionando la funcionalidad de ala mórfica previamente descrita. De esta manera, los músculos de SMA son mecánicamente posicionados en una configuración antagonista que permite la rotación de las articulaciones del robot. Los actuadores son accionados mediante una señal de potencia la cual es regulada por un sistema de control encargado que los músculos de SMA respondan con la precisión y velocidad deseada. Este sistema de control mórfico de las alas permitirá al robot cambiar la forma de las mismas con el único propósito de mejorar el desempeño aerodinámico. Durante la fase de bajada del aleteo, las alas deben estar extendidas para incrementar la producción de fuerzas de sustentación. Al contrario, durante el ciclo de subida del aleteo, las alas deben contraerse para minimizar el área y reducir las fuerzas de fricción aerodinámica. El control de alas mórficas no solo mejora el desempeño aerodinámico, también impacta la generación de fuerzas inerciales las cuales son esenciales para maniobrar durante el vuelo. Con el objetivo de analizar como el cambio de geometría de las alas influye en la definición de maniobras y su efecto en la producción de fuerzas netas, simulaciones y experimentos han sido llevados a cabo para medir cómo distintos patrones de modulación de las alas influyen en la producción de aceleraciones lineales y angulares. Gracias a estas mediciones, se propone un control de vuelo, ó control de actitud, el cual incorpora información inercial de las alas para la definición de referencias de aceleración angular. El objetivo de esta novedosa estrategia de control radica en el incremento de fuerzas netas para la adecuada generación de movimiento (Fnet). Imitar como los murciélagos ajustan sus alas con el propósito de incrementar las fuerzas de sustentación y mejorar la maniobra en vuelo es definitivamente un tópico de mucho interés para el diseño de robots aéros mas eficientes. La propuesta de control de vuelo definida en este trabajo de investigación podría dar paso a una nueva forma de control de vuelo de robots aéreos que no necesitan del uso de partes mecánicas tales como alerones, etc. Este control también permitiría el desarrollo de vehículos con mayor capacidad de maniobra. El desarrollo de esta investigación se centra en cinco etapas: - Estudiar y analizar el vuelo de los murciélagos con el propósito de definir criterios de diseño y control. - Formular modelos matemáticos que describan la: i) cinemática de las alas, ii) dinámica, iii) aerodinámica, y iv) actuación usando SMA. Estos modelos permiten estimar la influencia de modular las alas en la producción de fuerzas netas. - Diseño y fabricación de BaTboT: i) estructura de las alas y el cuerpo, ii) mecanismo de actuación mórfico basado en SMA, iii) membrana de las alas, y iv) electrónica abordo. - Contro de vuelo compuesto por: i) control de la SMA (modulación de las alas) y ii) regulación de maniobra (actitud). - Experimentos: están enfocados en poder cuantificar cuales son los efectos que ejercen distintos perfiles de modulación del ala en el comportamiento aerodinámico e inercial. El objetivo es demostrar y validar la hipótesis planteada al inicio de esta investigación: mejorar eficiencia de vuelo gracias al novedoso control de orientación (actitud) propuesto en este trabajo. A lo largo del desarrollo de cada una de las cinco etapas, se irán presentando los retos, problemáticas y soluciones a abordar. Los experimentos son realizados utilizando un túnel de viento con la instrumentación necesaria para llevar a cabo las mediciones de desempeño respectivas. En los resultados se discutirá y demostrará que la inercia producida por las alas juega un papel considerable en el comportamiento dinámico y aerodinámico del sistema y como poder tomar ventaja de dicha característica para regular patrones de modulación de las alas que conduzcan a mejorar la eficiencia del robot en futuros vuelos.

Mejora de la seguridad de las presas de escollera frente a percolación accidental mediante protecciones tipo repié

