Research on wide-bandgap intermediate band solar cells and development of experimental techniques for their characterization

El trabajo que ha dado lugar a esta Tesis Doctoral se enmarca en la invesitagación en células solares de banda intermedia (IBSCs, por sus siglas en inglés). Se trata de un nuevo concepto de célula solar que ofrece la posibilidad de alcanzar altas eficiencias de conversión fotovoltaica. Hasta ahora, se han demostrado de manera experimental los fundamentos de operación de las IBSCs; sin embargo, esto tan sólo has sido posible en condicines de baja temperatura. El concepto de banda intermedia (IB, por sus siglas en inglés) exige que haya desacoplamiento térmico entre la IB y las bandas de valencia y conducción (VB and CB, respectivamente, por sus siglas en inglés). Los materiales de IB actuales presentan un acoplamiento térmico demasiado fuerte entre la IB y una de las otras dos bandas, lo cual impide el correcto funcionamiento de las IBSCs a temperatura ambiente. En el caso particular de las IBSCs fabricadas con puntos cuánticos (QDs, por sus siglas en inglés) de InAs/GaAs - a día de hoy, la tecnología de IBSC más estudiada - , se produce un rápido intercambio de portadores entre la IB y la CB, por dos motivos: (1) una banda prohibida estrecha (< 0.2 eV) entre la IB y la CB, E^, y (2) la existencia de niveles electrónicos entre ellas. El motivo (1) implica, a su vez, que la máxima eficiencia alcanzable en estos dispositivos es inferior al límite teórico de la IBSC ideal, en la cual E^ = 0.71 eV. En este contexto, nuestro trabajo se centra en el estudio de IBSCs de alto gap (o banda prohibida) fabricadsas con QDs, o lo que es lo mismo, QD-IBSCs de alto gap. Hemos fabricado e investigado experimentalmente los primeros prototipos de QD-IBSC en los que se utiliza AlGaAs o InGaP para albergar QDs de InAs. En ellos demostramos une distribución de gaps mejorada con respecto al caso de InAs/GaAs. En concreto, hemos medido valores de E^ mayores que 0.4 eV. En los prototipos de InAs/AlGaAs, este incremento de E^ viene acompaado de un incremento, en más de 100 meV, de la energía de activación del escape térmico. Además, nuestros dispositivos de InAs/AlGaAs demuestran conversión a la alza de tensión; es decir, la producción de una tensión de circuito abierto mayor que la energía de los fotones (dividida por la carga del electrón) de un haz monocromático incidente, así como la preservación del voltaje a temperaura ambiente bajo iluminación de luz blanca concentrada. Asimismo, analizamos el potencial para detección infrarroja de los materiales de IB. Presentamos un nuevo concepto de fotodetector de infrarrojos, basado en la IB, que hemos llamado: fotodetector de infrarrojos activado ópticamente (OTIP, por sus siglas en inglés). Nuestro novedoso dispositivo se basa en un nuevo pricipio físico que permite que la detección de luz infrarroja sea conmutable (ON y OFF) mediante iluminación externa. Hemos fabricado un OTIP basado en QDs de InAs/AlGaAs con el que demostramos fotodetección, bajo incidencia normal, en el rango 2-6/xm, activada ópticamente por un diodoe emisor de luz de 590 nm. El estudio teórico del mecanismo de detección asistido por la IB en el OTIP nos lleva a poner en cuestión la asunción de quasi-niveles de Fermi planos en la zona de carga del espacio de una célula solar. Apoyados por simuaciones a nivel de dispositivo, demostramos y explicamos por qué esta asunción no es válida en condiciones de corto-circuito e iluminación. También llevamos a cabo estudios experimentales en QD-IBSCs de InAs/AlGaAs con la finalidad de ampliar el conocimiento sobre algunos aspectos de estos dispositivos que no han sido tratados aun. En particular, analizamos el impacto que tiene el uso de capas de disminución de campo (FDLs, por sus siglas en inglés), demostrando su eficiencia para evitar el escape por túnel de portadores desde el QD al material anfitrión. Analizamos la relación existente entre el escape por túnel y la preservación del voltaje, y proponemos las medidas de eficiencia cuántica en función de la tensión como una herramienta útil para evaluar la limitación del voltaje relacionada con el túnel en QD-IBSCs. Además, realizamos medidas de luminiscencia en función de la temperatura en muestras de InAs/GaAs y verificamos que los resltados obtenidos están en coherencia con la separación de los quasi-niveles de Fermi de la IB y la CB a baja temperatura. Con objeto de contribuir a la capacidad de fabricación y caracterización del Instituto de Energía Solar de la Universidad Politécnica de Madrid (IES-UPM), hemos participado en la instalación y puesta en marcha de un reactor de epitaxia de haz molecular (MBE, por sus siglas en inglés) y el desarrollo de un equipo de caracterización de foto y electroluminiscencia. Utilizando dicho reactor MBE, hemos crecido, y posteriormente caracterizado, la primera QD-IBSC enteramente fabricada en el IES-UPM. ABSTRACT The constituent work of this Thesis is framed in the research on intermediate band solar cells (IBSCs). This concept offers the possibility of achieving devices with high photovoltaic-conversion efficiency. Up to now, the fundamentals of operation of IBSCs have been demonstrated experimentally; however, this has only been possible at low temperatures. The intermediate band (IB) concept demands thermal decoupling between the IB and the valence and conduction bands. Stateof- the-art IB materials exhibit a too strong thermal coupling between the IB and one of the other two bands, which prevents the proper operation of IBSCs at room temperature. In the particular case of InAs/GaAs quantum-dot (QD) IBSCs - as of today, the most widely studied IBSC technology - , there exist fast thermal carrier exchange between the IB and the conduction band (CB), for two reasons: (1) a narrow (< 0.2 eV) energy gap between the IB and the CB, EL, and (2) the existence of multiple electronic levels between them. Reason (1) also implies that maximum achievable efficiency is below the theoretical limit for the ideal IBSC, in which EL = 0.71 eV. In this context, our work focuses on the study of wide-bandgap QD-IBSCs. We have fabricated and experimentally investigated the first QD-IBSC prototypes in which AlGaAs or InGaP is the host material for the InAs QDs. We demonstrate an improved bandgap distribution, compared to the InAs/GaAs case, in our wide-bandgap devices. In particular, we have measured values of EL higher than 0.4 eV. In the case of the AlGaAs prototypes, the increase in EL comes with an increase of more than 100 meV of the activation energy of the thermal carrier escape. In addition, in our InAs/AlGaAs devices, we demonstrate voltage up-conversion; i. e., the production of an open-circuit voltage larger than the photon energy (divided by the electron charge) of the incident monochromatic beam, and the achievement of voltage preservation at room temperature under concentrated white-light illumination. We also analyze the potential of an IB material for infrared detection. We present a IB-based new concept of infrared photodetector that we have called the optically triggered infrared photodetector (OTIP). Our novel device is based on a new physical principle that allows the detection of infrared light to be switched ON and OFF by means of an external light. We have fabricated an OTIP based on InAs/AlGaAs QDs with which we demonstrate normal incidence photodetection in the 2-6 /xm range optically triggered by a 590 nm light-emitting diode. The theoretical study of the IB-assisted detection mechanism in the OTIP leads us to questioning the assumption of flat quasi-Fermi levels in the space-charge region of a solar cell. Based on device simulations, we prove and explain why this assumption is not valid under short-circuit and illumination conditions. We perform new experimental studies on InAs/GaAs QD-IBSC prototypes in order to gain knowledge on yet unexplored aspects of the performance of these devices. Specifically, we analyze the impact of the use of field-damping layers, and demonstrate this technique to be efficient for avoiding tunnel carrier escape from the QDs to the host material. We analyze the relationship between tunnel escape and voltage preservation, and propose voltage-dependent quantum efficiency measurements as an useful technique for assessing the tunneling-related limitation to the voltage preservation of QD-IBSC prototypes. Moreover, we perform temperature-dependent luminescence studies on InAs/GaAs samples and verify that the results are consistent with a split of the quasi-Fermi levels for the CB and the IB at low temperature. In order to contribute to the fabrication and characterization capabilities of the Solar Energy Institute of the Universidad Polite´cnica de Madrid (IES-UPM), we have participated in the installation and start-up of an molecular beam epitaxy (MBE) reactor and the development of a photo and electroluminescence characterization set-up. Using the MBE reactor, we have manufactured and characterized the first QD-IBSC fully fabricated at the IES-UPM.

Selected topics in the Hydrodynamics of floating offshore wind turbines: heave damping and second order surge motions

La Energía eléctrica producida mediante tecnología eólica flotante es uno de los recursos más prometedores para reducir la dependencia de energía proveniente de combustibles fósiles. Esta tecnología es de especial interés en países como España, donde la plataforma continental es estrecha y existen pocas áreas para el desarrollo de estructuras fijas. Entre los diferentes conceptos flotantes, esta tesis se ha ocupado de la tipología semisumergible. Estas plataformas pueden experimentar movimientos resonantes en largada y arfada. En largada, dado que el periodo de resonancia es largo estos puede ser inducidos por efectos de segundo orden de deriva lenta que pueden tener una influencia muy significativa en las cargas en los fondeos. En arfada las fuerzas de primer orden pueden inducir grandes movimientos y por tanto la correcta determinación del amortiguamiento es esencial para la analizar la operatividad de la plataforma. Esta tesis ha investigado estos dos efectos, para ello se ha usado como caso base el diseño de una plataforma desarrollada en el proyecto Europeo Hiprwind. La plataforma se compone de 3 columnas cilíndricas unidas mediante montantes estructurales horizontales y diagonales, Los cilindros proporcionan flotabilidad y momentos adrizante. A la base de cada columna se le ha añadido un gran “Heave Plate” o placa de cierre. El diseño es similar a otros diseños previos (Windfloat). Se ha fabricado un modelo a escala de una de las columnas para el estudio detallado del amortiguamiento mediante oscilaciones forzadas. Las dimensiones del modelo (1m diámetro en la placa de cierre) lo hacen, de los conocidos por el candidato, el mayor para el que se han publicado datos. El diseño del cilindro se ha realizado de tal manera que permite la fijación de placas de cierre planas o con refuerzo, ambos modelos se han fabricado y analizado. El modelo con refuerzos es una reproducción exacta del diseño a escala real incluyendo detalles distintivos del mismo, siendo el más importante la placa vertical perimetral. Los ensayos de oscilaciones forzadas se han realizado para un rango de frecuencias, tanto para el disco plano como el reforzado. Se han medido las fuerzas durante los ensayos y se han calculado los coeficientes de amortiguamiento y de masa añadida. Estos coeficientes son necesarios para el cálculo del fondeo mediante simulaciones en el dominio del tiempo. Los coeficientes calculados se han comparado con la literatura existente, con cálculos potenciales y por ultimo con cálculos CFD. Para disponer de información relevante para el diseño estructural de la plataforma se han medido y analizado experimentalmente las presiones en la parte superior e inferior de cada placa de cierre. Para la correcta estimación numérica de las fuerzas de deriva lenta en la plataforma se ha realizado una campaña experimental que incluye ensayos con modelo cautivo de la plataforma completa en olas bicromaticas. Pese a que estos experimentos no reproducen un escenario de oleaje realista, los mismos permiten una verificación del modelo numérico mediante la comparación de fuerzas medidas en el modelo físico y el numérico. Como resultados de esta tesis podemos enumerar las siguientes conclusiones. 1. El amortiguamiento y la masa añadida muestran una pequeña dependencia con la frecuencia pero una gran dependencia con la amplitud del movimiento. siendo coherente con investigaciones existentes. 2. Las medidas con la placa de cierre reforzada con cierre vertical en el borde, muestra un amortiguamiento significativamente menor comparada con la placa plana. Esto implica que para ensayos de canal es necesario incluir estos detalles en el modelo. 3. La masa añadida no muestra grandes variaciones comparando placa plana y placa con refuerzos. 4. Un coeficiente de amortiguamiento del 6% del crítico se puede considerar conservador para el cálculo en el dominio de la frecuencia. Este amortiguamiento es equivalente a un coeficiente de “drag” de 4 en elementos de Morison cuadráticos en las placas de cierre usadas en simulaciones en el dominio del tiempo. 5. Se han encontrado discrepancias en algunos valores de masa añadida y amortiguamiento de la placa plana al comparar con datos publicados. Se han propuesto algunas explicaciones basadas en las diferencias en la relación de espesores, en la distancia a la superficie libre y también relacionadas con efectos de escala. 6. La presión en la placa con refuerzos son similares a las de la placa plana, excepto en la zona del borde donde la placa con refuerzo vertical induce una gran diferencias de presiones entre la cara superior e inferior. 7. La máxima diferencia de presión escala coherentemente con la fuerza equivalente a la aceleración de la masa añadida distribuida sobre la placa. 8. Las masas añadidas calculadas con el código potencial (WADAM) no son suficientemente precisas, Este software no contempla el modelado de placas de pequeño espesor con dipolos, la poca precisión de los resultados aumenta la importancia de este tipo de elementos al realizar simulaciones con códigos potenciales para este tipo de plataformas que incluyen elementos de poco espesor. 9. Respecto al código CFD (Ansys CFX) la precisión de los cálculos es razonable para la placa plana, esta precisión disminuye para la placa con refuerzo vertical en el borde, como era de esperar dado la mayor complejidad del flujo. 10. Respecto al segundo orden, los resultados, en general, muestran que, aunque la tendencia en las fuerzas de segundo orden se captura bien con los códigos numéricos, se observan algunas reducciones en comparación con los datos experimentales. Las diferencias entre simulaciones y datos experimentales son mayores al usar la aproximación de Newman, que usa únicamente resultados de primer orden para el cálculo de las fuerzas de deriva media. 11. Es importante remarcar que las tendencias observadas en los resultados con modelo fijo cambiarn cuando el modelo este libre, el impacto que los errores en las estimaciones de fuerzas segundo orden tienen en el sistema de fondeo dependen de las condiciones ambientales que imponen las cargas ultimas en dichas líneas. En cualquier caso los resultados que se han obtenido en esta investigación confirman que es necesaria y deseable una detallada investigación de los métodos usados en la estimación de las fuerzas no lineales en las turbinas flotantes para que pueda servir de guía en futuros diseños de estos sistemas. Finalmente, el candidato espera que esta investigación pueda beneficiar a la industria eólica offshore en mejorar el diseño hidrodinámico del concepto semisumergible. ABSTRACT Electrical power obtained from floating offshore wind turbines is one of the promising resources which can reduce the fossil fuel energy consumption and cover worldwide energy demands. The concept is the most competitive in countries, such as Spain, where the continental shelf is narrow and does not provide space for fixed structures. Among the different floating structures concepts, this thesis has dealt with the semisubmersible one. Platforms of this kind may experience resonant motions both in surge and heave directions. In surge, since the platform natural period is long, such resonance can be excited with second order slow drift forces and may have substantial influence on mooring loads. In heave, first order forces can induce significant motion, whose damping is a crucial factor for the platform downtime. These two topics have been investigated in this thesis. To this aim, a design developed during HiPRWind EU project, has been selected as reference case study. The platform is composed of three cylindrical legs, linked together by a set of structural braces. The cylinders provide buoyancy and restoring forces and moments. Large circular heave plates have been attached to their bases. The design is similar to other documented in literature (e.g. Windfloat), which implies outcomes could have a general value. A large scale model of one of the legs has been built in order to study heave damping through forced oscillations. The final dimensions of the specimen (one meter diameter discs) make it, to the candidate’s knowledge, the largest for which data has been published. The model design allows for the fitting of either a plain solid heave plate or a flapped reinforced one; both have been built. The latter is a model scale reproduction of the prototype heave plate and includes some distinctive features, the most important being the inclusion of a vertical flap on its perimeter. The forced oscillation tests have been conducted for a range of frequencies and amplitudes, with both the solid plain model and the vertical flap one. Forces have been measured, from which added mass and damping coefficients have been obtained. These are necessary to accurately compute time-domain simulations of mooring design. The coefficients have been compared with literature, and potential flow and CFD predictions. In order to provide information for the structural design of the platform, pressure measurements on the top and bottom side of the heave discs have been recorded and pressure differences analyzed. In addition, in order to conduct a detailed investigation on the numerical estimations of the slow-drift forces of the HiPRWind platform, an experimental campaign involving captive (fixed) model tests of a model of the whole platform in bichromatic waves has been carried out. Although not reproducing the more realistic scenario, these tests allowed a preliminary verification of the numerical model based directly on the forces measured on the structure. The following outcomes can be enumerated: 1. Damping and added mass coefficients show, on one hand, a small dependence with frequency and, on the other hand, a large dependence with the motion amplitude, which is coherent with previously published research. 2. Measurements with the prototype plate, equipped with the vertical flap, show that damping drops significantly when comparing this to the plain one. This implies that, for tank tests of the whole floater and turbine, the prototype plate, equipped with the flap, should be incorporated to the model. 3. Added mass values do not suffer large alterations when comparing the plain plate and the one equipped with a vertical flap. 4. A conservative damping coefficient equal to 6% of the critical damping can be considered adequate for the prototype heave plate for frequency domain analysis. A corresponding drag coefficient equal to 4.0 can be used in time domain simulations to define Morison elements. 5. When comparing to published data, some discrepancies in added mass and damping coefficients for the solid plain plate have been found. Explanations have been suggested, focusing mainly on differences in thickness ratio and distance to the free surface, and eventual scale effects. 6. Pressures on the plate equipped with the vertical flap are similar in magnitude to those of the plain plate, even though substantial differences are present close to the edge, where the flap induces a larger pressure difference in the reinforced case. 7. The maximum pressure difference scales coherently with the force equivalent to the acceleration of the added mass, distributed over the disc surface. 8. Added mass coefficient values predicted with the potential solver (WADAM) are not accurate enough. The used solver does not contemplate modeling thin plates with doublets. The relatively low accuracy of the results highlights the importance of these elements when performing potential flow simulations of offshore platforms which include thin plates. 9. For the full CFD solver (Ansys CFX), the accuracy of the computations is found reasonable for the plain plate. Such accuracy diminishes for the disc equipped with a vertical flap, an expected result considering the greater complexity of the flow. 10. In regards to second order effects, in general, the results showed that, although the main trend in the behavior of the second-order forces is well captured by the numerical predictions, some under prediction of the experimental values is visible. The gap between experimental and numerical results is more pronounced when Newman’s approximation is considered, making use exclusively of the mean drift forces calculated in the first-order solution. 11. It should be observed that the trends observed in the fixed model test may change when the body is free to float, and the impact that eventual errors in the estimation of the second-order forces may have on the mooring system depends on the characteristics of the sea conditions that will ultimately impose the maximum loads on the mooring lines. Nevertheless, the preliminary results obtained in this research do confirm that a more detailed investigation of the methods adopted for the estimation of the nonlinear wave forces on the FOWT would be welcome and may provide some further guidance for the design of such systems. As a final remark, the candidate hopes this research can benefit the offshore wind industry in improving the hydrodynamic design of the semi-submersible concept.

