Команда инженеров создала и протестировала принципиально новый вид крыла самолета, собранного из сотен крошечных одинаковых деталей. Исследователи утверждают, что крыло может изменять форму, чтобы контролировать полет самолета, и может обеспечить значительное повышение эффективности производства, полета и технического обслуживания самолетов.

Новый подход к конструированию крыльев может обеспечить большую гибкость при проектировании и производстве будущих самолетов. Новый дизайн крыла был испытан в аэродинамической трубе НАСА и описан сегодня в статье в журнале Smart Materials and Structures, в соавторстве с инженером-исследователем Николасом Крамером из НАСА в Эймсе, Калифорния; Выпускник Массачусетского технологического института Кеннет Чеунг С.М. 12 лет, сейчас в НАСА, Эймс; Бенджамин Дженетт, аспирант Центра битов и атомов MIT; и восемь других.

Вместо того, чтобы требовать отдельных подвижных поверхностей, таких как элероны, для управления креном и тангажем плоскости, как это делают обычные крылья, новая сборочная система позволяет деформировать все крыло или его части, используя смесь жестких и гибких элементов. компоненты в его структуре . Крошечные узлы, которые скреплены болтами, чтобы образовать открытую, легкую решетчатую конструкцию, затем покрываются тонким слоем аналогичного полимерного материала в качестве основы.

В результате получается крыло, которое намного легче и, следовательно, гораздо более энергоэффективно, чем крылья с традиционными конструкциями, изготовленные из металла или композитов, утверждают исследователи. Поскольку структура, состоящая из тысяч крошечных треугольников, похожих на спичечные стойки, состоит в основном из пустого пространства, она образует механический «метаматериал», который сочетает в себе структурную жесткость резиноподобного полимера и чрезвычайную легкость и низкую плотность аэрогеля.

Дженетт объясняет, что для каждого из этапов полета — взлета и посадки, крейсерского полета, маневрирования и т. Д. — у каждого есть свой собственный, различный набор оптимальных параметров крыла, поэтому обычное крыло обязательно является компромиссом, который не оптимизирован ни для одного из это, и, следовательно, жертвует эффективностью. Крыло, которое постоянно деформируется, может обеспечить намного лучшее приближение наилучшей конфигурации для каждой ступени.

В то время как было бы возможно включить двигатели и кабели для создания сил, необходимых для деформации крыльев, команда сделала еще один шаг вперед и разработала систему, которая автоматически реагирует на изменения в своих условиях аэродинамической нагрузки путем изменения ее формы — своего рода саморегулирующийся, пассивный процесс реконфигурации крыла.

«Мы можем повысить эффективность, сопоставляя форму с нагрузками под разными углами атаки», — говорит Крамер, ведущий автор статьи. «Мы можем воспроизвести то же поведение, что и вы, но мы сделали это пассивно».

Все это достигается благодаря тщательному проектированию относительных положений распорок с различной степенью гибкости или жесткости, сконструированных таким образом, чтобы крыло или его части изгибались особым образом в ответ на определенные виды напряжений.

Чеунг и другие продемонстрировали основополагающий принцип несколько лет назад, создав крыло длиной около метра, сравнимое с размерами типичной модели самолета с дистанционным управлением. Новая версия, примерно в пять раз длиннее, сопоставима по размерам с крылом настоящего одноместного самолета и может быть проста в изготовлении.

В то время как эта версия была собрана вручную группой аспирантов, повторяющийся процесс предназначен для того, чтобы его можно было легко осуществить с помощью небольшого количества простых автономных роботов-сборщиков. По словам Дженетт, проектирование и тестирование роботизированной сборочной системы — тема будущего документа.

По словам Дженетт, отдельные детали для предыдущего крыла были разрезаны с использованием системы водоструйной резки, и на изготовление каждой детали ушло несколько минут. Новая система использует литье под давлением с полиэтиленовой смолой в сложной трехмерной форме и производит каждую деталь — по существу, полый куб, состоящий из распорок размером со спички вдоль каждого края — всего за 17 секунд, говорит он, что приводит к длительному намного ближе к масштабируемым уровням производства.

«Теперь у нас есть метод производства», — говорит он. Несмотря на то, что есть начальные инвестиции в оснастку, как только это будет сделано, «запчасти дешевы», говорит он. «У нас есть коробки и коробки из них, все же».

Полученная решетка, по его словам, имеет плотность 5,6 килограмма на кубический метр. Для сравнения, плотность каучука составляет около 1500 кг на кубический метр. «Они имеют одинаковую жесткость, но наша плотность составляет менее одной тысячной плотности», — говорит Дженетт.

Поскольку общая конфигурация крыла или другой конструкции построена из крошечных подразделений, на самом деле не имеет значения, какова форма. «Вы можете создать любую геометрию, какую захотите», — говорит он. «Тот факт, что большинство самолетов имеют одинаковую форму, — по существу, трубу с крыльями, — объясняется расходами. Это не всегда самая эффективная форма». Но огромные инвестиции в проектирование, оснастку и производственные процессы облегчают работу с давно установленными конфигурациями.

Исследования показали, что интегрированная конструкция кузова и крыла может быть гораздо более эффективной для многих применений, говорит он, и с помощью этой системы их можно легко создавать, тестировать, модифицировать и повторно тестировать.

«Исследование показывает перспективу снижения затрат и повышения производительности для больших, легких и жестких конструкций», — говорит Дэниел Кэмпбелл, исследователь конструкций в Aurora Flight Sciences, компании Boeing, которая не участвовала в этом исследовании. «Наиболее перспективными в ближайшем будущем являются структурные применения для дирижаблей и космических конструкций, таких как антенны».

Новое крыло было спроектировано так, чтобы оно было настолько большим, насколько его можно было бы разместить в высокоскоростной аэродинамической трубе НАСА в исследовательском центре Лэнгли, где оно показало себя даже немного лучше, чем предполагалось, говорит Дженетт.

По словам Дженетт, эту же систему можно использовать и для изготовления других конструкций, в том числе лопастных лопастей ветровых турбин, где возможность сборки на месте может избежать проблем с транспортировкой еще более длинных лопастей. Подобные сборки разрабатываются для создания космических конструкций и могут в конечном итоге быть полезными для мостов и других высокопроизводительных конструкций.