Esta tesis doctoral es el fruto de un trabajo de investigación cuyo objetivo principal es definir criterios de diseño de protecciones en forma de repié en presas de materiales sueltos cuyo espaldón de aguas abajo esté formado por escollera. La protección propuesta consiste en un relleno de material granular situado sobre el pie de aguas abajo de la presa y formado a su vez por una escollera con características diferenciadas respecto de la escollera que integra el espaldón de la presa. La función de esta protección es evitar que se produzcan deslizamientos en masa cuando una cantidad de agua anormalmente elevada circula accidentalmente por el espaldón de aguas abajo de la presa por distintos motivos como pueden ser el vertido por coronación de la presa o la pérdida de estanqueidad del elemento impermeable o del cimiento. Según los datos de la International Commission on Large Dams (ICOLD 1995) el 70% de las causas de rotura o avería grave en presas de materiales sueltos en el mundo están dentro de las que se han indicado con anterioridad. Esta circulación accidental de agua a través del espaldón de escollera, típicamente turbulenta, se ha denominado en esta tesis percolación (“through flow”, en inglés) para diferenciarla del término filtración, habitualmente utilizada para el flujo laminar a través de un material fino. El fenómeno físico que origina la rotura de presas de materiales sueltos sometidas a percolación accidental es complejo, entrando en juego diversidad de parámetros, muchas veces no deterministas, y con acoplamiento entre procesos, tanto de filtración como de arrastre y deslizamiento. En esta tesis se han realizado diferentes estudios experimentales y numéricos con objeto de analizar el efecto sobre el nivel de protección frente al deslizamiento en masa que producen los principales parámetros geométricos que definen el repié: la anchura de la berma, el talud exterior y su altura máxima desde la base. También se han realizado estudios sobre factores con gran influencia en el fenómeno de la percolación como son la anisotropía del material y el incremento de los caudales unitarios en el pie de presa debidos a la forma de la cerrada. A partir de los resultados obtenidos en las distintas campañas de modelación física y numérica se han obtenido conclusiones respecto a la efectividad de este tipo de protección para evitar parcial o totalmente los daños provocados por percolación accidental en presas de escollera. El resultado final de la tesis es un procedimiento de diseño para este tipo de protecciones. Con objeto de completar los criterios de dimensionamiento, teniendo en cuenta los mecanismos de rotura por erosión interna y arrastre, se han incluido dentro del procedimiento recomendaciones adicionales basadas en investigaciones existentes en la bibliografía técnica. Finalmente, se han sugerido posibles líneas de investigación futuras para ampliar el conocimiento de fenómenos complejos que influyen en el comportamiento de este tipo de protección como son el efecto de escala, la anisotropía de la escollera, las leyes de resistencia que rigen la filtración turbulenta a través de medios granulares, los efectos de cimentaciones poco competentes o la propia caracterización de las propiedades de la escollera de presas. This thesis is the result of a research project that had the main objective of defining criteria to design rockfill toe protections for dams with a highly‐permeable downstream shoulder. The proposed protection consists of a rockfill toe berm situated downstream from the dam with specific characteristics with respect to the rockfill that integrates the shoulder of the main dam. The function of these protections is to prevent mass slides due to an abnormally high water flow circulation through the dam shoulder. This accidental seepage flow may be caused by such reasons as overtopping or the loss of sealing at the impervious element of the dam or its foundation. According to data from the International Commission on Large Dams (ICOLD 1995), 70% of the causes of failure or serious damage in embankment dams in the world are within that described previously. This accidental seepage of water through the rockfill shoulder, typically turbulent, is usually called through‐flow. The physical phenomenon which causes the breakage of the rockfill shoulder during such through‐flow processes is complex, involving diversity of parameters (often not deterministic) and coupling among processes, not only seepage but also internal erosion, drag or mass slide. In this thesis, numerical and experimental research is conducted in order to analyze the effects of the main parameters that define the toe protection, i.e. the toe crest length, its slope and maximum height. Additional studies on significant factors which influence the seepage, such as the anisotropy of the material and the increase of the unit flows at the dam toe due to the valley shape are also performed. In addition, conclusions regarding the effectiveness of this type of protection are obtained based on the results of physical and numerical models. The main result of the thesis is a design procedure for this type of protection to avoid mass sliding. In order to complete the design criteria, additional recommendations about internal and external erosion based on the state of the art are included. Finally, new lines of research are suggested for the future to expand the level of knowledge of the complex phenomena that influence the behavior of this type of protection, such as the effects of scale, rockfill anisotropy, non‐linear seepage laws in turbulent seepage through granular media, effects of erodible foundations, or new procedures to characterize the properties of dam rockfill as a construction material.

O Botafumeiro: parametric pumping in the Middle Age

The pendular motion of a giant censer (O Botafumeiro) that hangs in the transept of the cathedral of Santiago de Compostela, and is cyclically pumped by men who pull at the supporting rope, is analyzed. Maximum angular amplitude attainable, and number of cycles and time needed to attain it, are calculated; the results agree with observed values (~ 82°, ~ 17 cycles, ~ 80 seconds) to the few percent accuracy of both the analysis and the observations and parameter measurements. The energy gain in a pumping cycle is obtained for an arbitrary pumping procedure to two orders in the small fractional change of pendular length; the relevance of the ratio (characteristic radial acceleration during pumping)/g to the gain is discussed- Effects due to rope mass, air drag on both Censer and rope, and the fact that the Censer is not a point mass, are considered. If the pumping cycle is inverted once the maximum amplitude has been attained, the Censer could be swiftly brought to rest, avoiding the usual violent stop. Historically recorded accidents, rope shape, and the influence of relevant parameters on the motion are discussed.