Electron transport and azimuthal oscillations in hall thrusters

The Hall Effect Thruster (HET) is a type of satellite electric propulsion device initially developed in the 1960’s independently by USA and the former USSR. The development continued in the shadow during the 1970’s in the Soviet Union to reach a mature status from the technological point of view in the 1980’s. In the 1990’s the advanced state of this Russian technology became known in western countries, which rapidly restarted the analysis and development of modern Hall thrusters. Currently, there are several companies in USA, Russia and Europe manufacturing Hall thrusters for operational use. The main applications of these thrusters are low-thrust propulsion of interplanetary probes, orbital raising of satellites and stationkeeping of geostationary satellites. However, despite the well proven in-flight experience, the physics of the Hall Thruster are not completely understood yet. Over the last two decades large efforts have been dedicated to the understanding of the physics of Hall Effect thrusters. However, the so-called anomalous diffusion, short name for an excessive electron conductivity along the thruster, is not yet fully understood as it cannot be explained with classical collisional theories. One commonly accepted explanation is the existence of azimuthal oscillations with correlated plasma density and electric field fluctuations. In fact, there is experimental evidence of the presence of an azimuthal oscillation in the low frequency range (a few kHz). This oscillation, usually called spoke, was first detected empirically by Janes and Lowder in the 1960s. More recently several experiments have shown the existence of this type of oscillation in various modern Hall thrusters. Given the frequency range, it is likely that the ionization is the cause of the spoke oscillation, like for the breathing mode oscillation. In the high frequency range (a few MHz), electron-drift azimuthal oscillations have been detected in recent experiments, in line with the oscillations measured by Esipchuk and Tilinin in the 1970’s. Even though these low and high frequency azimuthal oscillations have been known for quite some time already, the physics behind them are not yet clear and their possible relation with the anomalous diffusion process remains an unknown. This work aims at analysing from a theoretical point of view and via computer simulations the possible relation between the azimuthal oscillations and the anomalous electron transport in HET. In order to achieve this main objective, two approaches are considered: local linear stability analyses and global linear stability analyses. The use of local linear stability analyses shall allow identifying the dominant terms in the promotion of the oscillations. However, these analyses do not take into account properly the axial variation of the plasma properties along the thruster. On the other hand, global linear stability analyses do account for these axial variations and shall allow determining how the azimuthal oscillations are promoted and their possible relation with the electron transport.

Methodologies for Collision Risk Computation = Metodologías para Cálculo de Riesgo de Colisión

