Инженеры MIT и NASA проектируют легкое крыло самолета из полимера

Команда инженеров из Исследовательского центра Эймса НАСА (Маутен-Вью, Калифорния, США) и Массачусетского технологического института (Массачусетский технологический институт, Кембридж, Массачусетс, США) построила и испытала крыло самолета, собранное из решетки, состоящей из сотен крошечных идентичных элементов. кусочки полимера. Сообщается, что крыло может изменять форму, чтобы управлять полетом самолета.

Конструкция крыла была протестирована в аэродинамической трубе НАСА и описана в статье журнала Smart Materials and Structures . в соавторстве с инженером-исследователем Николасом Крамером из НАСА в Эймсе в Калифорнии; Инженер НАСА Эймс и выпускник Массачусетского технологического института Кеннет Чунг; Аспирант Массачусетского технологического института Бенджамин Дженетт и еще восемь человек.

Вместо того, чтобы требовать отдельных подвижных поверхностей, таких как элероны, для управления креном и тангажом самолета, как это делают обычные крылья, новая система сборки позволяет деформировать все крыло или его части за счет сочетания жестких и гибких элементов. компоненты в его составе. Крошечные узлы, которые скреплены болтами, образуют открытый легкий решетчатый каркас, затем покрываются тонким слоем полимерного материала, аналогичного каркасу.

В результате получилось более легкое и, следовательно, более энергоэффективное крыло, чем крыло традиционной конструкции, будь то из металла или композитов, говорят исследователи. Поскольку конструкция, состоящая из тысяч крошечных треугольников подпорок, похожих на спички, 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 существует другой набор оптимальных параметров крыла для каждого этапа полета, чтобы обеспечить лучшее приближение наилучшей конфигурации для каждого этапа. Система разработана так, чтобы автоматически реагировать на изменения в условиях аэродинамической нагрузки, изменяя свою форму определенным образом.

Демонстрационное крыло метровой длины было создано Чеунгом и другими членами команды несколько лет назад. Новая версия примерно в пять раз длиннее, сравнима по размеру с крылом настоящего одноместного самолета и разработана таким образом, чтобы ее легко выполнять автономные сборочные роботы. По словам Дженетт, разработка и тестирование роботизированной системы сборки будут предметом предстоящей статьи.

По словам Дженетт, отдельные детали предыдущего крыла были вырезаны с помощью гидроабразивной системы, и на изготовление каждой детали ушло несколько минут. По его словам, новая система использует литье под давлением с полиэтиленовой смолой в сложной трехмерной форме и производит каждую деталь - по сути, полый куб, состоящий из распорок размером со спичку вдоль каждого края - всего за 17 секунд, говорит он, что значительно приближает ее к масштабируемости. уровни производства.

«Теперь у нас есть метод производства», - говорит он. Хотя есть предварительные вложения в инструменты, как только это будет сделано, «детали будут дешевыми», - говорит он. «У нас все равно есть коробки и коробки с ними».

По его словам, полученная решетка имеет плотность 5,6 килограмма на кубический метр. Для сравнения:резина имеет плотность около 1500 килограммов на кубический метр. «У них такая же жесткость, но у нас меньше примерно одной тысячной плотности», - говорит Дженетт.

По словам Дженетта, поскольку общая конфигурация крыла или другой конструкции состоит из крошечных узлов, общий дизайн конструкции крыла может быть изменен по сравнению с его традиционной формой. По его словам, исследования показали, что интегрированная конструкция корпуса и крыла может быть гораздо более эффективной для многих приложений, и с помощью этой системы их можно легко построить, протестировать, модифицировать и повторно протестировать.

По словам Дженетта, ту же систему можно использовать для изготовления других конструкций, в том числе лопастей ветряных турбин в форме крыльев, где возможность сборки на месте может избежать проблем с транспортировкой все более длинных лопастей. Подобные сборки разрабатываются для строительства космических конструкций, которые в конечном итоге могут быть использованы для мостов и других высокопроизводительных конструкций.

В состав группы вошли исследователи из Корнельского университета, Калифорнийского университета в Беркли, Калифорнийского университета в Санта-Круз, Исследовательского центра НАСА в Лэнгли, Каунасского технологического университета в Литве и компании Qualified Technical Services Inc. в Моффетт Филд, Калифорния, США. Работа была поддержана программой NASA ARMD Convergent Aeronautics Solutions (проект MADCAT) и Центром битов и атомов Массачусетского технологического института.