Bare-tether cathodic contact through thermoionic emission by low work-function materials

A new material, C12A7 : electride, which might present a work function as low as 0.6 eV and moderately high temperature stability, was recently proposed as coating for floating bare tethers. Arising from heating under space operation, current is emitted by thermionic emission along a thus coated cathodic segment. A preliminary study on the space-charge-limited (SCL) double layer in front of the cathodic segment is presented using Langmuir’s SCL electron current between cylindrical electrodes and orbital-motion-limited ion-collection sheath. A detailed calculation of current and bias profiles along the entire tether length is carried out with ohmic effects and the transition from SCL to full Richardson-Dushman emission included. Analysis shows that in the simplest drag mode, under typical orbital and tether conditions, thermionic emission leads to a short cathodic section and may eliminate the need for an active cathodic device and its corresponding gas feed requirements and power subsystem, which results in a truly “propellant-less” tether system for such basic applications as de-orbiting low earth orbit satellites.

Electrodynamic tethers for exploration of Jupiter and its icy moons

Use of electrodynamic bare tethers in exploring the Jovian system by tapping its rotational energy for power and propulsion is studied. The position of perijove and apojove in elliptical orbits, relative to the synchronous orbit at 2.24 times Jupiter’s radius, is exploited to conveniently make the induced Lorentz force to be drag or thrust, while generating power, and navigating the system. Capture and evolution to a low elliptical orbit near Jupiter, and capture into low circular orbits at moons Io and Europa are discussed.

Electrodynamic tether at Jupiter II:Fast moon tour after capture

An electrodynamic bare-tether mission to Jupiter,following the capture of a spacecraft (SC) into an equatorial highly elliptical orbit with perijove at about 1.3 times the Jovian radius, is discussed. Repeated applications of the propellantless Lorentz drag on a spinning tether, at the perijove vicinity, can progressively lower the apojove at constant perijove, for a tour of Galilean moons. Electrical energy is generated and stored as the SC moves from an orbit at 1 : 1 resonance with a moon, down to resonance with the next moon; switching tether current off, stored power is then used as the SC makes a number of flybys of each moon. Radiation dose is calculated throughout the mission,during capture, flybys and moves between moons. The tour mission is limited by both power needs and accumulated dose. The three-stage apojove lowering down to Ganymede, Io, and Europa resonances would total less than 14 weeks, while 4 Ganymede, 20 Europa, and 16 Io flybys would add up to 18 weeks, with the entire mission taking just over seven months and the accumulated radiation dose keeping under 3 Mrad (Si) at 10-mm Al shield thickness.

A proposed two-stage two-tether scientific mission at Jupiter

A two-stage mission to place a spacecraft (SC) below the Jovian radiation belts, using a spinning bare tether with plasma contactors at both ends to provide propulsion and power,is proposed. Capture by Lorentz drag on the tether, at the periapsis of a barely hyperbolic equatorial orbit, is followed by a sequence of orbits at near-constant periapsis, drag finally bringing the SC down to a circular orbit below the halo ring. Although increasing both tether heating and bowing, retrograde motion can substantially reduce accumulated dose as compared with prograde motion, at equal tether-to-SC mass ratio. In the second stage,the tether is cut to a segment one order of magnitude smaller, with a single plasma contactor, making the SC to slowly spiral inward over severalmonths while generating large onboard power, which would allow multiple scientific applications, including in situ study of Jovian grains, auroral sounding of upper atmosphere, and space- and time-resolved observations of surface and subsurface.

