Lotki, stery, klapy skrzydeł - wszystkie te rzeczy, które utrzymują samolot w prostej linii lub pozwalają mu wytyczyć nowy kurs - były tylko przybliżeniem. Zazwyczaj elementy te przyczepiają się do tylnej części skrzydła i ogona, a gdy poruszają się w górę lub w dół, tworzą opór i powodują zmianę kierunku lub wysokości samolotu.
Ciągłe, elastyczne skrzydło zbudowane przez NASA i współpracowników z MIT, University of California, Santa Cruz i kilku innych uniwersytetów może osiągnąć ten sam wynik bardziej efektywnie, zmniejszając zarówno zużycie paliwa, jak i koszty budowy samolotów.
„Jednym z głównych punktów jest to, że możemy uzyskać tego rodzaju wydajność przy wyjątkowo niskich kosztach”, mówi Kenneth Cheung, naukowiec z NASA, który jest współprowadzącym projekt. „Istnieje obietnica skalowalności wynikająca z faktu, że możemy używać stosunkowo małych elementów”.
Skrzydło, opisane w czasopiśmie Soft Robotics , składa się z małych części z włókna węglowego, które przecinają się, tworząc elastyczną, lekką siatkę, która jest nadal sztywna we wszystkich właściwych kierunkach.
Przeciąganie na tradycyjne skrzydło indukuje rodzaj wirującego prądu powietrza wokół skrzydła (więcej niż jest to potrzebne do samego podnoszenia), a to powietrze wibruje z tak zwanymi trybami trzepotania, których kształt, rozmiar i częstotliwość zależą od prędkości rzemiosło. Sztywne, ciężkie skrzydło, takie jak aluminiowe w 747, jest wystarczająco mocne, aby wytrzymać wibracje i nie ścinać, nawet przy dużych prędkościach. Jest to model, który osiągnęły samoloty oparte na dziesięcioleciach dążących do szybszego lotu, mówi Cheung.
Rezultat jest taki, że wokół samolotu w locie poruszają się kształty wykonane z powietrza. Cheung nazywa je wolnym strumieniem, a jego celem jest dopasowanie kształtu samolotu w dowolnym momencie do strumienia. Skręt w skrzydle może sprawić, że samolot zmieni kształt płynnie, trochę jak surfer łapie falę.
Podstawową zasadą nowej koncepcji jest zastosowanie szeregu małych, lekkich elementów konstrukcyjnych, które można łączyć w praktycznie nieskończoną różnorodność kształtów. (Kenneth Cheung / NASA) „Sztywne lotki są tylko luźnym przybliżeniem tego, co naprawdę jest warunkiem, który próbujesz osiągnąć” - mówi. „Tak więc wzrost wydajności, który osiągniesz poprzez dopasowanie warunków aerodynamicznych, może być naprawdę znaczący.”
Nie jest niczym nowym budowanie skrzydła, które może zmieniać kształt. W rzeczywistości zrobili to Bracia Wright - ich samolot był oparty na elastycznych skrzydłach z drewna i płótna. Niedawno Airbus eksperymentował z elastycznymi drukowanymi skrzydłami 3D, a firma o nazwie FlexSys opublikowała w tym miesiącu wideo z bardziej tradycyjnej lotki, która wygina się zamiast slajdów.
„To znaczna poprawa wydajności samolotu” - mówi David Hornick, prezes i dyrektor operacyjny FlexSys. „Tak naprawdę zachowujesz prawdziwy kształt płata, kiedy wykonujesz to podejście do morfingu. Kształt płata nadal tam jest, zmniejszasz opór, który powstałby, umieszczając na nim zawiasową powierzchnię kontrolną. ”
„W pełni elastyczne skrzydło będzie nieco trudne”, ponieważ jest mniej podobne do tradycyjnych kształtów skrzydeł, mówi Hornick. „Ale szczerze mówiąc, to, co robią, jest dość niezwykłe.”
Inni badacze z Delft University of Technology i Texas A&M również zaprojektowali i zbudowali skrzydła morfingowe, ale to, co jest szczególne w skrzydle NASA, jest w nim. Włókno węglowe jest lekkie, podatne na formowanie i sztywne. Ale jest kruchy i podatny na pękanie, gdy jest zestresowany w złym kierunku. Cheung i jego zespół opracowali małą, blokującą się jednostkę, którą można złożyć w celu stworzenia trójwymiarowej sieci z włókna węglowego. Indywidualnie są sztywne, ale całość jest elastyczna. Jest również wyjątkowo lekki.
„Jeśli zastosujesz tę strategię budowania trójwymiarowych sieci z części z włókna węglowego, otrzymasz coś, co możesz potraktować jako ciągły materiał”, mówi Cheung. „Otrzymujesz niesamowicie dobrą wydajność. W rzeczywistości pokazaliśmy najwyższą jak dotąd sztywność właściwą dla ultralekkiego materiału. ”
Po zbudowaniu siatki zespół poprowadził pręt od kadłuba do końcówki skrzydła, który po obróceniu przez silnik w korpusie samolotu skręca końcówkę, a reszta skrzydła podąża za nim. Całość jest osłonięta poliimidem o nazwie Kapton, miedzianym materiałem podobnym do taśmy stosowanym w elastycznych obwodach drukowanych.
Nowo opracowana architektura skrzydła może znacznie uprościć proces produkcji i zmniejszyć zużycie paliwa poprzez poprawę aerodynamiki skrzydła. Opiera się na systemie małych, lekkich podjednostek, które mogą być zmontowane przez zespół małych wyspecjalizowanych robotów i ostatecznie mogą zostać wykorzystane do budowy całej płatowca. (Kenneth Cheung / NASA) Kolejną korzyścią jest modułowość komponentów; prawie całe skrzydło zostało złożone z identycznych elementów, co oznacza, że linia lotnicza, która chciała ich użyć, mogłaby znacznie zaoszczędzić na procesie produkcyjnym. Można je również wymieniać indywidualnie, co oznacza tańsze naprawy, lub przekształcać w nowe kształty dla innych samolotów.
„To, co zrobili, polegało na tym, że zastosowali te lekkie, sztywne struktury w taki sposób, że cała konstrukcja jest odkształcalna”, mówi Haydn Wadley, profesor inżynierii materiałowej, który pracuje na odkształcalnych, ale mocnych sieciach kształtu stopy pamięci na University of Virginia. „Tego rodzaju można sobie wyobrazić turbinę wiatrową, która zmienia kształt płata, aby określić ilość energii zasysanej przez wiatr”.
Zespół badawczy zamontował już skrzydło na zdalnie sterowanym samolocie, a przyszłe loty testowe będą obejmować większe samoloty - do trzech metrów rozpiętości skrzydeł - z zamontowanymi na nich czujnikami do monitorowania skrzydła i tego, jak dobrze dopasowuje się do strumienia powietrza wokół niego . W końcu technologia może pojawić się w samolotach załogowych, a nawet samolotach komercyjnych. Ale nawet niebo może nie być granicą.
„Czekamy również na potencjalne zastosowania kosmiczne. Oczywiście, jeśli zamierzasz zbudować statek kosmiczny lub siedlisko w kosmosie, nie ma tam fabryki, aby je zbudować - mówi Cheung. „Wiemy, że mamy wszystkie te aplikacje w kosmosie, które są znacznie większe niż możemy uruchomić, więc musimy je zbudować.”
