MIT og NASA ingeniører demonstrerer en ny slags flyvinge

Et team af ingeniører har bygget og testet en radikalt ny slags flyvinge, samlet af hundredvis af små identiske stykker. Vingen kan ændre form for at styre flyets flyvning, og kunne give et markant løft i flyproduktionen, flyvningen, og vedligeholdelseseffektivitet, siger forskerne.

Den nye tilgang til vingekonstruktion kan give større fleksibilitet i design og fremstilling af fremtidige fly. Det nye vingedesign blev testet i en NASA vindtunnel og er beskrevet i dag i et papir i tidsskriftet Smart Materials and Structures, medforfatter af forskningsingeniør Nicholas Cramer ved NASA Ames i Californien; MIT-alumne Kenneth Cheung SM '07 Ph.D. '12, nu hos NASA Ames; Benjamin Jenett, en kandidatstuderende i MIT's Center for Bits and Atoms; og otte andre.

I stedet for at kræve separate bevægelige overflader, såsom slagroer, for at kontrollere flyets rulning og hældning, som konventionelle vinger gør, det nye monteringssystem gør det muligt at deformere hele vingen, eller dele af det, ved at inkorporere en blanding af stive og fleksible komponenter i sin struktur. De små underenheder, som er boltet sammen for at danne en åben, letvægts gitterramme, dækkes derefter med et tyndt lag af lignende polymermateriale som rammen.

Resultatet er en vinge, der er meget lettere, og dermed meget mere energieffektiv, end dem med konventionelt design, hvad enten de er lavet af metal eller kompositter, siger forskerne. Fordi strukturen, bestående af tusindvis af små trekanter af tændstiklignende stivere, består for det meste af tomt rum, det danner et mekanisk "metamateriale", der kombinerer den strukturelle stivhed af en gummilignende polymer og den ekstreme lethed og lave densitet af en aerogel.

Jenett forklarer, at for hver af faserne af en flyvning - start og landing, krydstogt, manøvrering og så videre - hver har sin egen, forskellige sæt af optimale vingeparametre, så en konventionel fløj er nødvendigvis et kompromis, der ikke er optimeret til nogen af ​​disse, og derfor ofrer effektiviteten. En vinge, der konstant er deformerbar, kunne give en meget bedre tilnærmelse af den bedste konfiguration for hvert trin.

Mens det ville være muligt at inkludere motorer og kabler for at producere de kræfter, der er nødvendige for at deformere vingerne, holdet har taget dette et skridt videre og designet et system, der automatisk reagerer på ændringer i dets aerodynamiske belastningsforhold ved at ændre dets form - en slags selvjusterende, passiv vinge-rekonfigurationsproces.

"Vi er i stand til at opnå effektivitet ved at tilpasse formen til belastningerne ved forskellige angrebsvinkler, siger Cramer, avisens hovedforfatter. "Vi er i stand til at producere nøjagtig den samme adfærd, som du ville gøre aktivt, men vi gjorde det passivt."

Alt dette opnås ved det omhyggelige design af de relative positioner af stivere med forskellige mængder af fleksibilitet eller stivhed, designet således at vingen, eller dele af det, bøje på specifikke måder som reaktion på bestemte former for belastninger.

Cheung og andre demonstrerede det grundlæggende underliggende princip for et par år siden, producerer en vinge på omkring en meter lang, sammenlignelig med størrelsen på typiske fjernstyrede modelfly. Den nye version, omkring fem gange så lang tid, er i størrelse sammenlignelig med vingen på et rigtigt enkeltsædet fly og kunne være let at fremstille.

Mens denne version blev håndsamlet af et hold af kandidatstuderende, den gentagne proces er designet til let at kunne udføres af en sværm af små, simple autonome samlerobotter. Designet og afprøvningen af ​​robotsamlesystemet er emnet for et kommende papir, siger Jenett.

De enkelte dele til den forrige fløj blev skåret ved hjælp af et vandstrålesystem, og det tog flere minutter at lave hver del, siger Jenett. Det nye system bruger sprøjtestøbning med polyethylenharpiks i en kompleks 3-D form, og producerer hver del - i det væsentlige en hul terning, der består af stivere i tændstikstørrelse langs hver kant - på kun 17 sekunder, han siger, hvilket bringer det langt tættere på skalerbare produktionsniveauer.

"Nu har vi en fremstillingsmetode, " siger han. Selvom der er en forhåndsinvestering i værktøj, når det er gjort, "delene er billige, " siger han. "Vi har kasser og kasser af dem, alt det samme."

Det resulterende gitter, han siger, har en massefylde på 5,6 kg pr. kubikmeter. Til sammenligning, gummi har en densitet på omkring 1, 500 kg pr kubikmeter. "De har den samme stivhed, men vores har mindre end omkring en tusindedel af tætheden, " siger Jenett.

Fordi den overordnede konfiguration af vingen eller anden struktur er bygget op af bittesmå underenheder, det er virkelig lige meget hvad formen er. "Du kan lave enhver geometri, du vil, " siger han. "Det faktum, at de fleste fly har samme form" - i det væsentlige et rør med vinger - "er på grund af omkostninger. Det er ikke altid den mest effektive form." Men massive investeringer i design, værktøj, og produktionsprocesser gør det nemmere at forblive med længe etablerede konfigurationer.

Undersøgelser har vist, at en integreret krops- og vingestruktur kunne være langt mere effektiv til mange applikationer, han siger, og med dette system kunne de nemt bygges, testet, ændret, og gentestet.

"Undersøgelsen viser løfte om at reducere omkostningerne og øge ydeevnen for store, let vægt, stive strukturer, " siger Daniel Campbell, en strukturforsker ved Aurora Flight Sciences, et Boeing-selskab, som ikke var involveret i denne undersøgelse. "De mest lovende applikationer på kort sigt er strukturelle applikationer til luftskibe og rumbaserede strukturer, såsom antenner."

Den nye vinge blev designet til at være så stor, som den kunne rummes i NASAs højhastighedsvindtunnel ved Langley Research Center, hvor den klarede sig en smule bedre end forudsagt, siger Jenett.

Det samme system kan også bruges til at lave andre strukturer, Jenett siger, inklusive de vingelignende vinger på vindmøller, hvor muligheden for at lave montage på stedet kunne undgå problemerne med at transportere stadig længere klinger. Lignende samlinger udvikles til at bygge rumstrukturer, og kunne i sidste ende være nyttige til broer og andre højtydende strukturer.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.