Efficient adaptive methods based on adjoint equations and truncation error estimation for unstructured grids

El propósito de esta tesis es la implementación de métodos eficientes de adaptación de mallas basados en ecuaciones adjuntas en el marco de discretizaciones de volúmenes finitos para mallas no estructuradas. La metodología basada en ecuaciones adjuntas optimiza la malla refinándola adecuadamente con el objetivo de mejorar la precisión de cálculo de un funcional de salida dado. El funcional suele ser una magnitud escalar de interés ingenieril obtenida por post-proceso de la solución, como por ejemplo, la resistencia o la sustentación aerodinámica. Usualmente, el método de adaptación adjunta está basado en una estimación a posteriori del error del funcional de salida mediante un promediado del residuo numérico con las variables adjuntas, “Dual Weighted Residual method” (DWR). Estas variables se obtienen de la solución del problema adjunto para el funcional seleccionado. El procedimiento habitual para introducir este método en códigos basados en discretizaciones de volúmenes finitos involucra la utilización de una malla auxiliar embebida obtenida por refinamiento uniforme de la malla inicial. El uso de esta malla implica un aumento significativo de los recursos computacionales (por ejemplo, en casos 3D el aumento de memoria requerida respecto a la que necesita el problema fluido inicial puede llegar a ser de un orden de magnitud). En esta tesis se propone un método alternativo basado en reformular la estimación del error del funcional en una malla auxiliar más basta y utilizar una técnica de estimación del error de truncación, denominada _ -estimation, para estimar los residuos que intervienen en el método DWR. Utilizando esta estimación del error se diseña un algoritmo de adaptación de mallas que conserva los ingredientes básicos de la adaptación adjunta estándar pero con un coste computacional asociado sensiblemente menor. La metodología de adaptación adjunta estándar y la propuesta en la tesis han sido introducidas en un código de volúmenes finitos utilizado habitualmente en la industria aeronáutica Europea. Se ha investigado la influencia de distintos parámetros numéricos que intervienen en el algoritmo. Finalmente, el método propuesto se compara con otras metodologías de adaptación de mallas y su eficiencia computacional se demuestra en una serie de casos representativos de interés aeronáutico. ABSTRACT The purpose of this thesis is the implementation of efficient grid adaptation methods based on the adjoint equations within the framework of finite volume methods (FVM) for unstructured grid solvers. The adjoint-based methodology aims at adapting grids to improve the accuracy of a functional output of interest, as for example, the aerodynamic drag or lift. The adjoint methodology is based on the a posteriori functional error estimation using the adjoint/dual-weighted residual method (DWR). In this method the error in a functional output can be directly related to local residual errors of the primal solution through the adjoint variables. These variables are obtained by solving the corresponding adjoint problem for the chosen functional. The common approach to introduce the DWR method within the FVM framework involves the use of an auxiliary embedded grid. The storage of this mesh demands high computational resources, i.e. over one order of magnitude increase in memory relative to the initial problem for 3D cases. In this thesis, an alternative methodology for adapting the grid is proposed. Specifically, the DWR approach for error estimation is re-formulated on a coarser mesh level using the _ -estimation method to approximate the truncation error. Then, an output-based adaptive algorithm is designed in such way that the basic ingredients of the standard adjoint method are retained but the computational cost is significantly reduced. The standard and the new proposed adjoint-based adaptive methodologies have been incorporated into a flow solver commonly used in the EU aeronautical industry. The influence of different numerical settings has been investigated. The proposed method has been compared against different grid adaptation approaches and the computational efficiency of the new method has been demonstrated on some representative aeronautical test cases.