Esta tesis aborda metodologías para el cálculo de riesgo de colisión de satélites. La minimización del riesgo de colisión se debe abordar desde dos puntos de vista distintos. Desde el punto de vista operacional, es necesario filtrar los objetos que pueden presentar un encuentro entre todos los objetos que comparten el espacio con un satélite operacional. Puesto que las órbitas, del objeto operacional y del objeto envuelto en la colisión, no se conocen perfectamente, la geometría del encuentro y el riesgo de colisión deben ser evaluados. De acuerdo con dicha geometría o riesgo, una maniobra evasiva puede ser necesaria para evitar la colisión. Dichas maniobras implican un consumo de combustible que impacta en la capacidad de mantenimiento orbital y por tanto de la visa útil del satélite. Por tanto, el combustible necesario a lo largo de la vida útil de un satélite debe ser estimado en fase de diseño de la misión para una correcta definición de su vida útil, especialmente para satélites orbitando en regímenes orbitales muy poblados. Los dos aspectos, diseño de misión y aspectos operacionales en relación con el riesgo de colisión están abordados en esta tesis y se resumen en la Figura 3. En relación con los aspectos relacionados con el diseño de misión (parte inferior de la figura), es necesario evaluar estadísticamente las características de de la población espacial y las teorías que permiten calcular el número medio de eventos encontrados por una misión y su capacidad de reducir riesgo de colisión. Estos dos aspectos definen los procedimientos más apropiados para reducir el riesgo de colisión en fase operacional. Este aspecto es abordado, comenzando por la teoría descrita en [Sánchez-Ortiz, 2006]T.14 e implementada por el autor de esta tesis en la herramienta ARES [Sánchez-Ortiz, 2004b]T.15 proporcionada por ESA para la evaluación de estrategias de evitación de colisión. Esta teoría es extendida en esta tesis para considerar las características de los datos orbitales disponibles en las fases operacionales de un satélite (sección 4.3.3). Además, esta teoría se ha extendido para considerar riesgo máximo de colisión cuando la incertidumbre de las órbitas de objetos catalogados no es conocida (como se da el caso para los TLE), y en el caso de querer sólo considerar riesgo de colisión catastrófico (sección 4.3.2.3). Dichas mejoras se han incluido en la nueva versión de ARES [Domínguez-González and Sánchez-Ortiz, 2012b]T.12 puesta a disposición a través de [SDUP,2014]R.60. En fase operacional, los catálogos que proporcionan datos orbitales de los objetos espaciales, son procesados rutinariamente, para identificar posibles encuentros que se analizan en base a algoritmos de cálculo de riesgo de colisión para proponer maniobras de evasión. Actualmente existe una única fuente de datos públicos, el catálogo TLE (de sus siglas en inglés, Two Line Elements). Además, el Joint Space Operation Center (JSpOC) Americano proporciona mensajes con alertas de colisión (CSM) cuando el sistema de vigilancia americano identifica un posible encuentro. En función de los datos usados en fase operacional (TLE o CSM), la estrategia de evitación puede ser diferente debido a las características de dicha información. Es preciso conocer las principales características de los datos disponibles (respecto a la precisión de los datos orbitales) para estimar los posibles eventos de colisión encontrados por un satélite a lo largo de su vida útil. En caso de los TLE, cuya precisión orbital no es proporcionada, la información de precisión orbital derivada de un análisis estadístico se puede usar también en el proceso operacional así como en el diseño de la misión. En caso de utilizar CSM como base de las operaciones de evitación de colisiones, se conoce la precisión orbital de los dos objetos involucrados. Estas características se han analizado en detalle, evaluando estadísticamente las características de ambos tipos de datos. Una vez concluido dicho análisis, se ha analizado el impacto de utilizar TLE o CSM en las operaciones del satélite (sección 5.1). Este análisis se ha publicado en una revista especializada [Sánchez-Ortiz, 2015b]T.3. En dicho análisis, se proporcionan recomendaciones para distintas misiones (tamaño del satélite y régimen orbital) en relación con las estrategias de evitación de colisión para reducir el riesgo de colisión de manera significativa. Por ejemplo, en el caso de un satélite en órbita heliosíncrona en régimen orbital LEO, el valor típico del ACPL que se usa de manera extendida es 10-4. Este valor no es adecuado cuando los esquemas de evitación de colisión se realizan sobre datos TLE. En este caso, la capacidad de reducción de riesgo es prácticamente nula (debido a las grandes incertidumbres de los datos TLE) incluso para tiempos cortos de predicción. Para conseguir una reducción significativa del riesgo, sería necesario usar un ACPL en torno a 10-6 o inferior, produciendo unas 10 alarmas al año por satélite (considerando predicciones a un día) o 100 alarmas al año (con predicciones a tres días). Por tanto, la principal conclusión es la falta de idoneidad de los datos TLE para el cálculo de eventos de colisión. Al contrario, usando los datos CSM, debido a su mejor precisión orbital, se puede obtener una reducción significativa del riesgo con ACPL en torno a 10-4 (considerando 3 días de predicción). Incluso 5 días de predicción pueden ser considerados con ACPL en torno a 10-5. Incluso tiempos de predicción más largos se pueden usar (7 días) con reducción del 90% del riesgo y unas 5 alarmas al año (en caso de predicciones de 5 días, el número de maniobras se mantiene en unas 2 al año). La dinámica en GEO es diferente al caso LEO y hace que el crecimiento de las incertidumbres orbitales con el tiempo de propagación sea menor. Por el contrario, las incertidumbres derivadas de la determinación orbital son peores que en LEO por las diferencias en las capacidades de observación de uno y otro régimen orbital. Además, se debe considerar que los tiempos de predicción considerados para LEO pueden no ser apropiados para el caso de un satélite GEO (puesto que tiene un periodo orbital mayor). En este caso usando datos TLE, una reducción significativa del riesgo sólo se consigue con valores pequeños de ACPL, produciendo una alarma por año cuando los eventos de colisión se predicen a un día vista (tiempo muy corto para implementar maniobras de evitación de colisión).Valores más adecuados de ACPL se encuentran entre 5•10-8 y 10-7, muy por debajo de los valores usados en las operaciones actuales de la mayoría de las misiones GEO (de nuevo, no se recomienda en este régimen orbital basar las estrategias de evitación de colisión en TLE). Los datos CSM permiten una reducción de riesgo apropiada con ACPL entre 10-5 y 10-4 con tiempos de predicción cortos y medios (10-5 se recomienda para predicciones a 5 o 7 días). El número de maniobras realizadas sería una en 10 años de misión. Se debe notar que estos cálculos están realizados para un satélite de unos 2 metros de radio. En el futuro, otros sistemas de vigilancia espacial (como el programa SSA de la ESA), proporcionarán catálogos adicionales de objetos espaciales con el objetivo de reducir el riesgo de colisión de los satélites. Para definir dichos sistemas de vigilancia, es necesario identificar las prestaciones del catalogo en función de la reducción de riesgo que se pretende conseguir. Las características del catálogo que afectan principalmente a dicha capacidad son la cobertura (número de objetos incluidos en el catalogo, limitado principalmente por el tamaño mínimo de los objetos en función de las limitaciones de los sensores utilizados) y la precisión de los datos orbitales (derivada de las prestaciones de los sensores en relación con la precisión de las medidas y la capacidad de re-observación de los objetos). El resultado de dicho análisis (sección 5.2) se ha publicado en una revista especializada [Sánchez-Ortiz, 2015a]T.2. Este análisis no estaba inicialmente previsto durante la tesis, y permite mostrar como la teoría descrita en esta tesis, inicialmente definida para facilitar el diseño de misiones (parte superior de la figura 1) se ha extendido y se puede aplicar para otros propósitos como el dimensionado de un sistema de vigilancia espacial (parte inferior de la figura 1). La principal diferencia de los dos análisis se basa en considerar las capacidades de catalogación (precisión y tamaño de objetos observados) como una variable a modificar en el caso de un diseño de un sistema de vigilancia), siendo fijas en el caso de un diseño de misión. En el caso de las salidas generadas en el análisis, todos los aspectos calculados en un análisis estadístico de riesgo de colisión son importantes para diseño de misión (con el objetivo de calcular la estrategia de evitación y la cantidad de combustible a utilizar), mientras que en el caso de un diseño de un sistema de vigilancia, los aspectos más importantes son el número de maniobras y falsas alarmas (fiabilidad del sistema) y la capacidad de reducción de riesgo (efectividad del sistema). Adicionalmente, un sistema de vigilancia espacial debe ser caracterizado por su capacidad de evitar colisiones catastróficas (evitando así in incremento dramático de la población de basura espacial), mientras que el diseño de una misión debe considerar todo tipo de encuentros, puesto que un operador está interesado en evitar tanto las colisiones catastróficas como las letales. Del análisis de las prestaciones (tamaño de objetos a catalogar y precisión orbital) requeridas a un sistema de vigilancia espacial se concluye que ambos aspectos han de ser fijados de manera diferente para los distintos regímenes orbitales. En el caso de LEO se hace necesario observar objetos de hasta 5cm de radio, mientras que en GEO se rebaja este requisito hasta los 100 cm para cubrir las colisiones catastróficas. La razón principal para esta diferencia viene de las diferentes velocidades relativas entre los objetos en ambos regímenes orbitales. En relación con la precisión orbital, ésta ha de ser muy buena en LEO para poder reducir el número de falsas alarmas, mientras que en regímenes orbitales más altos se pueden considerar precisiones medias. En relación con los aspectos operaciones de la determinación de riesgo de colisión, existen varios algoritmos de cálculo de riesgo entre dos objetos espaciales. La Figura 2 proporciona un resumen de los casos en cuanto a algoritmos de cálculo de riesgo de colisión y como se abordan en esta tesis. Normalmente se consideran objetos esféricos para simplificar el cálculo de riesgo (caso A). Este caso está ampliamente abordado en la literatura y no se analiza en detalle en esta tesis. Un caso de ejemplo se proporciona en la sección 4.2. Considerar la forma real de los objetos (caso B) permite calcular el riesgo de una manera más precisa. Un nuevo algoritmo es definido en esta tesis para calcular el riesgo de colisión cuando al menos uno de los objetos se considera complejo (sección 4.4.2). Dicho algoritmo permite calcular el riesgo de colisión para objetos formados por un conjunto de cajas, y se ha presentado en varias conferencias internacionales. Para evaluar las prestaciones de dicho algoritmo, sus resultados se han comparado con un análisis de Monte Carlo que se ha definido para considerar colisiones entre cajas de manera adecuada (sección 4.1.2.3), pues la búsqueda de colisiones simples aplicables para objetos esféricos no es aplicable a este caso. Este análisis de Monte Carlo se considera la verdad a la hora de calcular los resultados del algoritmos, dicha comparativa se presenta en la sección 4.4.4. En el caso de satélites que no se pueden considerar esféricos, el uso de un modelo de la geometría del satélite permite descartar eventos que no son colisiones reales o estimar con mayor precisión el riesgo asociado a un evento. El uso de estos algoritmos con geometrías complejas es más relevante para objetos de dimensiones grandes debido a las prestaciones de precisión orbital actuales. En el futuro, si los sistemas de vigilancia mejoran y las órbitas son conocidas con mayor precisión, la importancia de considerar la geometría real de los satélites será cada vez más relevante. La sección 5.4 presenta un ejemplo para un sistema de grandes dimensiones (satélite con un tether). Adicionalmente, si los dos objetos involucrados en la colisión tienen velocidad relativa baja (y geometría simple, Caso C en la Figura 2), la mayor parte de los algoritmos no son aplicables requiriendo implementaciones dedicadas para este caso particular. En esta tesis, uno de estos algoritmos presentado en la literatura [Patera, 2001]R.26 se ha analizado para determinar su idoneidad en distintos tipos de eventos (sección 4.5). La evaluación frete a un análisis de Monte Carlo se proporciona en la sección 4.5.2. Tras este análisis, se ha considerado adecuado para abordar las colisiones de baja velocidad. En particular, se ha concluido que el uso de algoritmos dedicados para baja velocidad son necesarios en función del tamaño del volumen de colisión proyectado en el plano de encuentro (B-plane) y del tamaño de la incertidumbre asociada al vector posición entre los dos objetos. Para incertidumbres grandes, estos algoritmos se hacen más necesarios pues la duración del intervalo en que los elipsoides de error de los dos objetos pueden intersecar es mayor. Dicho algoritmo se ha probado integrando el algoritmo de colisión para objetos con geometrías complejas. El resultado de dicho análisis muestra que este algoritmo puede ser extendido fácilmente para considerar diferentes tipos de algoritmos de cálculo de riesgo de colisión (sección 4.5.3). Ambos algoritmos, junto con el método Monte Carlo para geometrías complejas, se han implementado en la herramienta operacional de la ESA CORAM, que es utilizada para evaluar el riesgo de colisión en las actividades rutinarias de los satélites operados por ESA [Sánchez-Ortiz, 2013a]T.11. Este hecho muestra el interés y relevancia de los algoritmos desarrollados para la mejora de las operaciones de los satélites. Dichos algoritmos han sido presentados en varias conferencias internacionales [Sánchez-Ortiz, 2013b]T.9, [Pulido, 2014]T.7,[Grande-Olalla, 2013]T.10, [Pulido, 2014]T.5, [Sánchez-Ortiz, 2015c]T.1. ABSTRACT This document addresses methodologies for computation of the collision risk of a satellite. Two different approaches need to be considered for collision risk minimisation. On an operational basis, it is needed to perform a sieve of possible objects approaching the satellite, among all objects sharing the space with an operational satellite. As the orbits of both, satellite and the eventual collider, are not perfectly known but only estimated, the miss-encounter geometry and the actual risk of collision shall be evaluated. In the basis of the encounter geometry or the risk, an eventual manoeuvre may be required to avoid the conjunction. Those manoeuvres will be associated to a reduction in the fuel for the mission orbit maintenance, and thus, may reduce the satellite operational lifetime. Thus, avoidance manoeuvre fuel budget shall be estimated, at mission design phase, for a better estimation of mission lifetime, especially for those satellites orbiting in very populated orbital regimes. These two aspects, mission design and operational collision risk aspects, are summarised in Figure 3, and covered along this thesis. Bottom part of the figure identifies the aspects to be consider for the mission design phase (statistical characterisation of the space object population data and theory computing the mean number of events and risk reduction capability) which will define the most appropriate collision avoidance approach at mission operational phase. This part is covered in this work by starting from the theory described in [Sánchez-Ortiz, 2006]T.14 and implemented by this author in ARES tool [Sánchez-Ortiz, 2004b]T.15 provided by ESA for evaluation of collision avoidance approaches. This methodology has been now extended to account for the particular features of the available data sets in operational environment (section 4.3.3). Additionally, the formulation has been extended to allow evaluating risk computation approached when orbital uncertainty is not available (like the TLE case) and when only catastrophic collisions are subject to study (section 4.3.2.3). These improvements to the theory have been included in the new version of ESA ARES tool [Domínguez-González and Sánchez-Ortiz, 2012b]T.12 and available through [SDUP,2014]R.60. At the operation phase, the real catalogue data will be processed on a routine basis, with adequate collision risk computation algorithms to propose conjunction avoidance manoeuvre optimised for every event. The optimisation of manoeuvres in an operational basis is not approached along this document. Currently, American Two Line Element (TLE) catalogue is the only public source of data providing orbits of objects in space to identify eventual conjunction events. Additionally, Conjunction Summary Message (CSM) is provided by Joint Space Operation Center (JSpOC) when the American system identifies a possible collision among satellites and debris. Depending on the data used for collision avoidance evaluation, the conjunction avoidance approach may be different. The main features of currently available data need to be analysed (in regards to accuracy) in order to perform estimation of eventual encounters to be found along the mission lifetime. In the case of TLE, as these data is not provided with accuracy information, operational collision avoidance may be also based on statistical accuracy information as the one used in the mission design approach. This is not the case for CSM data, which includes the state vector and orbital accuracy of the two involved objects. This aspect has been analysed in detail and is depicted in the document, evaluating in statistical way the characteristics of both data sets in regards to the main aspects related to collision avoidance. Once the analysis of data set was completed, investigations on the impact of those features in the most convenient avoidance approaches have been addressed (section 5.1). This analysis is published in a peer-reviewed journal [Sánchez-Ortiz, 2015b]T.3. The analysis provides recommendations for different mission types (satellite size and orbital regime) in regards to the most appropriate collision avoidance approach for relevant risk reduction. The risk reduction capability is very much dependent on the accuracy of the catalogue utilized to identify eventual collisions. Approaches based on CSM data are recommended against the TLE based approach. Some approaches based on the maximum risk associated to envisaged encounters are demonstrated to report a very large number of events, which makes the approach not suitable for operational activities. Accepted Collision Probability Levels are recommended for the definition of the avoidance strategies for different mission types. For example for the case of a LEO satellite in the Sun-synchronous regime, the typically used ACPL value of 10-4 is not a suitable value for collision avoidance schemes based on TLE data. In this case the risk reduction capacity is almost null (due to the large uncertainties associated to TLE data sets, even for short time-to-event values). For significant reduction of risk when using TLE data, ACPL on the order of 10-6 (or lower) seems to be required, producing about 10 warnings per year and mission (if one-day ahead events are considered) or 100 warnings per year (for three-days ahead estimations). Thus, the main conclusion from these results is the lack of feasibility of TLE for a proper collision avoidance approach. On the contrary, for CSM data, and due to the better accuracy of the orbital information when compared with TLE, ACPL on the order of 10-4 allows to significantly reduce the risk. This is true for events estimated up to 3 days ahead. Even 5 days ahead events can be considered, but ACPL values down to 10-5 should be considered in such case. Even larger prediction times can be considered (7 days) for risk reduction about 90%, at the cost of larger number of warnings up to 5 events per year, when 5 days prediction allows to keep the manoeuvre rate in 2 manoeuvres per year. Dynamics of the GEO orbits is different to that in LEO, impacting on a lower increase of orbits uncertainty along time. On the contrary, uncertainties at short prediction times at this orbital regime are larger than those at LEO due to the differences in observation capabilities. Additionally, it has to be accounted that short prediction times feasible at LEO may not be appropriate for a GEO mission due to the orbital period being much larger at this regime. In the case of TLE data sets, significant reduction of risk is only achieved for small ACPL values, producing about a warning event per year if warnings are raised one day in advance to the event (too short for any reaction to be considered). Suitable ACPL values would lay in between 5•10-8 and 10-7, well below the normal values used in current operations for most of the GEO missions (TLE-based strategies for collision avoidance at this regime are not recommended). On the contrary, CSM data allows a good reduction of risk with ACPL in between 10-5 and 10-4 for short and medium prediction times. 10-5 is recommended for prediction times of five or seven days. The number of events raised for a suitable warning time of seven days would be about one in a 10-year mission. It must be noted, that these results are associated to a 2 m radius spacecraft, impact of the satellite size are also analysed within the thesis. In the future, other Space Situational Awareness Systems (SSA, ESA program) may provide additional catalogues of objects in space with the aim of reducing the risk. It is needed to investigate which are the required performances of those catalogues for allowing such risk reduction. The main performance aspects are coverage (objects included in the catalogue, mainly limited by a minimum object size derived from sensor performances) and the accuracy of the orbital data to accurately evaluate the conjunctions (derived from sensor performance in regards to object observation frequency and accuracy). The results of these investigations (section 5.2) are published in a peer-reviewed journal [Sánchez-Ortiz, 2015a]T.2. This aspect was not initially foreseen as objective of the thesis, but it shows how the theory described in the thesis, initially defined for mission design in regards to avoidance manoeuvre fuel allocation (upper part of figure 1), is extended and serves for additional purposes as dimensioning a Space Surveillance and Tracking (SST) system (bottom part of figure below). The main difference between the two approaches is the consideration of the catalogue features as part of the theory which are not modified (for the satellite mission design case) instead of being an input for the analysis (in the case of the SST design). In regards to the outputs, all the features computed by the statistical conjunction analysis are of importance for mission design (with the objective of proper global avoidance strategy definition and fuel allocation), whereas for the case of SST design, the most relevant aspects are the manoeuvre and false alarm rates (defining a reliable system) and the Risk Reduction capability (driving the effectiveness of the system). In regards to the methodology for computing the risk, the SST system shall be driven by the capacity of providing the means to avoid catastrophic conjunction events (avoiding the dramatic increase of the population), whereas the satellite mission design should consider all type of encounters, as the operator is interested on avoiding both lethal and catastrophic collisions. From the analysis of the SST features (object coverage and orbital uncertainty) for a reliable system, it is concluded that those two characteristics are to be imposed differently for the different orbital regimes, as the population level is different depending on the orbit type. Coverage values range from 5 cm for very populated LEO regime up to 100 cm in the case of GEO region. The difference on this requirement derives mainly from the relative velocity of the encounters at those regimes. Regarding the orbital knowledge of the catalogues, very accurate information is required for objects in the LEO region in order to limit the number of false alarms, whereas intermediate orbital accuracy can be considered for higher orbital regimes. In regards to the operational collision avoidance approaches, several collision risk algorithms are used for evaluation of collision risk of two pair of objects. Figure 2 provides a summary of the different collision risk algorithm cases and indicates how they are covered along this document. The typical case with high relative velocity is well covered in literature for the case of spherical objects (case A), with a large number of available algorithms, that are not analysed in detailed in this work. Only a sample case is provided in section 4.2. If complex geometries are considered (Case B), a more realistic risk evaluation can be computed. New approach for the evaluation of risk in the case of complex geometries is presented in this thesis (section 4.4.2), and it has been presented in several international conferences. The developed algorithm allows evaluating the risk for complex objects formed by a set of boxes. A dedicated Monte Carlo method has also been described (section 4.1.2.3) and implemented to allow the evaluation of the actual collisions among a large number of simulation shots. This Monte Carlo runs are considered the truth for comparison of the algorithm results (section 4.4.4). For spacecrafts that cannot be considered as spheres, the consideration of the real geometry of the objects may allow to discard events which are not real conjunctions, or estimate with larger reliability the risk associated to the event. This is of particular importance for the case of large spacecrafts as the uncertainty in positions of actual catalogues does not reach small values to make a difference for the case of objects below meter size. As the tracking systems improve and the orbits of catalogued objects are known more precisely, the importance of considering actual shapes of the objects will become more relevant. The particular case of a very large system (as a tethered satellite) is analysed in section 5.4. Additionally, if the two colliding objects have low relative velocity (and simple geometries, case C in figure above), the most common collision risk algorithms fail and adequate theories need to be applied. In this document, a low relative velocity algorithm presented in the literature [Patera, 2001]R.26 is described and evaluated (section 4.5). Evaluation through comparison with Monte Carlo approach is provided in section 4.5.2. The main conclusion of this analysis is the suitability of this algorithm for the most common encounter characteristics, and thus it is selected as adequate for collision risk estimation. Its performances are evaluated in order to characterise when it can be safely used for a large variety of encounter characteristics. In particular, it is found that the need of using dedicated algorithms depend on both the size of collision volume in the B-plane and the miss-distance uncertainty. For large uncertainties, the need of such algorithms is more relevant since for small uncertainties the encounter duration where the covariance ellipsoids intersect is smaller. Additionally, its application for the case of complex satellite geometries is assessed (case D in figure above) by integrating the developed algorithm in this thesis with Patera’s formulation for low relative velocity encounters. The results of this analysis show that the algorithm can be easily extended for collision risk estimation process suitable for complex geometry objects (section 4.5.3). The two algorithms, together with the Monte Carlo method, have been implemented in the operational tool CORAM for ESA which is used for the evaluation of collision risk of ESA operated missions, [Sánchez-Ortiz, 2013a]T.11. This fact shows the interest and relevance of the developed algorithms for improvement of satellite operations. The algorithms have been presented in several international conferences, [Sánchez-Ortiz, 2013b]T.9, [Pulido, 2014]T.7,[Grande-Olalla, 2013]T.10, [Pulido, 2014]T.5, [Sánchez-Ortiz, 2015c]T.1.

