NASA en MIT-ingenieurs ontwikkelen vormveranderende polymervleugel voor lichtere, efficiëntere vliegtuigen

Een team ingenieurs van NASA's Ames Research Center (Mountain View, Californië, VS) en het Massachusetts Institute of Technology (MIT, Cambridge, Massachusetts, VS) heeft een vliegtuigvleugel gebouwd en getest die samengesteld is uit een rooster van honderden kleine, identieke polymerstukjes. De vleugel kan naar verluidt zijn vorm veranderen om de vlucht van het vliegtuig te sturen.

Het vleugelontwerp werd getest in een NASA-windtunnel en wordt beschreven in een artikel in het tijdschrift Smart Materials and Structures, medegeschreven door onderzoekingenieur Nicholas Cramer bij NASA Ames in Californië; NASA Ames-ingenieur en MIT-alumnus Kenneth Cheung; MIT-graduaatstudent Benjamin Jenett en acht anderen.

In plaats van losse bewegbare oppervlakken zoals klappen om de rol en stamp van het vliegtuig te regelen, zoals bij conventionele vleugels, maakt het nieuwe montagesysteem het mogelijk de hele vleugel of delen ervan te vervormen. Dit wordt bereikt door een menging van stijve en flexibele componenten in de structuur te verwerken. De kleine subassemblages, die samengebout worden tot een open, lichtgewicht roosterframework, worden vervolgens bedekt met een dunne laag van vergelijkbaar polymermateriaal als het framework.

Het resultaat is een vleugel die lichter is, en dus energiezuiniger, dan conventionele ontwerpen, of deze nu van metaal of composieten zijn gemaakt, aldus de onderzoekers. Omdat de structuur, bestaande uit duizenden kleine driehoeken van luciferstokachtige strepen, voornamelijk uit lege ruimte bestaat, vormt het een mechanisch 'metamateriaal' dat de structurele stijfheid van een rubberachtig polymer combineert met de extreme lichtheid en lage dichtheid van een aerogel.

Jenett legt uit dat voor elke vluchtfase een andere set optimale vleugelparameters geldt, om een betere benadering van de beste configuratie voor elk stadium te bieden. Het systeem is ontworpen om automatisch te reageren op veranderingen in de aerodynamische belasting door zijn vorm op specifieke manieren te veranderen.

Een meterlange demonstratorvleugel werd enkele jaren geleden gemaakt door Cheung en andere teamleden. De nieuwe versie, ongeveer vijf keer zo lang, is vergelijkbaar in grootte met de vleugel van een echte eenpersoonsvliegtuig en is ontworpen om gemakkelijk te worden gemonteerd door autonome assemblageerrobots. Het ontwerp en de test van het robotassemblegesysteem is het onderwerp van een komend artikel, aldus Jenett.

De individuele onderdelen voor de vorige vleugel werden gesneden met een waterjetsysteem, en het duurde enkele minuten om elk onderdeel te maken, zegt Jenett. Het nieuwe systeem gebruikt spuitgieten met polyethyleenhars in een complexe 3D-vorm, en produceert elk onderdeel - essentieel een holle kubus bestaande uit luciferstokgrote strepen langs elke rand - in slechts 17 seconden, wat het veel dichter bij schaalbare productieniveaus brengt.

"Nu hebben we een productiemethode", zegt hij. "Hoewel er een voorafgaande investering in gereedschap zit, zijn de onderdelen eenmaal dat gedaan is goedkoop. We hebben dozen vol met ze, allemaal identiek."

Het resulterende rooster, aldus 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 de onze heeft minder dan ongeveer een duizendste van de dichtheid", zegt Jenett.

Omdat de algehele configuratie van de vleugel of andere structuur opgebouwd wordt uit kleine subeenheden, kan het ontwerp van de vleugelstructuur veranderd worden van de traditionele vorm, aldus Jenett. Studies hebben aangetoond dat een geïntegreerde romp- en vleugelstructuur voor veel toepassingen veel efficiënter zou kunnen zijn, en met dit systeem kunnen die gemakkelijk worden gebouwd, getest, gewijzigd en opnieuw getest.

Hetzelfde systeem kan ook worden gebruikt om andere structuren te maken, zegt Jenett, zoals de vleugelachtige wieken van windturbines, waar de mogelijkheid tot on-site assemblage de problemen van het transporteren van steeds langere wieken kan voorkomen. Vergelijkbare assemblages worden ontwikkeld voor ruimtestructuren, en kunnen uiteindelijk worden gebruikt voor bruggen en andere hoogpresterende structuren.

Het team omvatte onderzoekers van Cornell University, de University of California te Berkeley, de University of California te 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 het NASA ARMD Convergent Aeronautics Solutions Program (MADCAT-project) en het MIT Center for Bits and Atoms.