Aerodynamic Optimization of the Nose Shape of a High-speed Train

La influencia de la aerodinámica en el diseño de los trenes de alta velocidad, unida a la necesidad de resolver nuevos problemas surgidos con el aumento de la velocidad de circulación y la reducción de peso del vehículo, hace evidente el interés de plantear un estudio de optimización que aborde tales puntos. En este contexto, se presenta en esta tesis la optimización aerodinámica del testero de un tren de alta velocidad, llevada a cabo mediante el uso de métodos de optimización avanzados. Entre estos métodos, se ha elegido aquí a los algoritmos genéticos y al método adjunto como las herramientas para llevar a cabo dicha optimización. La base conceptual, las características y la implementación de los mismos se detalla a lo largo de la tesis, permitiendo entender los motivos de su elección, y las consecuencias, en términos de ventajas y desventajas que cada uno de ellos implican. El uso de los algorimos genéticos implica a su vez la necesidad de una parametrización geométrica de los candidatos a óptimo y la generación de un modelo aproximado que complementa al método de optimización. Estos puntos se describen de modo particular en el primer bloque de la tesis, enfocada a la metodología seguida en este estudio. El segundo bloque se centra en la aplicación de los métodos a fin de optimizar el comportamiento aerodinámico del tren en distintos escenarios. Estos escenarios engloban los casos más comunes y también algunos de los más exigentes a los que hace frente un tren de alta velocidad: circulación en campo abierto con viento frontal o viento lateral, y entrada en túnel. Considerando el caso de viento frontal en campo abierto, los dos métodos han sido aplicados, permitiendo una comparación de las diferentes metodologías, así como el coste computacional asociado a cada uno, y la minimización de la resistencia aerodinámica conseguida en esa optimización. La posibilidad de evitar parametrizar la geometría y, por tanto, reducir el coste computacional del proceso de optimización es la característica más significativa de los métodos adjuntos, mientras que en el caso de los algoritmos genéticos se destaca la simplicidad y capacidad de encontrar un óptimo global en un espacio de diseño multi-modal o de resolver problemas multi-objetivo. El caso de viento lateral en campo abierto considera nuevamente los dos métoxi dos de optimización anteriores. La parametrización se ha simplificado en este estudio, lo que notablemente reduce el coste numérico de todo el estudio de optimización, a la vez que aún recoge las características geométricas más relevantes en un tren de alta velocidad. Este análisis ha permitido identificar y cuantificar la influencia de cada uno de los parámetros geométricos incluídos en la parametrización, y se ha observado que el diseño de la arista superior a barlovento es fundamental, siendo su influencia mayor que la longitud del testero o que la sección frontal del mismo. Finalmente, se ha considerado un escenario más a fin de validar estos métodos y su capacidad de encontrar un óptimo global. La entrada de un tren de alta velocidad en un túnel es uno de los casos más exigentes para un tren por el pico de sobrepresión generado, el cual afecta a la confortabilidad del pasajero, así como a la estabilidad del vehículo y al entorno próximo a la salida del túnel. Además de este problema, otro objetivo a minimizar es la resistencia aerodinámica, notablemente superior al caso de campo abierto. Este problema se resuelve usando algoritmos genéticos. Dicho método permite obtener un frente de Pareto donde se incluyen el conjunto de óptimos que minimizan ambos objetivos. ABSTRACT Aerodynamic design of trains influences several aspects of high-speed trains performance in a very significant level. In this situation, considering also that new aerodynamic problems have arisen due to the increase of the cruise speed and lightness of the vehicle, it is evident the necessity of proposing an optimization study concerning the train aerodynamics. Thus, the aerodynamic optimization of the nose shape of a high-speed train is presented in this thesis. This optimization is based on advanced optimization methods. Among these methods, genetic algorithms and the adjoint method have been selected. A theoretical description of their bases, the characteristics and the implementation of each method is detailed in this thesis. This introduction permits understanding the causes of their selection, and the advantages and drawbacks of their application. The genetic algorithms requirethe geometrical parameterization of any optimal candidate and the generation of a metamodel or surrogate model that complete the optimization process. These points are addressed with a special attention in the first block of the thesis, focused on the methodology considered in this study. The second block is referred to the use of these methods with the purpose of optimizing the aerodynamic performance of a high-speed train in several scenarios. These scenarios englobe the most representative operating conditions of high-speed trains, and also some of the most exigent train aerodynamic problems: front wind and cross-wind situations in open air, and the entrance of a high-speed train in a tunnel. The genetic algorithms and the adjoint method have been applied in the minimization of the aerodynamic drag on the train with front wind in open air. The comparison of these methods allows to evaluate the methdology and computational cost of each one, as well as the resulting minimization of the aerodynamic drag. Simplicity and robustness, the straightforward realization of a multi-objective optimization, and the capability of searching a global optimum are the main attributes of genetic algorithm. However, the requirement of geometrically parameterize any optimal candidate is a significant drawback that is avoided with the use of the adjoint method. This independence of the number of design variables leads to a relevant reduction of the pre-processing and computational cost. Considering the cross-wind stability, both methods are used again for the minimization of the side force. In this case, a simplification of the geometric parameterization of the train nose is adopted, what dramatically reduces the computational cost of the optimization process. Nevertheless, some of the most important geometrical characteristics are still described with this simplified parameterization. This analysis identifies and quantifies the influence of each design variable on the side force on the train. It is observed that the A-pillar roundness is the most demanding design parameter, with a more important effect than the nose length or the train cross-section area. Finally, a third scenario is considered for the validation of these methods in the aerodynamic optimization of a high-speed train. The entrance of a train in a tunnel is one of the most exigent train aerodynamic problems. The aerodynamic consequences of high-speed trains running in a tunnel are basically resumed in two correlated phenomena, the generation of pressure waves and an increase in aerodynamic drag. This multi-objective optimization problem is solved with genetic algorithms. The result is a Pareto front where a set of optimal solutions that minimize both objectives.

