Een team van ingenieurs heeft een radicaal nieuw soort vliegtuigvleugel gebouwd en getest, samengesteld uit honderden kleine identieke stukjes. De vleugel kan van vorm veranderen om de vlucht van het vliegtuig te regelen, en zou een aanzienlijke impuls kunnen geven aan de vliegtuigproductie, vlucht, en onderhoudsefficiëntie, zeggen de onderzoekers.

De nieuwe benadering van de vleugelconstructie zou meer flexibiliteit kunnen bieden bij het ontwerp en de fabricage van toekomstige vliegtuigen. Het nieuwe vleugelontwerp werd getest in een NASA-windtunnel en wordt vandaag beschreven in een paper in het tijdschrift Smart Materials and Structures, co-auteur van onderzoeksingenieur Nicholas Cramer bij NASA Ames in Californië; MIT-alumnus Kenneth Cheung SM '07 Ph.D. '12, nu bij NASA Ames; Benjamin Jenet, een afgestudeerde student in MIT's Center for Bits and Atoms; en acht anderen.

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

Het resultaat is een vleugel die veel lichter is, en dus veel energiezuiniger, 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, bestaat voornamelijk uit lege ruimte, het vormt 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 voor elk van de fasen van een vlucht - opstijgen en landen, cruisen, manoeuvreren enzovoort - elk heeft zijn eigen, verschillende set van optimale vleugelparameters, dus een conventionele vleugel is noodzakelijkerwijs een compromis dat voor geen van deze is geoptimaliseerd, en offert daardoor efficiëntie op. Een vleugel die constant vervormbaar is, zou een veel betere benadering kunnen geven van de beste configuratie voor elke fase.

Hoewel het mogelijk zou zijn om motoren en kabels op te nemen om de krachten te produceren die nodig zijn om de vleugels te vervormen, het team ging nog een stap verder en ontwierp een systeem dat automatisch reageert op veranderingen in de aerodynamische belastingscondities door van vorm te veranderen - een soort van zelfinstellende, passief vleugel-herconfiguratieproces.

"We zijn in staat om efficiëntie te winnen door de vorm af te stemmen op de belastingen onder verschillende aanvalshoeken, " zegt Cramer, hoofdauteur van de krant. "We zijn in staat om exact hetzelfde gedrag te produceren dat u actief zou doen, maar we deden het passief."

Dit wordt allemaal bereikt door het zorgvuldige ontwerp van de relatieve posities van stutten met verschillende hoeveelheden flexibiliteit of stijfheid, zo ontworpen dat de vleugel, of delen ervan, buigen op specifieke manieren als reactie op bepaalde soorten spanningen.

Cheung en anderen demonstreerden een paar jaar geleden het basisprincipe, het produceren van een vleugel van ongeveer een meter lang, vergelijkbaar met de grootte van typische op afstand bestuurbare modelvliegtuigen. De nieuwe versie, ongeveer vijf keer zo lang, is qua grootte vergelijkbaar met de vleugel van een echt eenzittervliegtuig en zou gemakkelijk te vervaardigen zijn.

Hoewel deze versie met de hand werd geassembleerd door een team van afgestudeerde studenten, het repetitieve proces is zo ontworpen dat het gemakkelijk kan worden volbracht door een zwerm kleine, eenvoudige autonome montagerobots. Het ontwerp en het testen van het robotassemblagesysteem is het onderwerp van een aanstaande paper, zegt Jenet.

De losse onderdelen van de vorige vleugel zijn gesneden met een waterjetsysteem, en het duurde enkele minuten om elk onderdeel te maken, zegt Jenet. Het nieuwe systeem maakt gebruik van spuitgieten met polyethyleenhars in een complexe 3D-matrijs, en produceert elk onderdeel - in wezen een holle kubus bestaande uit steunen ter grootte van een lucifer langs elke rand - in slechts 17 seconden, hij zegt, wat het een heel eind dichter bij schaalbare productieniveaus brengt.

"Nu hebben we een productiemethode, " zegt hij. Hoewel er vooraf geïnvesteerd wordt in gereedschap, als dat eenmaal gedaan is, "de onderdelen zijn goedkoop, "zegt hij. "We hebben dozen en dozen van hen, allemaal hetzelfde."

Het resulterende rooster, hij zegt, heeft een dichtheid van 5,6 kilogram per kubieke meter. Ter vergelijking, rubber heeft een dichtheid van ongeveer 1, 500 kg per kubieke meter. "Ze hebben dezelfde stijfheid, maar de onze heeft minder dan ongeveer een duizendste van de dichtheid, ' zegt Jenet.

Omdat de algehele configuratie van de vleugel of andere structuur is opgebouwd uit kleine subeenheden, het maakt echt niet uit wat de vorm is. "Je kunt elke geometrie maken die je wilt, "zegt hij. "Het feit dat de meeste vliegtuigen dezelfde vorm hebben" - in wezen een buis met vleugels - "is vanwege de kosten. Het is niet altijd de meest efficiënte vorm." Maar enorme investeringen in design, gereedschap, en productieprocessen maken het gemakkelijker om vast te houden aan reeds lang bestaande configuraties.

Studies hebben aangetoond dat een geïntegreerde carrosserie- en vleugelstructuur voor veel toepassingen veel efficiënter zou kunnen zijn, hij zegt, en met dit systeem zouden die gemakkelijk kunnen worden gebouwd, getest, gewijzigd, en opnieuw getest.

"Het onderzoek toont veelbelovend aan voor het verlagen van de kosten en het verhogen van de prestaties voor grote, lichtgewicht, stijve structuren, " zegt Daniël Campbell, een structuuronderzoeker bij Aurora Flight Sciences, een Boeing-bedrijf, die niet bij dit onderzoek betrokken was. "De meest veelbelovende toepassingen op korte termijn zijn structurele toepassingen voor luchtschepen en ruimtegebaseerde structuren, zoals antennes."

De nieuwe vleugel is ontworpen om zo groot mogelijk te zijn in NASA's hogesnelheidswindtunnel in het Langley Research Center, waar het zelfs een beetje beter presteerde dan voorspeld, zegt Jenet.

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

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.