Optimization of the Integrated Guidance and Control for a Dual Aerodynamic Control Missile

Las futuras misiones para misiles aire-aire operando dentro de la atmósfera requieren la interceptación de blancos a mayores velocidades y más maniobrables, incluyendo los esperados vehículos aéreos de combate no tripulados. La intercepción tiene que lograrse desde cualquier ángulo de lanzamiento. Una de las principales discusiones en la tecnología de misiles en la actualidad es cómo satisfacer estos nuevos requisitos incrementando la capacidad de maniobra del misil y en paralelo, a través de mejoras en los métodos de guiado y control modernos. Esta Tesis aborda estos dos objetivos simultáneamente, al proponer un diseño integrando el guiado y el control de vuelo (autopiloto) y aplicarlo a misiles con control aerodinámico simultáneo en canard y cola. Un primer avance de los resultados obtenidos ha sido publicado recientemente en el Journal of Aerospace Engineering, en Abril de 2015, [Ibarrondo y Sanz-Aranguez, 2015]. El valor del diseño integrado obtenido es que permite al misil cumplir con los requisitos operacionales mencionados empleando únicamente control aerodinámico. El diseño propuesto se compara favorablemente con esquemas más tradicionales, consiguiendo menores distancias de paso al blanco y necesitando de menores esfuerzos de control incluso en presencia de ruidos. En esta Tesis se demostrará cómo la introducción del doble mando, donde tanto el canard como las aletas de cola son móviles, puede mejorar las actuaciones de un misil existente. Comparado con un misil con control en cola, el doble control requiere sólo introducir dos servos adicionales para accionar los canards también en guiñada y cabeceo. La sección de cola será responsable de controlar el misil en balanceo mediante deflexiones diferenciales de los controles. En el caso del doble mando, la complicación añadida es que los vórtices desprendidos de los canards se propagan corriente abajo y pueden incidir sobre las superficies de cola, alterando sus características de control. Como un primer aporte, se ha desarrollado un modelo analítico completo para la aerodinámica no lineal de un misil con doble control, incluyendo la caracterización de este efecto de acoplamiento aerodinámico. Hay dos modos de funcionamiento en picado y guiñada para un misil de doble mando: ”desviación” y ”opuesto”. En modo ”desviación”, los controles actúan en la misma dirección, generando un cambio inmediato en la sustentación y produciendo un movimiento de translación en el misil. La respuesta es rápida, pero en el modo ”desviación” los misiles con doble control pueden tener dificultades para alcanzar grandes ángulos de ataque y altas aceleraciones laterales. Cuando los controles actúan en direcciones opuestas, el misil rota y el ángulo de ataque del fuselaje se incrementa para generar mayores aceleraciones en estado estacionario, aunque el tiempo de respuesta es mayor. Con el modelo aerodinámico completo, es posible obtener una parametrización dependiente de los estados de la dinámica de corto periodo del misil. Debido al efecto de acoplamiento entre los controles, la respuesta en bucle abierto no depende linealmente de los controles. El autopiloto se optimiza para obtener la maniobra requerida por la ley de guiado sin exceder ninguno de los límites aerodinámicos o mecánicos del misil. Una segunda contribución de la tesis es el desarrollo de un autopiloto con múltiples entradas de control y que integra la aerodinámica no lineal, controlando los tres canales de picado, guiñada y cabeceo de forma simultánea. Las ganancias del autopiloto dependen de los estados del misil y se calculan a cada paso de integración mediante la resolución de una ecuación de Riccati de orden 21x21. Las ganancias obtenidas son sub-óptimas, debido a que una solución completa de la ecuación de Hamilton-Jacobi-Bellman no puede obtenerse de manera práctica, y se asumen ciertas simplificaciones. Se incorpora asimismo un mecanismo que permite acelerar la respuesta en caso necesario. Como parte del autopiloto, se define una estrategia para repartir el esfuerzo de control entre el canard y la cola. Esto se consigue mediante un controlador aumentado situado antes del bucle de optimización, que minimiza el esfuerzo total de control para maniobrar. Esta ley de alimentación directa mantiene al misil cerca de sus condiciones de equilibrio, garantizando una respuesta transitoria adecuada. El controlador no lineal elimina la respuesta de fase no-mínima característica de la cola. En esta Tesis se consideran dos diseños para el guiado y control, el control en Doble-Lazo y el control Integrado. En la aproximación de Doble-Lazo, el autopiloto se sitúa dentro de un bucle interior y se diseña independientemente del guiado, que conforma el bucle más exterior del control. Esta estructura asume que existe separación espectral entre los dos, esto es, que los tiempos de respuesta del autopiloto son mucho mayores que los tiempos característicos del guiado. En el estudio se combina el autopiloto desarrollado con una ley de guiado óptimo. Los resultados obtenidos demuestran que se consiguen aumentos muy importantes en las actuaciones frente a misiles con control canard o control en cola, y que la interceptación, cuando se lanza cerca del curso de colisión, se consigue desde cualquier ángulo alrededor del blanco. Para el misil de doble mando, la estrategia óptima resulta en utilizar el modo de control opuesto en la aproximación al blanco y utilizar el modo de desviación justo antes del impacto. Sin embargo la lógica de doble bucle no consigue el impacto cuando hay desviaciones importantes con respecto al curso de colisión. Una de las razones es que parte de la demanda de guiado se pierde, ya que el misil solo es capaz de modificar su aceleración lateral, y no tiene control sobre su aceleración axial, a no ser que incorpore un motor de empuje regulable. La hipótesis de separación mencionada, y que constituye la base del Doble-Bucle, puede no ser aplicable cuando la dinámica del misil es muy alta en las proximidades del blanco. Si se combinan el guiado y el autopiloto en un único bucle, la información de los estados del misil está disponible para el cálculo de la ley de guiado, y puede calcularse la estrategia optima de guiado considerando las capacidades y la actitud del misil. Una tercera contribución de la Tesis es la resolución de este segundo diseño, la integración no lineal del guiado y del autopiloto (IGA) para el misil de doble control. Aproximaciones anteriores en la literatura han planteado este sistema en ejes cuerpo, resultando en un sistema muy inestable debido al bajo amortiguamiento del misil en cabeceo y guiñada. Las simplificaciones que se tomaron también causan que el misil se deslice alrededor del blanco y no consiga la intercepción. En nuestra aproximación el problema se plantea en ejes inerciales y se recurre a la dinámica de los cuaterniones, eliminado estos inconvenientes. No se limita a la dinámica de corto periodo del misil, porque se construye incluyendo de modo explícito la velocidad dentro del bucle de optimización. La formulación resultante en el IGA es independiente de la maniobra del blanco, que sin embargo se ha de incluir en el cálculo del modelo en Doble-bucle. Un típico inconveniente de los sistemas integrados con controlador proporcional, es el problema de las escalas. Los errores de guiado dominan sobre los errores de posición del misil y saturan el controlador, provocando la pérdida del misil. Este problema se ha tratado aquí con un controlador aumentado previo al bucle de optimización, que define un estado de equilibrio local para el sistema integrado, que pasa a actuar como un regulador. Los criterios de actuaciones para el IGA son los mismos que para el sistema de Doble-Bucle. Sin embargo el problema matemático resultante es muy complejo. El problema óptimo para tiempo finito resulta en una ecuación diferencial de Riccati con condiciones terminales, que no puede resolverse. Mediante un cambio de variable y la introducción de una matriz de transición, este problema se transforma en una ecuación diferencial de Lyapunov que puede resolverse mediante métodos numéricos. La solución resultante solo es aplicable en un entorno cercano del blanco. Cuando la distancia entre misil y blanco es mayor, se desarrolla una solución aproximada basada en la solución de una ecuación algebraica de Riccati para cada paso de integración. Los resultados que se han obtenido demuestran, a través de análisis numéricos en distintos escenarios, que la solución integrada es mejor que el sistema de Doble-Bucle. Las trayectorias resultantes son muy distintas. El IGA preserva el guiado del misil y consigue maximizar el uso de la propulsión, consiguiendo la interceptación del blanco en menores tiempos de vuelo. El sistema es capaz de lograr el impacto donde el Doble-Bucle falla, y además requiere un orden menos de magnitud en la cantidad de cálculos necesarios. El efecto de los ruidos radar, datos discretos y errores del radomo se investigan. El IGA es más robusto, resultando menos afectado por perturbaciones que el Doble- Bucle, especialmente porque el núcleo de optimización en el IGA es independiente de la maniobra del blanco. La estimación de la maniobra del blanco es siempre imprecisa y contaminada por ruido, y degrada la precisión de la solución de Doble-Bucle. Finalmente, como una cuarta contribución, se demuestra que el misil con guiado IGA es capaz de realizar una maniobra de defensa contra un blanco que ataque por su cola, sólo con control aerodinámico. Las trayectorias estudiadas consideran una fase pre-programada de alta velocidad de giro, manteniendo siempre el misil dentro de su envuelta de vuelo. Este procedimiento no necesita recurrir a soluciones técnicamente más complejas como el control vectorial del empuje o control por chorro para ejecutar esta maniobra. En todas las demostraciones matemáticas se utiliza el producto de Kronecker como una herramienta practica para manejar las parametrizaciones dependientes de variables, que resultan en matrices de grandes dimensiones. ABSTRACT Future missions for air to air endo-atmospheric missiles require the interception of targets with higher speeds and more maneuverable, including forthcoming unmanned supersonic combat vehicles. The interception will need to be achieved from any angle and off-boresight launch conditions. One of the most significant discussions in missile technology today is how to satisfy these new operational requirements by increasing missile maneuvering capabilities and in parallel, through the development of more advanced guidance and control methods. This Thesis addresses these two objectives by proposing a novel optimal integrated guidance and autopilot design scheme, applicable to more maneuverable missiles with forward and rearward aerodynamic controls. A first insight of these results have been recently published in the Journal of Aerospace Engineering in April 2015, [Ibarrondo and Sanz-Aránguez, 2015]. The value of this integrated solution is that it allows the missile to comply with the aforementioned requirements only by applying aerodynamic control. The proposed design is compared against more traditional guidance and control approaches with positive results, achieving reduced control efforts and lower miss distances with the integrated logic even in the presence of noises. In this Thesis it will be demonstrated how the dual control missile, where canard and tail fins are both movable, can enhance the capabilities of an existing missile airframe. Compared to a tail missile, dual control only requires two additional servos to actuate the canards in pitch and yaw. The tail section will be responsible to maintain the missile stabilized in roll, like in a classic tail missile. The additional complexity is that the vortices shed from the canard propagate downstream where they interact with the tail surfaces, altering the tail expected control characteristics. These aerodynamic phenomena must be properly described, as a preliminary step, with high enough precision for advanced guidance and control studies. As a first contribution we have developed a full analytical model of the nonlinear aerodynamics of a missile with dual control, including the characterization of this cross-control coupling effect. This development has been produced from a theoretical model validated with reliable practical data obtained from wind tunnel experiments available in the scientific literature, complement with computer fluid dynamics and semi-experimental methods. There are two modes of operating a missile with forward and rear controls, ”divert” and ”opposite” modes. In divert mode, controls are deflected in the same direction, generating an increment in direct lift and missile translation. Response is fast, but in this mode, dual control missiles may have difficulties in achieving large angles of attack and high level of lateral accelerations. When controls are deflected in opposite directions (opposite mode) the missile airframe rotates and the body angle of attack is increased to generate greater accelerations in steady-state, although the response time is larger. With the aero-model, a state dependent parametrization of the dual control missile short term dynamics can be obtained. Due to the cross-coupling effect, the open loop dynamics for the dual control missile is not linearly dependent of the fin positions. The short term missile dynamics are blended with the servo system to obtain an extended autopilot model, where the response is linear with the control fins turning rates, that will be the control variables. The flight control loop is optimized to achieve the maneuver required by the guidance law without exceeding any of the missile aerodynamic or mechanical limitations. The specific aero-limitations and relevant performance indicators for the dual control are set as part of the analysis. A second contribution of this Thesis is the development of a step-tracking multi-input autopilot that integrates non-linear aerodynamics. The designed dual control missile autopilot is a full three dimensional autopilot, where roll, pitch and yaw are integrated, calculating command inputs simultaneously. The autopilot control gains are state dependent, and calculated at each integration step solving a matrix Riccati equation of order 21x21. The resulting gains are sub-optimal as a full solution for the Hamilton-Jacobi-Bellman equation cannot be resolved in practical terms and some simplifications are taken. Acceleration mechanisms with an λ-shift is incorporated in the design. As part of the autopilot, a strategy is defined for proper allocation of control effort between canard and tail channels. This is achieved with an augmented feed forward controller that minimizes the total control effort of the missile to maneuver. The feedforward law also maintains the missile near trim conditions, obtaining a well manner response of the missile. The nonlinear controller proves to eliminate the non-minimum phase effect of the tail. Two guidance and control designs have been considered in this Thesis: the Two- Loop and the Integrated approaches. In the Two-Loop approach, the autopilot is placed in an inner loop and designed separately from an outer guidance loop. This structure assumes that spectral separation holds, meaning that the autopilot response times are much higher than the guidance command updates. The developed nonlinear autopilot is linked in the study to an optimal guidance law. Simulations are carried on launching close to collision course against supersonic and highly maneuver targets. Results demonstrate a large boost in performance provided by the dual control versus more traditional canard and tail missiles, where interception with the dual control close to collision course is achieved form 365deg all around the target. It is shown that for the dual control missile the optimal flight strategy results in using opposite control in its approach to target and quick corrections with divert just before impact. However the Two-Loop logic fails to achieve target interception when there are large deviations initially from collision course. One of the reasons is that part of the guidance command is not followed, because the missile is not able to control its axial acceleration without a throttleable engine. Also the separation hypothesis may not be applicable for a high dynamic vehicle like a dual control missile approaching a maneuvering target. If the guidance and autopilot are combined into a single loop, the guidance law will have information of the missile states and could calculate the most optimal approach to the target considering the actual capabilities and attitude of the missile. A third contribution of this Thesis is the resolution of the mentioned second design, the non-linear integrated guidance and autopilot (IGA) problem for the dual control missile. Previous approaches in the literature have posed the problem in body axes, resulting in high unstable behavior due to the low damping of the missile, and have also caused the missile to slide around the target and not actually hitting it. The IGA system is posed here in inertial axes and quaternion dynamics, eliminating these inconveniences. It is not restricted to the missile short term dynamic, and we have explicitly included the missile speed as a state variable. The IGA formulation is also independent of the target maneuver model that is explicitly included in the Two-loop optimal guidance law model. A typical problem of the integrated systems with a proportional control law is the problem of scales. The guidance errors are larger than missile state errors during most of the flight and result in high gains, control saturation and loss of control. It has been addressed here with an integrated feedforward controller that defines a local equilibrium state at each flight point and the controller acts as a regulator to minimize the IGA states excursions versus the defined feedforward state. The performance criteria for the IGA are the same as in the Two-Loop case. However the resulting optimization problem is mathematically very complex. The optimal problem in a finite-time horizon results in an irresoluble state dependent differential Riccati equation with terminal conditions. With a change of variable and the introduction of a transition matrix, the equation is transformed into a time differential Lyapunov equation that can be solved with known numerical methods in real time. This solution results range limited, and applicable when the missile is in a close neighborhood of the target. For larger ranges, an approximate solution is used, obtained from solution of an algebraic matrix Riccati equation at each integration step. The results obtained show, by mean of several comparative numerical tests in diverse homing scenarios, than the integrated approach is a better solution that the Two- Loop scheme. Trajectories obtained are very different in the two cases. The IGA fully preserves the guidance command and it is able to maximize the utilization of the missile propulsion system, achieving interception with lower miss distances and in lower flight times. The IGA can achieve interception against off-boresight targets where the Two- Loop was not able to success. As an additional advantage, the IGA also requires one order of magnitude less calculations than the Two-Loop solution. The effects of radar noises, discrete radar data and radome errors are investigated. IGA solution is robust, and less affected by radar than the Two-Loop, especially because the target maneuvers are not part of the IGA core optimization loop. Estimation of target acceleration is always imprecise and noisy and degrade the performance of the two-Loop solution. The IGA trajectories are such that minimize the impact of radome errors in the guidance loop. Finally, as a fourth contribution, it is demonstrated that the missile with IGA guidance is capable of performing a defense against attacks from its rear hemisphere, as a tail attack, only with aerodynamic control. The studied trajectories have a preprogrammed high rate turn maneuver, maintaining the missile within its controllable envelope. This solution does not recur to more complex features in service today, like vector control of the missile thrust or side thrusters. In all the mathematical treatments and demonstrations, the Kronecker product has been introduced as a practical tool to handle the state dependent parametrizations that have resulted in very high order matrix equations.