Magnetic self-field effects on bare-tether current collection

It has been recently suggested that the magnetic field created by the current in a bare tether could sensibly reduce its electron collection capability in the magnetised ionosphere, a region of closed magnetic surfaces disconnecting the cylinder from infinity. In this paper, the ohmic voltage drop along the tether is taken into account in considering self-field effects. Separate analyses are carried out for the thrust and power generation and drag modes of operation, which are affected in different ways. In the power generation and drag modes, bias decreases as current increases along the tether, starting at the anodic, positively-biased end (upper end in the usual, eastward-flying spacecraft); in the thrust mode of operation, bias increases as current increases along the tether, starting at the lower end. When the ohmic voltage drop is considered, self-field effects are shown to be weak, in all cases, for tape tethers, and for circular cross-section tethers just conductive in a thin outer layer. Self-field effects might become important, in the drag case only, for tethers with fully conductive cross sections that are unrealistically heavy.

Short electrodynamic tethers

ED bare theters are best systems to deorbit S/C at end of service. For near polar orbits, usual tethers kept vertical by the gravity gradient, yield too weak magnetic drag. Here we propose keeping tethers perpendicular to the orbital plane. they mus be rigid and short for structural reasons, requiring power supply like Ion thrusters. terher tube-booms that can be rolled up on a drum would lie on each side of the S/C. One boom, carying in idle Hollow Cathode, collects electrons; the opposite boom's HC ejects electrons.

A "Free-Lunch" tour of the Jovian System

An ED-tether mission to Jupiter is presented. A bare tether carrying cathodic devices at both ends but no power supply, and using no propellant, could move 'freely' among Jupiter's 4 great moons. The tour scheme would have current naturally driven throughout by the motional electric field, the Lorentz force switching direction with current around a 'drag' radius of 160,00 kms, where the speed of the jovian ionosphere equals the speed of a spacecraft in circular orbit. With plasma density and magnetic field decreasing rapidly with distance from Jupiter, drag/thrust would only be operated in the inner plasmasphere, current being near shut off conveniently in orbit by disconnecting cathodes or plugging in a very large resistance; the tether could serve as its own power supply by plugging in an electric load where convenient, with just some reduction in thrust or drag. The periapsis of the spacecraft in a heliocentric transfer orbit from Earth would lie inside the drag sphere; with tether deployed and current on around periapsis, magnetic drag allows Jupiter to capture the spacecraft into an elliptic orbit of high eccentricity. Current would be on at succesive perijove passes and off elsewhere, reducing the eccentricity by lowering the apoapsis progressively to allow visits of the giant moons. In a second phase, current is on around apoapsis outside the drag sphere, rising the periapsis until the full orbit lies outside that sphere. In a third phase, current is on at periapsis, increasing the eccentricity until a last push makes the orbit hyperbolic to escape Jupiter. Dynamical issues such as low gravity-gradient at Jupiter and tether orientation in elliptic orbits of high eccentricity are discussed.

Electrodynamic tether at Jupiter 2. Tour missions after capture

Three separate scenarios of an electrodynamic tether mission at Jupiter following capture of a spacecraft (SC) into an equatorial, highly elliptical orbit around the planet, with perijove at about 1.5 times the Jovian radius, are discussed. Repeated application of Lorentz drag on the spinning tether, at the perijove vicinity, can progressively lower the apojove. One mission involves the tethered-SC rapidly and frequently visiting Galilean moons; elliptical orbits with apojove down at the Ganymede, Europa, and Io orbits are in 2:5, 4:9, and 1:2 resonances with the respective moons. About 20 slow flybys of Io would take place before the accumulated radiation dose exceeds 3 Mrad (Si) at 10 mm Al shield thickness, with a total duration of 5 months after capture (4 months for lowering the apojove to Io and one month for the flybys). The respective number of flybys for Ganymede would be 10 with a total duration of about 9 months. An alternative mission would have the SC acquire a low circular orbit around Jupiter, below the radiation belts, and manoeuvre to get an optimal altitude, with no major radiation effects, in less than 5 months after capture. In a third mission, repeated thrusting at the apojove vicinity, once down at the Io torus, would raise the perijove itself to the torus to acquire a low circular orbit around Io in about 4 months, for a total of 8 months after capture; this corresponds, however, to over 100 apojove passes with an accumulated dose, of about 8.5 Mrad (Si), that poses a critical issue.