Rolroeren, roeren, vleugelkleppen - al die dingen die een vliegtuig recht houden of een nieuwe koers laten bepalen - waren slechts een benadering. Normaal hechten deze stukken zich vast aan de achterkant van de vleugel en de staart, en wanneer ze omhoog of omlaag bewegen, creëren ze weerstand en zorgen ze ervoor dat het vliegtuig van richting of hoogte verandert.
Een continue, flexibele vleugel gebouwd door NASA en medewerkers van MIT, University of California, Santa Cruz en verschillende andere universiteiten zou hetzelfde resultaat efficiënter kunnen bereiken, waardoor zowel het brandstofverbruik als de kosten voor het bouwen van de vliegtuigen worden verlaagd.
"Een van de belangrijkste punten is dat we dit soort prestaties tegen extreem lage kosten kunnen krijgen", zegt Kenneth Cheung, een NASA-wetenschapper die mede-leider is van het project. "En deze belofte van schaalbaarheid komt voort uit het feit dat we relatief kleine bouwstenen kunnen gebruiken."
De vleugel, beschreven in het tijdschrift Soft Robotics , bestaat uit kleine koolstofvezelonderdelen die elkaar kruisen om een flexibel, lichtgewicht rooster te vormen dat nog steeds stijf is in de juiste richting.
De weerstand op een traditionele vleugel veroorzaakt een soort wervelende luchtstroom rond de vleugel (meer dan alleen nodig is voor lift) en die lucht trilt met zogenaamde fluttermodi, waarvan de vorm en grootte en frequentie afhankelijk zijn van de snelheid van het vaartuig. Een stijve, zware vleugel zoals de aluminium op een 747 is sterk genoeg om die trillingen te weerstaan en niet af te scheuren, zelfs bij hoge snelheden. Dit is een modelvliegtuig dat is bereikt op basis van decennia die een snellere vlucht nastreven, zegt Cheung.
Het resultaat is, rondom een vliegtuig tijdens de vlucht zijn bewegende vormen gemaakt van lucht. Cheung noemt ze de vrije stroom en zijn doel is om de vorm van het vliegtuig op elk willekeurig moment aan te passen aan de stroom. Een draai in de vleugel kan het vliegtuig soepel van vorm doen veranderen, een beetje als een surfer die een golf vangt.
Het basisprincipe achter het nieuwe concept is het gebruik van een reeks kleine, lichtgewicht structurele stukken die kunnen worden geassembleerd in een vrijwel oneindige verscheidenheid aan vormen. (Kenneth Cheung / NASA) "De starre rolroeren zijn slechts een losse benadering van wat echt de toestand is die je probeert te bereiken, " zegt hij. "Dus de efficiëntiewinsten die je behaalt door de aerodynamische toestand daadwerkelijk te matchen, kunnen echt aanzienlijk zijn."
Het is niet nieuw om een vleugel te bouwen die van vorm kan veranderen. De Wright Brothers deden het zelfs - hun vliegtuig was gebaseerd op flexibele houten en canvas vleugels. Meer recent heeft Airbus geëxperimenteerd met flexibele 3D-geprinte vleugels, en een bedrijf genaamd FlexSys publiceerde deze maand video van een meer traditioneel rolroer dat buigt in plaats van dia's.
"Het is een behoorlijk grote efficiëntieverbetering in een vliegtuig", zegt David Hornick, president en COO van FlexSys. “Je behoudt eigenlijk een echte vleugelvorm wanneer je deze morphing-aanpak doet. De vorm van het vleugelprofiel is er nog steeds, je vermindert de hoeveelheid weerstand die zou worden gecreëerd door er een scharnierend besturingsoppervlak op te plaatsen. ”
"De volledig flexibele vleugel zal een beetje uitdagend zijn" omdat hij minder lijkt op traditionele vleugelvormen, zegt Hornick. "Maar eerlijk gezegd, wat ze doen is behoorlijk opmerkelijk."
Andere onderzoekers van de Technische Universiteit Delft en Texas A&M hebben ook morphing-vleugels ontworpen en gebouwd, maar het bijzondere aan de vleugel van NASA zit erin. Koolstofvezel is licht, vormbaar en stijf. Maar het is broos en vatbaar voor breken wanneer het in de verkeerde richting wordt gestrest. Cheung en zijn team ontwikkelden een kleine, in elkaar grijpende eenheid die samengevoegd kan worden om een driedimensionaal rooster van koolstofvezel te maken. Individueel zijn ze stijf, maar het geheel is flexibel. Het is ook extreem licht.
"Als je deze bouwsteenstrategie gebruikt om deze driedimensionale roosters te bouwen van koolstofvezelonderdelen, krijg je iets dat je kunt behandelen als een continu materiaal", zegt Cheung. “Je krijgt ongelooflijk goede prestaties. We hebben zelfs de hoogste specifieke stijfheid ooit getoond voor een ultralicht materiaal. ”
Nadat het rooster was gebouwd, liet het team een stang lopen van de romp naar de vleugeltip, die, wanneer geroteerd door een motor in het lichaam van het vliegtuig, de tip draait, en de rest van de vleugel volgt. Het geheel is omhuld in een polyimide genaamd Kapton, een koperachtig, tape-achtig materiaal dat wordt gebruikt in flexibele printplaten.
Een nieuw ontwikkelde vleugelarchitectuur kan het productieproces aanzienlijk vereenvoudigen en het brandstofverbruik verlagen door de aerodynamica van de vleugel te verbeteren. Het is gebaseerd op een systeem van kleine, lichtgewicht subeenheden die kunnen worden samengesteld door een team van kleine gespecialiseerde robots en uiteindelijk kunnen worden gebruikt om het hele casco te bouwen. (Kenneth Cheung / NASA) Een verder voordeel is de modulariteit van de componenten; bijna de hele vleugel was samengesteld uit identieke stukken, wat betekent dat een luchtvaartmaatschappij die ze wilde gebruiken, ook veel kon besparen op het productieproces. Ze kunnen ook afzonderlijk worden vervangen, wat goedkopere reparaties betekent, of opnieuw worden geconfigureerd in nieuwe vormen voor andere vliegtuigen.
"Wat ze hebben gedaan, is dat ze deze lichte, stijve structuren hebben gebruikt op een manier die de hele structuur vervormbaar maakt, " zegt Haydn Wadley, een professor in materiaalkunde en techniek die werkt aan vervormbare, maar sterke roosters van vorm- geheugenlegeringen aan de Universiteit van Virginia. "Dit is zoiets, je zou je een windturbine kunnen voorstellen die de vorm van een vleugel verandert om te bepalen hoeveel energie het uit de wind zuigt."
Het onderzoeksteam heeft de vleugel al op een vliegtuig met afstandsbediening gemonteerd, en toekomstige testvluchten zullen grotere vliegtuigen hebben - tot drie meter spanwijdte - met sensoren erop gemonteerd om de vleugel te controleren en hoe goed deze overeenkomt met de luchtstroom eromheen . Uiteindelijk zou de technologie kunnen verschijnen in bemande vliegtuigen of zelfs commerciële vliegtuigen. Maar zelfs de lucht is misschien niet de limiet.
“We kijken ook uit naar potentiële ruimtetoepassingen. Het is duidelijk dat als je een ruimteschip of een habitat in de ruimte gaat bouwen, je daar geen fabriek hebt ”, zegt Cheung. "We weten dat we al deze applicaties in de ruimte hebben die veel groter zijn dan we kunnen lanceren, dus we moeten ze bouwen."