Engineering Computational Emotion - A Reference Model for Emotion in Artificial Systems

Emotion is generally argued to be an influence on the behavior of life systems, largely concerning flexibility and adaptivity. The way in which life systems acts in response to a particular situations of the environment, has revealed the decisive and crucial importance of this feature in the success of behaviors. And this source of inspiration has influenced the way of thinking artificial systems. During the last decades, artificial systems have undergone such an evolution that each day more are integrated in our daily life. They have become greater in complexity, and the subsequent effects are related to an increased demand of systems that ensure resilience, robustness, availability, security or safety among others. All of them questions that raise quite a fundamental challenges in control design. This thesis has been developed under the framework of the Autonomous System project, a.k.a the ASys-Project. Short-term objectives of immediate application are focused on to design improved systems, and the approaching of intelligence in control strategies. Besides this, long-term objectives underlying ASys-Project concentrate on high order capabilities such as cognition, awareness and autonomy. This thesis is placed within the general fields of Engineery and Emotion science, and provides a theoretical foundation for engineering and designing computational emotion for artificial systems. The starting question that has grounded this thesis aims the problem of emotion--based autonomy. And how to feedback systems with valuable meaning has conformed the general objective. Both the starting question and the general objective, have underlaid the study of emotion, the influence on systems behavior, the key foundations that justify this feature in life systems, how emotion is integrated within the normal operation, and how this entire problem of emotion can be explained in artificial systems. By assuming essential differences concerning structure, purpose and operation between life and artificial systems, the essential motivation has been the exploration of what emotion solves in nature to afterwards analyze analogies for man--made systems. This work provides a reference model in which a collection of entities, relationships, models, functions and informational artifacts, are all interacting to provide the system with non-explicit knowledge under the form of emotion-like relevances. This solution aims to provide a reference model under which to design solutions for emotional operation, but related to the real needs of artificial systems. The proposal consists of a multi-purpose architecture that implement two broad modules in order to attend: (a) the range of processes related to the environment affectation, and (b) the range or processes related to the emotion perception-like and the higher levels of reasoning. This has required an intense and critical analysis beyond the state of the art around the most relevant theories of emotion and technical systems, in order to obtain the required support for those foundations that sustain each model. The problem has been interpreted and is described on the basis of AGSys, an agent assumed with the minimum rationality as to provide the capability to perform emotional assessment. AGSys is a conceptualization of a Model-based Cognitive agent that embodies an inner agent ESys, the responsible of performing the emotional operation inside of AGSys. The solution consists of multiple computational modules working federated, and aimed at conforming a mutual feedback loop between AGSys and ESys. Throughout this solution, the environment and the effects that might influence over the system are described as different problems. While AGSys operates as a common system within the external environment, ESys is designed to operate within a conceptualized inner environment. And this inner environment is built on the basis of those relevances that might occur inside of AGSys in the interaction with the external environment. This allows for a high-quality separate reasoning concerning mission goals defined in AGSys, and emotional goals defined in ESys. This way, it is provided a possible path for high-level reasoning under the influence of goals congruence. High-level reasoning model uses knowledge about emotional goals stability, letting this way new directions in which mission goals might be assessed under the situational state of this stability. This high-level reasoning is grounded by the work of MEP, a model of emotion perception that is thought as an analogy of a well-known theory in emotion science. The work of this model is described under the operation of a recursive-like process labeled as R-Loop, together with a system of emotional goals that are assumed as individual agents. This way, AGSys integrates knowledge that concerns the relation between a perceived object, and the effect which this perception induces on the situational state of the emotional goals. This knowledge enables a high-order system of information that provides the sustain for a high-level reasoning. The extent to which this reasoning might be approached is just delineated and assumed as future work. This thesis has been studied beyond a long range of fields of knowledge. This knowledge can be structured into two main objectives: (a) the fields of psychology, cognitive science, neurology and biological sciences in order to obtain understanding concerning the problem of the emotional phenomena, and (b) a large amount of computer science branches such as Autonomic Computing (AC), Self-adaptive software, Self-X systems, Model Integrated Computing (MIC) or the paradigm of models@runtime among others, in order to obtain knowledge about tools for designing each part of the solution. The final approach has been mainly performed on the basis of the entire acquired knowledge, and described under the fields of Artificial Intelligence, Model-Based Systems (MBS), and additional mathematical formalizations to provide punctual understanding in those cases that it has been required. This approach describes a reference model to feedback systems with valuable meaning, allowing for reasoning with regard to (a) the relationship between the environment and the relevance of the effects on the system, and (b) dynamical evaluations concerning the inner situational state of the system as a result of those effects. And this reasoning provides a framework of distinguishable states of AGSys derived from its own circumstances, that can be assumed as artificial emotion.

Desarrollo de un Procedimiento Basado en Algoritmos de Optimización para el Dimensionado de Absorbedores Puntuales Aplicados a la Conversión de Energía Undimotriz

La energía transportada por el oleaje a través de los océanos (energía undimotriz) se enmarca dentro de las denominadas energías oceánicas. Su aprovechamiento para generar energía eléctrica (o ser aprovechada de alguna otra forma) es una idea reflejada ya hace más de dos siglos en una patente (1799). Desde entonces, y con especial intensidad desde los años 70, ha venido despertando el interés de instituciones ligadas al I+D+i y empresas del sector energético y tecnológico, debido principalmente a la magnitud del recurso disponible. Actualmente se puede considerar al sector en un estado precomercial, con un amplio rango de dispositivos y tecnologías en diferente grado de desarrollo en los que ninguno destaca sobre los otros (ni ha demostrado su viabilidad económica), y sin que se aprecie una tendencia a converger un único dispositivo (o un número reducido de ellos). El recurso energético que se está tratando de aprovechar, pese a compartir la característica de no-controlabilidad con otras fuentes de energía renovable como la eólica o la solar, presenta una variabilidad adicional. De esta manera, diferentes localizaciones, pese a poder presentar recursos de contenido energético similar, presentan oleajes de características muy diferentes en términos de alturas y periodos de oleaje, y en la dispersión estadística de estos valores. Esta variabilidad en el oleaje hace que cobre especial relevancia la adecuación de los dispositivos de aprovechamiento de energía undimotriz (WEC: Wave Energy Converter) a su localización, de cara a mejorar su viabilidad económica. Parece razonable suponer que, en un futuro, el proceso de diseño de un parque de generación undimotriz implique un rediseño (en base a una tecnología conocida) para cada proyecto de implantación en una nueva localización. El objetivo de esta tesis es plantear un procedimiento de dimensionado de una tecnología de aprovechamiento de la energía undimotriz concreta: los absorbedores puntuales. Dicha metodología de diseño se plantea como un problema de optimización matemático, el cual se resuelve utilizando un algoritmo de optimización bioinspirado: evolución diferencial. Este planteamiento permite automatizar la fase previa de dimensionado implementando la metodología en un código de programación. El proceso de diseño de un WEC es un problema de ingería complejo, por lo que no considera factible el planteamiento de un diseño completo mediante un único procedimiento de optimización matemático. En vez de eso, se platea el proceso de diseño en diferentes etapas, de manera que la metodología desarrollada en esta tesis se utilice para obtener las dimensiones básicas de una solución de referencia de WEC, la cual será utilizada como punto de partida para continuar con las etapas posteriores del proceso de diseño. La metodología de dimensionado previo presentada en esta tesis parte de unas condiciones de contorno de diseño definidas previamente, tales como: localización, características del sistema de generación de energía eléctrica (PTO: Power Take-Off), estrategia de extracción de energía eléctrica y concepto concreto de WEC). Utilizando un algoritmo de evolución diferencial multi-objetivo se obtiene un conjunto de soluciones factibles (de acuerdo con una ciertas restricciones técnicas y dimensionales) y óptimas (de acuerdo con una serie de funciones objetivo de pseudo-coste y pseudo-beneficio). Dicho conjunto de soluciones o dimensiones de WEC es utilizado como caso de referencia en las posteriores etapas de diseño. En el documento de la tesis se presentan dos versiones de dicha metodología con dos modelos diferentes de evaluación de las soluciones candidatas. Por un lado, se presenta un modelo en el dominio de la frecuencia que presenta importantes simplificaciones en cuanto al tratamiento del recurso del oleaje. Este procedimiento presenta una menor carga computacional pero una mayor incertidumbre en los resultados, la cual puede traducirse en trabajo adicional en las etapas posteriores del proceso de diseño. Sin embargo, el uso de esta metodología resulta conveniente para realizar análisis paramétricos previos de las condiciones de contorno, tales como la localización seleccionada. Por otro lado, la segunda metodología propuesta utiliza modelos en el domino estocástico, lo que aumenta la carga computacional, pero permite obtener resultados con menos incertidumbre e información estadística muy útil para el proceso de diseño. Por este motivo, esta metodología es más adecuada para su uso en un proceso de dimensionado completo de un WEC. La metodología desarrollada durante la tesis ha sido utilizada en un proyecto industrial de evaluación energética preliminar de una planta de energía undimotriz. En dicho proceso de evaluación, el método de dimensionado previo fue utilizado en una primera etapa, de cara a obtener un conjunto de soluciones factibles de acuerdo con una serie de restricciones técnicas básicas. La selección y refinamiento de la geometría de la solución geométrica de WEC propuesta fue realizada a posteriori (por otros participantes del proyecto) utilizando un modelo detallado en el dominio del tiempo y un modelo de evaluación económica del dispositivo. El uso de esta metodología puede ayudar a reducir las iteraciones manuales y a mejorar los resultados obtenidos en estas últimas etapas del proyecto. ABSTRACT The energy transported by ocean waves (wave energy) is framed within the so-called oceanic energies. Its use to generate electric energy (or desalinate ocean water, etc.) is an idea expressed first time in a patent two centuries ago (1799). Ever since, but specially since the 1970’s, this energy has become interesting for R&D institutions and companies related with the technological and energetic sectors mainly because of the magnitude of available energy. Nowadays the development of this technology can be considered to be in a pre-commercial stage, with a wide range of devices and technologies developed to different degrees but with none standing out nor economically viable. Nor do these technologies seem ready to converge to a single device (or a reduce number of devices). The energy resource to be exploited shares its non-controllability with other renewable energy sources such as wind and solar. However, wave energy presents an additional short-term variability due to its oscillatory nature. Thus, different locations may show waves with similar energy content but different characteristics such as wave height or wave period. This variability in ocean waves makes it very important that the devices for harnessing wave energy (WEC: Wave Energy Converter) fit closely to the characteristics of their location in order to improve their economic viability. It seems reasonable to assume that, in the future, the process of designing a wave power plant will involve a re-design (based on a well-known technology) for each implementation project in any new location. The objective of this PhD thesis is to propose a dimensioning method for a specific wave-energy-harnessing technology: point absorbers. This design methodology is presented as a mathematical optimization problem solved by using an optimization bio-inspired algorithm: differential evolution. This approach allows automating the preliminary dimensioning stage by implementing the methodology in programmed code. The design process of a WEC is a complex engineering problem, so the complete design is not feasible using a single mathematical optimization procedure. Instead, the design process is proposed in different stages, so the methodology developed in this thesis is used for the basic dimensions of a reference solution of the WEC, which would be used as a starting point for the later stages of the design process. The preliminary dimensioning methodology presented in this thesis starts from some previously defined boundary conditions such as: location, power take-off (PTO) characteristic, strategy of energy extraction and specific WEC technology. Using a differential multi-objective evolutionary algorithm produces a set of feasible solutions (according to certain technical and dimensional constraints) and optimal solutions (according to a set of pseudo-cost and pseudo-benefit objective functions). This set of solutions or WEC dimensions are used as a reference case in subsequent stages of design. In the document of this thesis, two versions of this methodology with two different models of evaluation of candidate solutions are presented. On the one hand, a model in the frequency domain that has significant simplifications in the treatment of the wave resource is presented. This method implies a lower computational load but increased uncertainty in the results, which may lead to additional work in the later stages of the design process. However, use of this methodology is useful in order to perform previous parametric analysis of boundary conditions such as the selected location. On the other hand, the second method uses stochastic models, increasing the computational load, but providing results with smaller uncertainty and very useful statistical information for the design process. Therefore, this method is more suitable to be used in a detail design process for full dimensioning of the WEC. The methodology developed throughout the thesis has been used in an industrial project for preliminary energetic assessment of a wave energy power plant. In this assessment process, the method of previous dimensioning was used in the first stage, in order to obtain a set of feasible solutions according to a set of basic technical constraints. The geometry of the WEC was refined and selected subsequently (by other project participants) using a detailed model in the time domain and a model of economic evaluation of the device. Using this methodology can help to reduce the number of design iterations and to improve the results obtained in the last stages of the project.

