Samoloty ze zmiennokształtnymi skrzydłami - przyszłość lotnictwa
Skrzydło składające się z małych, identycznych elementów może niebawem umożliwić budowę lżejszych i bardziej energooszczędnych samolotów. Innowacyjny projekt został zaprezentowany przez naukowców MIT i NASA.
Zespół inżynierów zbudował i przetestował nowy rodzaj, złożonego z setek dużo mniejszych, identycznych elementów. Skrzydło może zmieniać kształt, aby kontrolować lot samolotu. Naukowcy przekonują, że takie działanie może pozwolić na zwiększenie wydajności produkcji, a co za tym idzie ulepszenie branży lotniczej.
Skrzydło, które zmienia kształt
Nowe podejście do konstrukcji skrzydeł pozwoli na większą elastyczność w projektowaniu i produkcji przyszłych samolotów. Struktura została już przetestowana w tunelu aerodynamicznym NASA. Zamiast obecności oddzielnych ruchomych powierzchni, takich jak lotki, służących do sterowania nachyleniem samolotu (jak w konwencjonalnych skrzydłach), nowy system działa inaczej.
Pozwala na odkształcenie całego skrzydła lub jego części poprzez włączenie sztywnych i elastycznych składników swojej struktury. Maleńkie podzespoły tworzące lekką ramę kratową są pokryte cienką warstwą materiału polimerowego.
Rezultatem jest skrzydło znacznie bardziej energooszczędne od konwencjonalnych konstrukcji - zarówno tych z metalu, jak i materiałów kompozytowych. Ponieważ jego struktura składa się z tysięcy maleńkich trójkątów wypełnionych belkami wielkości zapałek, powstaje mechaniczny "metamateriał", który łączy sztywność gumopodobnego polimeru, ekstremalną lekkość i niską gęstość aerożelu.
Benjamin Jennet z MIT, jeden z głównych twórców innowacyjnego skrzydła, wyjaśnił, że dla każdej fazy lotu - startu, lądowania, przelotu i manewrowania - występuje inny zestaw optymalnych parametrów skrzydła. Konwencjonalne skrzydło jest koniecznym kompromisem, który nie jest zoptymalizowany dla żadnej ze wspomnianych faz, a zmiennokształtne skrzydło daje możliwość przybliżenia się do najlepszej konfiguracji dla każdego etapu.
Naukowcy MIT zaprojektowali system, który automatycznie reaguje na zmiany warunków obciążenia aerodynamicznego. W praktyce oznacza to, że podczas startu skrzydło samolotu wygląda inaczej niż podczas lądowania czy po osiągnięciu wysokości przelotowej. Sam proces zmiany kształtu skrzydła nie jest odgórnie sterowany - uczeni nazywają go pasywnym procesem rekonfiguracji skrzydła.
- Jesteśmy w stanie zwiększyć wydajność lotu, dopasowując kształt skrzydła do obciążeń przy różnych kątach natarcia. Możemy odtworzyć dokładnie to samo zachowanie, ale w sposób pasywny - powiedział Nicholas Cramer z NASA.
Nowa era materiałów
Naukowcy MIT zademonstrowali zasadę działania zmiennokształtnego skrzydła kilka lat temu, tworząc strukturę o długości ok. pół metra, porównywalną do rozmiarów skrzydła typowych zdalnie sterowanych modeli samolotów. Nowa wersja jest około pięć razy dłuższa i porównuje się ją pod względem wielkości ze skrzydłem pełnowymiarowego jednomiejscowego samolotu. Jego produkcja może być niezwykle łatwa dzięki automatyzacji tego procesu.
- Chociaż ta wersja została ręcznie złożona przez absolwentów MIT, proces został zaprojektowany w taki sposób, aby można było go powtarzać za pomocą roju małych, autonomicznych robotów montażowych. Projekt i testy zrobotyzowanego systemu montażu jest tematem nadchodzących badań - powiedział Jenett.
Poszczególne części skrzydła zostały wycięte przy użyciu strumienia wody, a wykonanie każdej z nich zajęło kilka minut. Nowo opracowany system wykorzystuje formowanie wtryskowe z żywicy polietylenowej w złożonej trójwymiarowej formie. Zajmuje mu to zaledwie 17 sekund. Każdy z elementów budulcowych zmiennokształtnego skrzydła to tak naprawdę pusty wielokąt przestrzenny wypełniony maleńkimi belkami rozporowymi o wymiarach zapałek ulokowanych wzdłuż każdej krawędzi.
Tak wytworzona siatka ma gęstość 5,6 kg/m3. Dla porównania, guma ma gęstość ok. 1500 kg/m3, czyli aż tysiąc razy więcej. Pomimo tego, sztywność obu materiałów jest porównywalna, co czyni z metamateriału idealny budulec skrzydeł samolotów przyszłości.
- Ponieważ ogólna konfiguracja skrzydła lub innej struktury jest zbudowana z maleńkich podjednostek, finalny kształt nie ma większego znaczenia. Naukowcy mogą odtworzyć dowolną geometrię. Fakt, że większość samolotów ma taki sam kształt - cylindra ze skrzydłami - wynika z kosztów. Nie zawsze jest to najbardziej efektywny kształt - podsumował Jenett.
