Инженеры NASA и MIT разработали меняющее форму полимерное крыло для более легких и эффективных самолетов

Команда инженеров из исследовательского центра NASA Ames (Маунтин-Вью, Калифорния, США) и Массачусетского технологического института (MIT, Кембридж, Массачусетс, США) создала и протестировала крыло самолета, собранное из решетки, состоящей из сотен крошечных идентичных полимерных элементов. По сообщению исследователей, такое крыло способно менять свою форму для управления полетом аппарата.

Инновационная конструкция и испытания

Конструкция крыла была испытана в аэродинамической трубе NASA и описана в статье в журнале Smart Materials and Structures. Соавторами работы являются инженер-исследователь Николас Крамер из NASA Ames, инженер NASA Ames и выпускник MIT Кеннет Чан, аспирант MIT Бенджамин Дженетт и восемь других ученых.

В отличие от традиционных крыльев, требующих отдельных подвижных поверхностей (элеронов) для управления креном и тангажем, новая система сборки позволяет деформировать всё крыло или его части за счет сочетания жестких и гибких компонентов в его структуре. Крошечные подсборки, скрепленные болтами в открытую легкую решетчатую раму, затем обклеиваются тонким слоем того же полимерного материала.

Преимущества метаматериала

Результатом стало крыло, которое легче и, следовательно, более энергоэффективно, чем конструкции из металла или композитов. Благодаря структуре, состоящей из тысяч крошечных треугольников из шплинтоподобных стоек и заполненной в основном пустым пространством, материал образует механический «метаматериал», сочетающий структурную жесткость каучукообразного полимера с экстремальной легкостью и низкой плотностью аэрогеля.

Дженетт объясняет: для каждой фазы полета существует свой набор оптимальных параметров крыла. Система разработана так, чтобы автоматически реагировать на изменения аэродинамической нагрузки, меняя форму определенным образом.

Масштабируемое производство

Метровый демонстратор был создан Чаном и командой несколько лет назад. Новая версия, в пять раз длиннее, сопоставима по размеру с крылом реального одноместного самолета и рассчитана на автоматическую сборку роботами. Проектирование и испытания роботизированной системы сборки станут темой отдельной статьи.

Ранее отдельные детали вырезали водяным резаком, на каждую уходило несколько минут. Теперь используется литье в формы из полиэтиленовой смолы: каждая деталь — полый куб из шплинтоподобных ребер — производится за 17 секунд, что приближает технологию к серийному производству. «Теперь у нас есть производственный метод», — говорит Дженетт. «Первоначальные вложения в оснастку велики, но затем детали становятся дешевыми. У нас коробки одинаковых деталей».

Плотность полученной решетки составляет 5,6 кг/м³. Для сравнения: плотность каучука — около 1500 кг/м³. «Они имеют одинаковую жесткость, но наша плотность меньше примерно в 1000 раз», — отмечает Дженетт.

Перспективы применения

Поскольку общая конфигурация собирается из микроблоков, форму крыла можно кардинально менять. Исследования показывают, что интегрированная структура «крыло-фюзеляж» может быть гораздо эффективнее, и с этой системой такие конструкции легко строить, тестировать, модифицировать и перетестировать.

Ту же систему можно использовать для лопастей ветряков (сборка на месте решает проблему транспортировки), космических конструкций, мостов и других высоконагруженных сооружений.

В работе участвовали исследователи из Корнельского университета, UC Berkeley, UC Santa Cruz, NASA Langley, Каунасского технологического университета (Литва) и Qualified Technical Services Inc. Проект финансировался программой NASA ARMD Convergent Aeronautics Solutions (MADCAT) и Центром битов и атомов MIT.