El centro comercial : una teoría tipológica : claves para el reconocimiento de una arquitectura ignorada

Existe en el panorama edificado un patrimonio construido que se reconoce como Centro Comercial. Un conjunto entendido, en sentido genérico, como familia arquitectónica que tiene características propias y específicas que la identifican. El objeto de la presente tesis doctoral consiste en argumentar que este conjunto constituye un nuevo tipo en el panorama de las tipologías arquitectónicas. Un tipo con entidad propia, que se conecta a una forma diferente de entender la idea de modelo. Un concepto que va más allá de la consideración tradicional del término. Modelo virtual. Este tipo, que surge de una estructura teórica que hemos denominado teoría tipológica, se constituye en una herramienta más para el estudio y el desarrollo proyectual de los espacios arquitectónicos, tanto del propio Centro Comercial como del conjunto de la disciplina arquitectónica, como referencia legítima. El presente trabajo de tesis se inicia con un bloque introductorio denominado Método. Definimos en él una metodología que hemos llamado emocional. Trata de la oportunidad de la tesis. Del porqué de un título que recoge la palabra ignorada. Del interés que suscita el asunto en el contexto del momento presente. Oportunidad e interés en base a una vida profesional dedicada al mundo del Centro Comercial y a la importancia del patrimonio elegido como objeto de estudio. También ha sido un aliciente detectar como las planificaciones del territorio y de los ámbitos de las relaciones colectivas no han sido capaces de integrar un resultado satisfactorio. Quizás por no considerar la complejidad de sus muchas facetas. En consecuencia, el texto busca la esencia del Centro Comercial como soporte para la crítica de su impacto en los nuevos escenarios de relación que la sociedad y el entorno físico imponen. Ámbitos donde los mecanismos históricos del asociacionismo tradicional han dado paso a otros, como el Centro Comercial, de exaltación del individualismo, pero demandados por una sociedad que se identifica con ellos. Espacios que, con Galbraith, existen por de la perversidad intrínseca del binomio consumo-producción que inducen la perplejidad. Ésta pasa a formar parte de la esencia del nuevo espacio comercial, como quedó de manifiesto en el Congreso de Minnesota de 1997, sobre el Centro Comercial. Una sociedad que ha girado hacia el logro material en términos de culto, ocasionando creciente valor significante del consumo. Razón última de la humanidad al decir de Rem Koolhaas. Culto que desemboca en la urgencia de alcanzar niveles de estatus y de identificación con el grupo. Dos parámetros que marcan la relación con el otro. Relación de comparación que excita la necesidad de posesión de objetos que llevaban a recrear en el consumidor la ilusión de ser especiales, de no pasar desapercibidos. El producto de consumo, el objeto, se eleva a la consideración de valor social. En el Centro Comercial se venden valores. Marketing de valores. El deseo del individuo, no la necesidad, queda involucrado en el proceso. La oportunidad y el interés de este estudio surgen además para aclarar el significado de un espacio que sirve al consumidor y a su entorno. Un significado que alcanza sentido, entre otros, por la aparición de un nuevo contexto tras la Segunda Guerra Mundial. Suburbanización, automóvil, nivel de vida, un nuevo papel de la mujer. La Era del Consumo. Una era que genera la paradoja de un individuo con autodeterminación y autosuficiencia crecientes, en un mundo cada vez más condicionado y controlado por dinámicas de ofertas mediatizadas e ilimitadas. La arquitectura en este contexto ha de juzgarse por su relación con un hombre contemporáneo que camina hacia una progresiva excepcionalidad. Cerramos la presentación justificando el término ignorada que aparece en el Título de la Tesis. Subrayamos la escasa existencia de estudios estructurados que relacionen Centro Comercial y arquitectura. Realidad que se constata partiendo del libro de Pevsner, Historia de las Tipologías Arquitectónicas, de 1976. Analizamos también la aceptación que el Centro Comercial, valorado en algunos ámbitos como arquitectura populista. Primer Capítulo, los antecedentes. Se propone un recorrido histórico por la arquitectura comercial de todos los tiempos. El Documento busca concretar las características de la arquitectura comercial a lo largo de la historia para determinar relaciones entre ella y el Centro Comercial. Estas correspondencias van a permitir contestar la pregunta retórica que nos hacemos al inicio del Capítulo: ¿Es la arquitectura del Centro Comercial una arquitectura subsidiaria, o tiene personalidad propia independiente de la del mundo comercial? Con Zevi40, queremos dejar constancia que la relación arquitectura-historia es imprescindible en la tarea proyectual. Un análisis novedoso solo es posible desde la búsqueda de unas raíces auténticas. Así mismo, con Guy de Maupassant, estamos convencidos que “La arquitectura, a través de los siglos, ha tenido el privilegio de dar un símbolo a cada una de las épocas, de resumir con un pequeñísimo número de monumentos típicos, el modo de pensar, de soñar de una raza y de una civilización”. Este recorrido se inicia interpretando la arquitectura comercial minoica. Llegaremos, paso a paso, hasta el siglo XX, los grandes itinerarios comerciales y el Centro Comercial. Se descubren una serie de invariantes que permiten comparar y extraer conclusiones. Resulta novedoso constatar que el Centro Comercial nace para dar respuesta al hombre contemporáneo en su afán consumista. También lo es la rápida implantación y evolución del Centro Comercial en un corto periodo de sesenta años frente al ritmo sosegado de otras soluciones comerciales. Novedad es ver como el comercio y sus arquitecturas nacen abiertos, bajo tenderetes y el Centro Comercial se presenta cerrado. Así mismo, las referencias sacras constituyen un elemento de novedad para la reflexión, en un contexto materialista. Y tantas otras. En Minos, la óptica comercial ofrece otra visión de su legendaria cultura. ¿Palacio o plataforma logística?, gestión centralizada del intercambio, ¿vida pública y vida privada? Así, hasta llegar al siglo XIX. Sus las galerías y sus pasajes acristalados concebidos en primera instancia como medida de recomposición urbana. Espacio entendido desde lo público-privado, desde lo interior-exterior, desde el dentro-afuera, desde lo cerrado-abierto. Con los nuevos mercados de abastos, representan una revolución en el ámbito de la funcionalidad, de la máquina, de la gestión moderna y de las relaciones del ciudadano con la ciudad apoyado en base al intercambio de bienes de consumo. El Centro Comercial es heredero de esta transformación. El Gran Almacén, por otra parte, es el reflejo de otra gran revolución. La que va ligada a la producción y comercialización en masa, las comunicaciones, el precio fijo y el aumento del nivel de vida. El Centro Comercial reinterpreta estas situaciones insertándolas en un nuevo modelo de gestión. En el siglo XX, maestro en técnicas de venta, aparece el hipermercado. El Híper, con su carga de pedagogía, se incorpora al esquema orgánico del Centro Comercial. La tienda en si misma constituye la pieza base de dicho puzle orgánico. Es en esta época cuando la tienda empieza su despegue autónomo como arquitectura, aportando su experiencia. Tras ello, llegamos a las grandes rutas comerciales, que proponemos como metáfora del shopping. Cerramos el capítulo concluyendo con Eugenio Ferrer que “si establecemos una relación entre el espacio y el capitalismo, entonces podemos inferir que los espacios del consumo de masas (ECM) son configuraciones nuevas respecto al pasado (...), pero el sistema que lo introduce no lo es del todo”. Segundo Capítulo. Búsqueda de claves que permitan el reconocimiento del Centro Comercial. Llegados a este punto y con la perspectiva del tiempo cabe preguntarnos, ¿qué entendemos pues por Centro Comercial? ¿Cómo lo percibimos? Abordamos ahora el problema de la percepción del Centro Comercial y su significado. Además de constituirse en símbolo, referencia siempre presente, la eficacia del Shopping es una de las principales causas de su poder de atracción. El Centro Comercial resulta de la síntesis de la revolución del consumo y de la revolución de la gestión. Espacio eficaz del entretenimiento como destino. El usuario resuelve su vida cotidiana dentro de un hábitat que considera propio y que se entiende como el lugar hiperbólico de la transacción comercial. Espacio de la abundancia para el disfrute. Una arquitectura involucrada en esta eficacia. Su sentido del lugar no es otro que el Shopping, que se desenvuelve de forma análoga en todas partes. El hogar del consumidor. Las nuevas catedrales. Las catedrales del consumo. Destino místico. Lugar de peregrinación para el consumidor fervoroso. Espacio sagrado que integra al usuario en la cultura dominante. Cultura del consumo. Templos, donde el tiempo ha perdido su sentido. Paraíso. Un espacio donde la altura, la luz natural, la dimensión general refuerzan el carácter sacro de un espacio para una nueva religión laica. Un espacio seguro, protegido que nos acerca a ideas como la de útero materno, con su carga de calidez y de significación erótica aplicado al encuentro compra-comprador y, ligado a ello, la literatura especializada habla del Centro Comercial como nave espacial hiperesterilizada o de agujero negro que absorbe la energía cultural. Más allá, la simulación, donde se percibe un simulacro de ciudad. Simulacro coherente con todo lo que el Shopping desencadena a su alrededor. El lugar de los sueños, de la fantasía. Aquí los productos se han metamorfoseado en fetiches, en significados. Televisión tridimensional, donde el usuario actúa guiado por una pulsión similar al zapping. Espacio lúdico de la fascinación por comprar o de imaginar que se compra. Espacio de simulaciones que llevan a la ensoñación. Un nuevo lugar que sustituye al espacio cotidiano, con el señuelo de la protección, en un contexto imaginariamente público. Espacio de la hiperrealidad donde no se distingue la realidad de la fantasía, donde tras episodios de confusión y desconcierto, se borran las fronteras con lo imaginario. Espacio mágico, escenario del gran espectáculo del consumo, controlado milimétricamente, al modo de la visita a un gran monumento, que ha de sobrevivir a los tiempos para dar testimonio de nuestro momento. Un icono, un símbolo que transmite un mensaje, que solo el consumidor es capaz de interpretar. Una agitada mezcla, sin precedentes, de percepciones que hablan de perplejidad y asombro ante el fenómeno del Centro Comercial, su espacio y las reacciones del hombre contemporáneo. ¿Cuáles serían las claves que nos permitirían reconocer la calidad esencial de un Centro Comercial, en esta concurrencia de perplejidades? Primero, la función de servicio. Un espacio donde ocurren muchas más cosas que lo obvio, que la compra. Un edificio que se involucra con el entorno de la mano de lo inesperado, la sorpresa y las expectativas. Esta vocación de servicio conecta Centro Comercial y naturaleza arquitectónica. Función que sugiere percepciones ligadas a la experiencia de compra. Organismo que vive y late al unísono con su visitante, colocándose al servicio de sus necesidades, de su afán de consumo, del que vive. Segundo, la comunidad servida. El Centro comercial sirve a una sociedad concreta. La sociedad consumista. Una nueva sociedad que se identifica con el edificio desarrollando un sentido de comunidad al nivel de sus deseos. Esta comunidad que se configura a su alrededor, constituye el activo más poderoso para el éxito de su realidad cotidiana y de su futuro. Tercero, un compromiso de carácter holístico. La economía de la experiencia aplicada al afán consumista de una sociedad identificada con su Centro, da lugar a una experiencia holística planificada. Diseño emocional. Colaboración para el éxito de un conjunto de establecimientos comerciales que participan en la aventura espacio-comercial del Centro Comercial. Ellos son los inductores primarios del consumo. Pero esta colaboración tiene su culminación en la amplificación del mensaje, como un inmenso altavoz, que proviene de la unidad configurada por todos ellos. El reflejo de esta amplificación de mensajes, desde la poderosa unidad constituida, es el aumento de la rentabilidad, fin último de la operación. Cuarto, la forma a través de una identificación de carácter gestáltico. Desde la lectura gestáltica que hacemos de la unidad holística, se advierte una poderosa capacidad de comunicación del sistema con su contexto. Centro y entorno se tornan entonces cómplices que complementan sus realidades. El Centro Comercial, arquitectura estructurada como sistema se percibe –ha de percibirse- como forma unitaria que procede de una mirada de raíz gestáltica que continuamente la recompone desde una óptica espacial y física, ligada a la experiencia individual. Esta unidad formal, más allá de la forma real, se constituye en esencia de de su arquitectura. Quinto, el Centro Comercial como sistema. Un sistema soportado por la Teoría General de Sistemas. La consideración del Centro Comercial como sistema es consecuencia de su estructura holística. El todo no se comporta como la suma de las partes y estas no lo hacen como lo harían en solitario. De aquí surge la necesidad de diálogo permanente entre la comercialización –proceso de incorporación de partes- y su traducción al mundo del diseño –proceso de articular arquitectónicamente las partes. Como sistema así configurado, el Centro Comercial se inserta en el paradigma contemporáneo, lo que genera realidades duales que no son excluyentes y reacciones de perplejidad e incertidumbre que el sistema corrige con su capacidad de autorregulación. Aparece también el espectador cuántico, el visitante, el consumidor, que interactúa con el sistema. Desde las herramientas que nos aporta la idea de sistema complejo, afrontamos el Mix Comercial -en definitiva la eficaz localización de las piezas en orden a sus relaciones y al organismo resultante- y su incidencia en la arquitectura que estamos concibiendo. Una arquitectura impredecible por lo mutable, que se erige en reto de la operación y del diseñador. Diseño que, de la mano del concepto de sistema se convierte en herramienta a mayor gloria de la operación global. El debate del estilismo no será más que el resultado del análisis en busca del éxito de esta operación. Sexto, una arquitectura de la negociación. Negociación como mecanismo proyectual y como resultado. La solución de proyecto nunca resulta evidente en el Centro Comercial como consecuencia de lo imprevisible del propio proceso de configuración. Su concreción solo puede ser fruto del compromiso de todos los agentes por conseguir el objetivo de la operación. Esto se consigue desde el equilibrio de intereses. Comerciales y de diseño. Un compromiso con la negociación y una negociación íntimamente ligada a la coordinación. Séptimo, el espacio y el tiempo. El debate espacio-tiempo condiciona y estructura la percepción del Centro Comercial. Introducimos conceptos como cronotopo –el instante y el lugar donde ocurre algo- y paradoja –incoherencia de la relación causa efecto- que sitúan el vínculo entre el tiempo y el espacio del Centro Comercial en un contexto de Shopping. En el discurrir paralelo del tiempo histórico –el tiempo de fuera- y del tiempo interior, el de dentro del Centro Comercial –tiempo presente o intemporalidad-, se produce el triunfo social del Centro Comercial que se traduce en haber sabido resolver en el espacio y en el tiempo las paradojas postmodernas del hombre contemporáneo. Octavo, de lo global. Globalidad que no es ajena a lo local. Una arquitectura que insertada en la dinámica de una economía de ámbito mundial, refleja las contradicciones que ella impone, fundamentalmente en los procesos de inclusión y exclusión, afectando de manera decisiva al debate de lo local, que el Centro Comercial debe incorporar como herramienta ineludible de reconocimiento. Terminamos el capítulo segundo manifestando como estas ocho claves, asumidas en su conjunto, confirman que el Centro Comercial puede aparecer como un todo conceptual cohesionado, pasando a formar parte de una familia arquitectónica coherente, cuya estructura funcional somos capaces de establecer. El Capítulo Tercero presenta con detalle la figura del arquitecto Víctor Gruen, creador reconocido del moderno Centro Comercial. Presentamos su trayectoria profesional observando como las diferentes claves analizadas en capítulos anteriores van apareciendo de manera natural a lo largo de ella "Victor Gruen may well have been the most influential architect of the twentieth century." Malcolm Gladwell. The Terrazo Jungle. Fifty Years Ago, The Mall Was Born. America Never Would Be The Same. 2004. In The New Yorker. Hombre complejo, conflictivo. Las paradojas a lo largo de su carrera fueron notables. Sin embargo siempre apareció como un hombre recto. Garret Eckbo, reconocido paisajista y colaborador de Gruen en el Centro Comercial peatonal del Centro urbano de Fresno, California, se asombraba de que alguien como Gruen hubiese sido capaz de combinar cortesía y humanidad en la carrera de ratas (sic) en la que se convirtió el universo de la comercialización americana y mantener la integridad542. Philip Johnson, en 1962, ponderando las muchas habilidades de Gruen manifestó que no estaba seguro si alguno de ellos, arquitectos artistas, hubiera sido capaz de hacer lo que Gruen hizo. A más, sobre Gruen, manifestó lo siguiente: "... El va más allá de la creación de un bello edificio. En jugar con la gente y sugerir lo que tienen que hacer, es un maestro. Y obtiene buenos resultados como hace la escultura. El suyo es un arte cívico, un sentido cívico.... Él es capaz de sentarse y poner cosas juntas. No es pomposo ni vano. Yo no me reuniría con él para hablar del diseño (de edificios). Víctor siente que cuando se habla de diseño se está ignorando todo el contexto... Su arquitectura es poderosamente limpia, no vuela la fantasía. Pero cuando te haces con su complejidad, ves que has descubierto algo más allá del diseño.... No puedes decir que haya alguien como él. La arquitectura tiene la suerte de tenerle como arquitecto..." Philip Johnson. Article in Fortune Review. 