MIT en NASA-ingenieurs ontwerpen lichtgewicht vliegtuigvleugel van polymeer

Een team van ingenieurs van NASA's Ames Research Center (Moutain View, Californië, VS) en het Massachussetts Institute of Technology (MIT, Cambridge, Mass., VS) hebben een vliegtuigvleugel gebouwd en getest die is samengesteld uit een rooster dat bestaat uit honderden kleine identieke polymeer stukken. De vleugel kan naar verluidt van vorm veranderen om de vlucht van het vliegtuig te besturen.

Het vleugelontwerp is getest in een NASA-windtunnel en wordt beschreven in een artikel in het tijdschrift Smart Materials and Structures , co-auteur van onderzoeksingenieur Nicholas Cramer bij NASA Ames in Californië; NASA Ames-ingenieur en MIT-alumnus Kenneth Cheung; MIT-afgestudeerde student Benjamin Jenett en acht anderen.

In plaats van afzonderlijke beweegbare oppervlakken zoals rolroeren nodig te hebben om het rollen en stampen van het vliegtuig te regelen, zoals conventionele vleugels doen, maakt het nieuwe montagesysteem het mogelijk om de hele vleugel, of delen ervan, te vervormen door een mix van stijve en flexibele componenten in zijn structuur. De kleine subassemblages, die aan elkaar zijn vastgeschroefd om een ​​open, lichtgewicht roosterframe te vormen, worden vervolgens bedekt met een dunne laag van vergelijkbaar polymeermateriaal als het frame.

Het resultaat is een vleugel die lichter en dus energiezuiniger is dan die met conventionele ontwerpen, of ze nu gemaakt zijn van metaal of composieten, zeggen de onderzoekers. Omdat de structuur, bestaande uit duizenden kleine driehoekjes van luciferachtige stutten, grotendeels uit lege ruimte bestaat, vormt het een mechanisch "metamateriaal" dat de structurele stijfheid van een rubberachtig polymeer combineert met de extreme lichtheid en lage dichtheid van een aerogel .

Jenett legt uit dat er een andere set optimale vleugelparameters is voor elke vluchtfase, om een ​​betere benadering te geven van de beste configuratie voor elke fase. Het systeem is ontworpen om automatisch te reageren op veranderingen in de aerodynamische belastingscondities door zijn vorm op specifieke manieren te veranderen.

Een paar jaar geleden werd door Cheung en andere teamleden een meterslange demonstratievleugel gemaakt. De nieuwe versie, ongeveer vijf keer zo lang, is qua grootte vergelijkbaar met de vleugel van een echt eenzittervliegtuig en is ontworpen om eenvoudig te worden gerealiseerd door autonome montagerobots. Het ontwerp en het testen van het robotassemblagesysteem is het onderwerp van een aanstaande paper, zegt Jenett.

De afzonderlijke onderdelen van de vorige vleugel werden gesneden met een waterjetsysteem en het duurde enkele minuten om elk onderdeel te maken, zegt Jenett. Het nieuwe systeem maakt gebruik van spuitgieten met polyethyleenhars in een complexe 3D-mal, en produceert elk onderdeel - in wezen een holle kubus bestaande uit lucifer-achtige stutten langs elke rand - in slechts 17 seconden, zegt hij, wat het veel dichter bij schaalbare brengt productieniveaus.

"Nu hebben we een productiemethode", zegt hij. Hoewel er vooraf geïnvesteerd moet worden in gereedschap, "zijn de onderdelen goedkoop", zegt hij. "We hebben er dozen en dozen van, allemaal hetzelfde."

Het resulterende rooster, zegt hij, heeft een dichtheid van 5,6 kilogram per kubieke meter. Ter vergelijking:rubber heeft een dichtheid van ongeveer 1.500 kilogram per kubieke meter. "Ze hebben dezelfde stijfheid, maar die van ons heeft minder dan ongeveer een duizendste van de dichtheid", zegt Jenett.

Omdat de algehele configuratie van de vleugel of een andere structuur is opgebouwd uit kleine subeenheden, kan het algehele ontwerp van de vleugelstructuur worden gewijzigd ten opzichte van de traditionele vorm, zegt Jenett. Studies hebben aangetoond dat een geïntegreerde carrosserie- en vleugelstructuur voor veel toepassingen veel efficiënter zou kunnen zijn, zegt hij, en met dit systeem zouden die gemakkelijk kunnen worden gebouwd, getest, aangepast en opnieuw getest.

Hetzelfde systeem zou ook kunnen worden gebruikt om andere constructies te maken, zegt Jenett, inclusief de vleugelachtige bladen van windturbines, waar de mogelijkheid om ter plaatse te monteren de problemen van het transporteren van steeds langere bladen zou kunnen voorkomen. Soortgelijke constructies worden ontwikkeld om ruimtestructuren te bouwen en zouden uiteindelijk kunnen worden gebruikt voor bruggen en andere hoogwaardige constructies.

Het team omvatte onderzoekers van de Cornell University, de University of California in Berkeley, de University of California in Santa Cruz, NASA Langley Research Center, Kaunas University of Technology in Litouwen en Qualified Technical Services Inc., in Moffett Field, Californië, VS Het werk werd ondersteund door NASA ARMD Convergent Aeronautics Solutions Program (MADCAT Project) en het MIT Center for Bits and Atoms.