1962. El Documento de tesis cierra la visión de Gruen realizando un recorrido por los diferentes capítulos de su libro esencial, Shopping Towns Usa: The Planning of Shopping Centers. Solo su índice resulta un monumento al proceso de gestación del Centro Comercial. El libro, aquí simplemente mostrado en su estructura básica como un silencioso testigo, es la referencia canónica los Centros Comerciales contemporáneos, desde su aparición. . El Cuarto Capítulo del Documento de tesis es una recapitulación del trabajo anterior, en el que se sintetizan los conceptos de función y estilo relacionados con el Centro Comercial, se define en qué consiste cada uno de ellos y como, a partir de ahí, podemos afirmar que nos encontramos ante un tipo arquitectónico nuevo en el panorama de la disciplina arquitectónica. Terminamos el Capítulo integrando el Centro Comercial con un cuerpo teórico de referencias que se remiten a un tipo arquitectónico concreto y particular, acogiendo su singularidad como fenómeno arquitectónico autónomo. Como Conclusión de la tesis, resultado de todo lo anterior es decir, como consecuencia de la integración de un torrente de percepciones e intuiciones en un cuerpo teórico de referencias, deducidas de la existencia de unas claves que estructuran y penetran la esencia del singular modelo estudiado, haciéndolo detectable y seductor, resultan las características de un tipo arquitectónico con entidad propia que ordena, orienta y supedita la realidad y la existencia de esta nueva arquitectura. Una arquitectura nunca antes definida como tal, en el panorama tipológico de la disciplina. Teoría tipológica para una nueva arquitectura, que hemos ido proponiendo a lo largo del trabajo y que es coherente con los diferentes parámetros que se han analizado. Un conjunto edificado que, desde el estudio de sus claves esenciales y de sus invariantes perceptibles, aparece ahora más cercano, más familiar. Tanto que es posible destilar desde este conocimiento cercano e íntimo, una síntesis útil como referencia proyectual y como referencia para las grandes cuestiones que preocupan al discurrir del debate arquitectónico y sus ideas. El debate de la disciplina. El objeto de esta tesis, que consistía en establecer que el conjunto edificado que conocemos como Centro Comercial se constituye en un nuevo tipo en el panorama de las tipologías arquitectónicas, entendido el Centro Comercial en sentido genérico como familia arquitectónica con características propias y específicas que la hacen autónoma y reconocible, queda a nuestro juicio argumentado y justificado. ABSTRACT Within the frame of the built heritage there is a construction that is recognized as Shopping Center. An ensemble understood as an architectural family with its own specific recognizable characteristics. This thesis aims to explain that this building complex constitutes a new type in the panorama of architectural typology. This typology, with its singular identity, is connected to a way of understanding the idea of the model beyond an orthodox conception of the term understood as virtual model. This typology comes from a theoretical structure that we called typological theory, and it serves as yet another tool to reference the study and development design of the architectural spaces. In this first section, the Method, we emotionally explore the opportunities of this thesis. Why this typology has been ignored and the interest this work has in the present moment. An opportunity and an interest explained from an experience of a life dedicated to the world of Shopping Centers. The text then introduces the need for a rigorous knowledge of the Shopping Center’s essence in order to understand its impact in the frame of a new society and a new physical environment. A frame time where the historical mechanisms of association of civic community have given way to other gathering spaces like the Shopping Center, which encourages individualism, but is demanded by a society that relates to them. Spaces that, according to Galbraith, are a result of the intrinsic perversity of the unstoppable movement of the wheel of consumption-production. A society that has turned to worship of material achievement. Worship that provokes the appearance of an increasing value of consumption, according to Koolhaas, the only goal of humanity. Worship that ends in the need to reach certain status levels in the plane of a permanent comparison where the need of possession excites the consumer and gives them the illusion of being special. The product of consumption rises up to consideration of social values, entering a dynamic of marketing values, not only objects, but the desire of the individual remains. The study appears also to clarify the meaning of a space that serves the consumer and its context. A meaning that makes sense with the appearance of the suburbanization, the massive utilization of the car, the increase of living standards and the new role of women in the society after the Second World War, giving rise to the Age of Consumption. A world now determined and controlled by media and unlimited offers, where it’s necessary to place them in the context of the ordinary. An architecture that has to be judged precisely for its relation with this specific contemporary man. This section ends justifying the term ignored that appears in the Title of the Thesis, considering it in relation with the lack of studies structured about the Shopping Center and its architecture, drawing from Pevsner's work, A history of building types, 1976. Finally, the Shopping Center is analyzed with the most critical of thoughts, which considers it as populist architecture. The First Chapter, Precedents, proposes an historical tour of the commercial architecture throughout history. The Document looks to place on record the characteristics of the commercial architecture to set the connection between them and the Mall itself. These correspondences are going to allow us to answer the rhetorical question: is it the architecture of the Shopping Center a subsidiary architecture, or does it have its own personality independent from that of the commercial world? The reason of this historical search, citing Bruno Zevi, is that it is indispensable to establish the relationship between architecture and history, understating that an analysis is only possible when researching for their roots. Moreover, according to Guy de Maupassant, we are sure that architecture has had the privilege, across the centuries, of symbolizing as it were each age(…), through the harmony of lines and the charm of ornamentation all the grace and grandeur of an epoch. This historical reading, inseparable from a consistent design action, begins interpreting the commercial architecture of the Minoan to the 20th Century. Though this analysis of the big commercial itineraries and the study of the Shopping Center itself. A reading where we have found a series of constants that make it possible to draw conclusions from this comparison. The Mall appears to give response to the needs of a consumerist society. Comparing to the calm pace of the evolution of other commercial solutions, it is relevant its fast implantation and evolution in a short period of sixty years. Though via different solutions, the commercial spaces are considered taking into account the public-private relation, the interior-exterior, the inside-out, the closed-opened. Through that, the 19th century galleries and the food markets represent a revolution in functionality, in the machine, the modern management and the relations of the citizen within the city. All of this, the Mall inheritor feels. Likewise, the Department Store is the reflection of another great revolution. Production and commercialization en-mass, communications, the fixed price and increase of the living standard. The Mall reinterprets these situations inserting them in a new model of management. Already in the 20th century Mall and mass technologies of sale, the hypermarket is enthusiastically incorporated into the configuration of this organic scheme, constituting the base of one of the models, the French, that will be highly developed in the European continent. The shop itself constitutes, on the other hand, the key piece that completes the puzzle of the Mall and is in this epoch when it starts taking off as architecture, has an autonomous character. After all this, finally, we come to the big commercial routes, which we propose as metaphor of the shopping. Citing Eugenio Ferrer we can conclude that “If we establish a relation between the space and the capitalism, then we can infer that the spaces of the consumption of masses (ECM) are new configurations with regard to the past (...), but the system that introduces it it is not completely” Now we arrive at this point and with the perspective of time it is necessary to ask us, what do we understand about the Shopping Center? How do we perceive it? The second Chapter approaches the problem of the perception of the Mall and from this it is possible to detect and to identify key drivers that orientate the architectural comprehension of the space. The efficiency of the Shopping Center is its main power of attraction. A world that has ensued from the synthesis of the revolution of consumption and management. An effective cavern-like place of entertainment where the user, the consumer, the postmodern man solves his daily life inside a considered habitat. The hyperbolic place of commercial transaction. An abundance of space, that makes us perceive it as destination of entertainment. An architecture has evolved this efficiency, where the sense of place is at one with the sense of the Shopping. The home of the consumer. The new cathedrals. The cathedral of consumption. The place of peregrination for the fervent consumer. A sacred space that integrates the user in the dominant culture. A temple, where time itself has stopped existing. In this paroxysm, an expression of the Garden of Eden or Paradise itself. A space where the height, the natural daylight and the spatial dimension reinforce the sacred character of a new lay religion. Another common perception is that of a protected area, which leads to metaphors and considerations that suggest the idea of maternal womb, with its weight of erotic meaning, referring to the encounter of the shopper making a purchase. The literature also tells us about its perception as a sterile space capsule, a black hole that absorbs all cultural energy. Likewise, a world simulation where a mock city is perceived at first instance. Consistent with all that shopping triggers inside. A city, a space conceived as a place of dreams, fantasy, where the products have been metamorphosed into fetishes. Entertaining a television, three-dimensional television, where the user acts guided by a drive similar to zapping. A play area where the latest fascination is in the act of buying. Space simulations that unite and transcend creating atmospheres that lead to reverie. A new space replacing the daily space with the lure of safe space in a public context. A hyper-reality space with reality and fantasy, where borders are erased with imaginary episodes of confusion and bewilderment, without distinction. The charm and fascination of a space that reads like magic. The magic of a space which is defined as stage extravaganza, the large theatre, the consumer surveys in the fine control mode in which you visit a national monument. The shopping center has to survive the times to be a testimony of our time. An icon, a symbol that conveys a message, the message reads ‘consumer’. In short, a Shopping Center is a mix of unprecedented insights that speak of a widespread phenomenon of bewilderment. Its space and the reactions of contemporary man unfold in it like a fish in water. What are the key aspects which allow us to recognize the essential quality of a shopping center in this concurrence of perplexities? First, we want to record a service function of space much deeper than the immediately obvious, i.e. a purchase occurs. A building that appears to be involved with the environment and its people from the hand of the unexpected circumstances; surprise and attention. And that, in turn, also involves the visitor beyond the purchase. This dedication to service closely links the mall with its architectural nature. It is not the function of a lifeless machine. It is a feature that suggests unsuspected perceptions linked to the purchase, which speaks of an organism that lives and breathes in unison with the visitor. Second, in addition to the vocation of service-oriented desire for consumption, the Mall environment serves a particular society - The consumer society. A new society which relates to building a sense of community developed to the level of their desires. This community also constitutes the most powerful asset to the success of the daily life of the Shopping Center. Third, we emphasize that the so called economy of the experience is combined with the consumer zeal of a company that is identified by the Shopping Center. It connects to form a holistic and planned experience. This experience takes shape in the entity that ensues from the premeditated association and synergy, in the sense of a collaboration for success. A set of concrete commercial and independent establishments, take part in the spatial and commercial adventure that is the Mall and they are the instigators of the consumption. This holistic behavior finds culmination in the amplification of a claim that becomes unitary, like an immense force that leads to an increased profitability to all the levels. Consummation is a reference of one human being overturned in an architecture assimilated into a legitimate, emotional design with stability. A holistic quality is born of the essence of the building - and by virtue of the Conditions of Alexander, Christopher Alexander, determines the system condition of the Shopping Center. Fourth, we propose to establish what character the Mall will form when joined with the concept of its typology. This is going to allow the architectural work to be formed. As a result of the holistic structure that we see, the Mall is perceived as a system whose parts have their own function, justifying their existence in the ecosystem. Across a gestalt there is a powerful capacity of communication between the system and its context. We visualize on the one that stands out our building, turning both, Center and environment, in accomplices of a few special relations who complement each other in his realities. This relationship within a complex and diverse environment gives the Mall a range of unique spatial perceptions, the result of disparate experiences, which because of its root origin of gestalt, are integrated into a unified and coordinated manner fully intelligible and organized. This is the final formal essence of the Shopping Center. We can conclude here that the Mall as architecture is a structured system and should be perceived as a unit both from a physical and spatial perspective as this is the essence of its architecture. Fifth, the Mall as a system. A system which is being supported by a broad theoretical corpus, the General Systems Theory, which offers sufficient methodology to descend into consideration and give an enlightened conclusion on the overall understanding of the Mall. Consideration of the Mall as a system is a result of its holistic structure. The whole does not behave like any of the parties and they do not behave the way they used to before belonging to the whole, because they inhibit many of their qualities to their advantage. It arises the need for an ongoing dialogue between marketing processes and its translation into the physical world, the design. The system generates multiple perceptions to be integrated into a body which is to be understood as unitary. As a system, the Mall is inserted into the contemporary paradigm, creating dual realities that are not exclusive and are reactions of uncertainty that the system be properly designed at all levels, faced with their ability to self-regulate. Likewise, considering the visitor, the customer, like the quantum spectator who interacts with the system permanently. Moreover, a complex system confronts us with the Commercial mix, the effective location of parts in order to relate to the body and its importance in the architecture we are conceiving. Unpredictable architecture, which stands as the challenge of the operation and the designer. Design that becomes the tool of the system to create success for the overall operation. The discussion of the styling is merely the result of analysis that also seeks the success of the system, i.e. the styling should send the right message for the environment to ensure its survival. Sixth, the idea of negotiation as an architecture project, a mechanism inherent to the status of the proposed system. The project solution is never evident at the Shopping Center because of the unpredictability of the process itself. It can only be the fruit of the commitment of all stakeholders to achieve the objective of the operation. This is achieved from the balance of interests, of commercial and design. A commitment to negotiation and a negotiation linked to coordination. The pursuit of stability is key, as instability is always present and constantly requires strategies to build the object you are configuring. Seventh, proposes space-time itself as a circumstance that determines and structures the perception of the Mall in a singular way. We introduce concepts as chronotope and paradox to help us place the relationship between time and space within the Mall in the context of shopping. A consequence of the parallel flow of historical time - the time outside - and the time inside the Mall, the big shopping center formula is precisely that of having the feeling of timelessness in the space. The social triumph of the mall is the ability to resolve in space and in time all postmodern paradoxes and, beyond that, of contemporary man, condensing into a small space and time an enormous amount of cultural symbols, often contradictory, but they attract the practice of consumerism. Eighth, global level. Globalization which doesn’t ignore the local level. Architecture that is inserted into the dynamics of a global economy, reflects the contradictions that it imposes, mainly in the processes of inclusion and exclusion. Inclusion and exclusion affect the debate of the local level, which the Mall must incorporate as an unavoidable tool of recognition. The eight fundamental principles, when applied as a whole, confirm that the built heritage, which corresponds to the general Mall idea, can be presented as a cohesive conceptual whole. This becomes part of a coherent architectural family, whose functional structures are able to be established. The Third chapter presents in a detailed way the figure of the architect Victor Gruen, recognized as the creator of the modern Mall. Studying his professional experience, it is shown how the different keys analyzed in previous chapters are appearing in a natural way. "Victor Gruen may well have been the most influential architect of the twentieth century." Malcolm Gladwell. The Terrazo Jungle. Fifty Years Ago, The Mall Was Born. America Never Would Be The Same. 2004. In The New Yorker. He was a complex, troubled man and the paradoxes along his career were notable. Nevertheless, always he appeared as a straight man. Garret Eckbo, the recognized landscape painter and collaborator of Gruen was astonished how Gruen had been capable of combining comity and humanity in this career of rates, into that the American commercialization turned, Johnson, in 1962, weighting many Gruen's skills demonstrated that he was not sure if anyone of them, architects artists, had been capable of doing what Gruen did. He goes beyond just the creation of a beautiful building. In playing on people and suggesting what they ought to do, he is a master. (…) his architecture is clean - hardly architecture, no flights of fancy. But when you get hold of its complexity, you've got something beyond the design... You can't say there's someone like him. Architecture is lucky to have him as an architect." Philip Johnson. Article in Fortune Review. 1962. The Document of the thesis closes with Gruen's vision of realizing a tour through the different chapters of his essential book, Shopping towns USA: The Planning of Shopping Centers. It’s mere index turns out to be a monument to the process of the gestation of the Mall. The book, simply acted in its basic structure as a silent witness, as the canonical reference for the contemporary Malls. The Fourth Chapter of the Document of the thesis is a recapitulation of the previous work, which synthesizes the concepts of function and style related to the Shopping Center, and clearly defines how they are defined so we can conclude that we have found an architectural new type in the panorama of the architectural discipline. Therefore, the Conclusion of the thesis integrates this development in a theoretical body of references that relate to an architectural specific and particular type, which receives the singularity of the Shopping Center as an architectural independent phenomenon as it has tried to demonstrate from the beginning of the work. To conclude, as a result of the integrative process and the development of the theoretical body of references, the essential characteristics of the order and concept of the architectural typology form the existence of a new architecture; architecture never before defined as such, in the theoretical typology of the discipline. A theoretical typology for a new architecture is proposed throughout the discussed research and forms a conclusion of the different parameters that have been analysed. As a building complex, from the study of the essential characteristics and of the perceptible constants, the typology is more clearly defined and thus, becomes a useful tool and precedent for the consideration of the discipline. The thesis then justifies how the building complex known as Shopping Center constitutes a new type of architectural typology.

Improving Optical Performance of Concentrator Cells by Means of a Deposited Nanopattern Layer

Multijunction solar cells (MJSC) use anti-reflective coatings (ARC) to minimize Fresnel reflection losses for a family of light incidence angles. These coatings adapt the refractive index of the cell to that of the surrounding medium. Patterns with sizes in the range of the light wavelength can be used to further reduce reflections through diffraction. Transparent nanopatterns with a gradual profile, called moth-eye nanostructures, can adapt the refractive index of the optical interfaces (often with n∼1.5) used to encapsulate concentrator solar cells to that of the air (n air∼1). Here we show the effect of a nanometric moth-eye ARC with a round motif deposited on commercial MJSC that achieves short-circuit current (I SC) gains greater than 2% at normal incidence and even higher in the case of tilted illumination. In this work, MJSC with different moth-eye ARC are characterized under quantum efficiency (QE) as well as under concentrated illumination I-V in order to assess their potential. Simulations based on coupled wave analysis (RCWA) are used to fit the experimental results with successful results.

Distinct short-term plasticity at two excitatory synapses in the hippocampus

A single mossy fiber input contains several release sites and is located on the proximal portion of the apical dendrite of CA3 neurons. It is, therefore, well suited to exert a strong influence on pyramidal cell excitability. Accordingly, the mossy fiber synapse has been referred to as a detonator or teacher synapse in autoassociative network models of the hippocampus. The very low firing rates of granule cells [Jung, M. W. & McNaughton, B. L. (1993) Hippocampus 3, 165–182], which give rise to the mossy fibers, raise the question of how the mossy fiber synapse temporally integrates synaptic activity. We have therefore addressed the frequency dependence of mossy fiber transmission and compared it to associational/commissural synapses in the CA3 region of the hippocampus. Paired pulse facilitation had a similar time course, but was 2-fold greater for mossy fiber synapses. Frequency facilitation, during which repetitive stimulation causes a reversible growth in synaptic transmission, was markedly different at the two synapses. At associational/commissural synapses facilitation occurred only at frequencies greater than once every 10 s and reached a magnitude of about 125% of control. At mossy fiber synapses, facilitation occurred at frequencies as low as once every 40 s and reached a magnitude of 6-fold. Frequency facilitation was dependent on a rise in intraterminal Ca2+ and activation of Ca2+/calmodulin-dependent kinase II, and was greatly reduced at synapses expressing mossy fiber long-term potentiation. These results indicate that the mossy fiber synapse is able to integrate granule cell spiking activity over a broad range of frequencies, and this dynamic range is substantially reduced by long-term potentiation.

Relationships of dehydroepiandrosterone sulfate in the elderly with functional, psychological, and mental status, and short-term mortality: A French community-based study

In human beings of both sexes, dehydroepiandrosterone sulfate (DHEAS) circulating in blood is mostly an adrenally secreted steroid whose serum concentration (in the micromolar range and 30–50% higher in men than in women) decreases with age, toward ≈20–10% of its value in young adults during the 8th and 9th decades. The mechanism of action of DHEA and DHEAS is poorly known and may include partial transformation into sex steroids, increase of bioavailable insulin-like growth factor I, and effects on neurotransmitter receptors. Whether there is a cause-to-effect relationship between the decreasing levels of DHEAS with age and physiological and pathological manifestations of aging is still undecided, but this is of obvious theoretical and practical interest in view of the easy restoration by DHEA administration. Here we report on 622 subjects over 65 years of age, studied for the 4 years since DHEAS baseline values had been obtained, in the frame of the PAQUID program, analyzing the functional, psychological, and mental status of a community-based population in the south-west of France. We confirm the continuing decrease of DHEAS serum concentration with age, more in men than in women, even if men retain higher levels. Significantly lower values of baseline DHEAS were recorded in women in cases of functional limitation (Instrumental Activities of Daily Living), confinement, dyspnea, depressive symptomatology, poor subjective perception of health and life satisfaction, and usage of various medications. In men, there was a trend for the same correlations, even though not statistically significant in most categories. No differences in DHEAS levels were found in cases of incident dementia in the following 4 years. In men (but not in women), lower DHEAS was significantly associated with increased short-term mortality at 2 and 4 years after baseline measurement. These results, statistically established by taking into account corrections for age, sex, and health indicators, suggest the need for further careful trials of the administration of replacement doses of DHEA in aging humans. Indeed, the first noted results of such “treatment” are consistent with correlations observed here between functional and psychological status and endogenous steroid serum concentrations.

Horizontal cells reveal cone type-specific adaptation in primate retina

The human cone visual system maintains contrast sensitivity over a wide range of ambient illumination, a property known as light adaptation. The first stage in light adaptation is believed to take place at the first neural step in vision, within the long, middle, and short wavelength sensitive cone photoreceptors. To determine the properties of adaptation in primate outer retina, we measured cone signals in second-order interneurons, the horizontal cells, of the macaque monkey. Horizontal cells provide a unique site for studying early adaptational mechanisms; they are but one synapse away from the photoreceptors, and each horizontal cell receives excitatory inputs from many cones. Light adaptation occurred over the entire range of light levels evaluated, a luminance range of 15–1,850 trolands. Adaptation was demonstrated to be independent in each cone type and to be spatially restricted. Thus, in primates, a major source of sensitivity regulation occurs before summation of cone signals in the horizontal cell.

A fast, high resolution, second-order central scheme for incompressible flows

A high resolution, second-order central difference method for incompressible flows is presented. The method is based on a recent second-order extension of the classic Lax–Friedrichs scheme introduced for hyperbolic conservation laws (Nessyahu H. & Tadmor E. (1990) J. Comp. Physics. 87, 408-463; Jiang G.-S. & Tadmor E. (1996) UCLA CAM Report 96-36, SIAM J. Sci. Comput., in press) and augmented by a new discrete Hodge projection. The projection is exact, yet the discrete Laplacian operator retains a compact stencil. The scheme is fast, easy to implement, and readily generalizable. Its performance was tested on the standard periodic double shear-layer problem; no spurious vorticity patterns appear when the flow is underresolved. A short discussion of numerical boundary conditions is also given, along with a numerical example.

Transition-state structure as a unifying basis in protein-folding mechanisms: Contact order, chain topology, stability, and the extended nucleus mechanism

I attempt to reconcile apparently conflicting factors and mechanisms that have been proposed to determine the rate constant for two-state folding of small proteins, on the basis of general features of the structures of transition states. Φ-Value analysis implies a transition state for folding that resembles an expanded and distorted native structure, which is built around an extended nucleus. The nucleus is composed predominantly of elements of partly or well-formed native secondary structure that are stabilized by local and long-range tertiary interactions. These long-range interactions give rise to connecting loops, frequently containing the native loops that are poorly structured. I derive an equation that relates differences in the contact order of a protein to changes in the length of linking loops, which, in turn, is directly related to the unfavorable free energy of the loops in the transition state. Kinetic data on loop extension mutants of CI2 and α-spectrin SH3 domain fit the equation qualitatively. The rate of folding depends primarily on the interactions that directly stabilize the nucleus, especially those in native-like secondary structure and those resulting from the entropy loss from the connecting loops, which vary with contact order. This partitioning of energy accounts for the success of some algorithms that predict folding rates, because they use these principles either explicitly or implicitly. The extended nucleus model thus unifies the observations of rate depending on both stability and topology.

Cortical auditory signal processing in poor readers

Magnetoencephalographic responses recorded from auditory cortex evoked by brief and rapidly successive stimuli differed between adults with poor vs. good reading abilities in four important ways. First, the response amplitude evoked by short-duration acoustic stimuli was stronger in the post-stimulus time range of 150–200 ms in poor readers than in normal readers. Second, response amplitude to rapidly successive and brief stimuli that were identical or that differed significantly in frequency were substantially weaker in poor readers compared with controls, for interstimulus intervals of 100 or 200 ms, but not for an interstimulus interval of 500 ms. Third, this neurological deficit closely paralleled subjects’ ability to distinguish between and to reconstruct the order of presentation of those stimulus sequences. Fourth, the average distributed response coherence evoked by rapidly successive stimuli was significantly weaker in the β- and γ-band frequency ranges (20–60 Hz) in poor readers, compared with controls. These results provide direct electrophysiological evidence supporting the hypothesis that reading disabilities are correlated with the abnormal neural representation of brief and rapidly successive sensory inputs, manifested in this study at the entry level of the cortical auditory/aural speech representational system(s).