MIT ir NASA inžinieriai demonstruoja naujovišką orlaivio sparną

Inžinierių komanda sukūrė ir išbandė iš esmės naują lėktuvo sparną, surinktą iš šimtų identiškų dalių. Tyrėjai sako, kad skrydžio metu galima keisti tokio tipo sparno formą ir taip kontroliuoti lėktuvą, be to, tai palengvina orlaivio gamybą, skrydžio ir priežiūros efektyvumą.

Naujasis būdas gali pasiūlyti didesnį būsimų lėktyuvų dizaino ir gamybos lankstumą. Naujas sparno dizainas buvo išbandytas NASA vėjo tunelyje ir aprašomas Smart Materials and Structures žurnale.

Vietoje tokių atskirų posvyrio ir atakos kampą reguliuojančių judančių paviršių tradiciniuose lėktuvuose, kaip eleronai, naujojoje sistemoje galima deformuoti visą sparną, ar jo dalis, apjungiant standžius ir lanksčius jų struktūros komponentus. Sujungtos mažos detalės suformuoja atvirą, lengvą gardelės struktūrą, kuri padengiama plonu panašaus polimero sluoksniu.

Taip pagaminamas daug lengvesnis, tad ir daug energetiškai efektyvesnis sparnas, nei įprastiniai, gaminami iš metalų ar kompozitinių medžiagų, sako tyrėjai. Kadangi iš tūkstančių degtukus primenančių strypelių, sujungtų į trikampius, sudarytos struktūros didžiąją dalį užima tuštuma, ji suformuoja mechaninę „metamedžiagą“, apjungiančią struktūrinį gumą primenančio polimero standumą ir aerogelio ekstremalų lengvumą ir mažą tankį.

Jenett aiškina, kad kiekvienos skrydžio fazės – kilimo ir leidimosi, skrydžio kreiseriniu greičiu, manevravimo, etc. – optimalūs sparnų parametrai skiriasi, tad įprastiniuose sparnuose neišvengiamai taikomi kompromisai, kurie nėra optimizuoti nė vienai iš jų, todėl nukenčia efektyvumas. Galintis nuolat prisitaikyti sparnas galėtų daug geriau aproksimuoti kiekvienos skrydžio fazės optimalius parametrus.

Iš šimtų identiškų dalių surenkamas sparnas. Šis sparnas buvo bandomas NASA vėjo tunelyje. 
©Credit: Kenny Cheung, NASA Ames Research Center

Nors būtų įmanoma sparno formą keisti motorais ir lynais, komanda žengė toliau ir sukūrė sistemą, kuri automatiškai reaguoja į aerodinamines apkrovas, pakeisdama formą – savotiškas savaime prisitaikantis, pasyvus sparnų rekonfigūracijos procesas.

„Galime padidinti efektyvumą, pritaikydami jų formą apkrovoms, kylančioms kintant atakos kampui,“ sako straipsnio pagrindinis autorius Cramer. „Galime sukurti lygiai tokį patį pokytį, kokį darytumėte aktyviai, bet mes atliekame tai pasyviai.“

Visa tai pasiekta, kruopščiai parenkant santykines skirtingo stangrumo ar lankstumo strypelių pozicijas, ir sparnas ar jo dalis išlinksta atitinkamai.

Bazinį principą Cheung ir kiti pademonstravo jau prieš keletą metų, ir sukūrė maždaug metro ilgio sparną, palyginamą su tipišku nuotolinio valdymo lėktuvo modelio sparnu. Naujosios, maždaug penkių metrų ilgio versijos dydis primena tikro vienviečio lėktuvo sparną ir jį būtų lengva pagaminti.

Nors šią versiją rankomis surinko studentų komanda, tokius pasikartojančius procesus galėtų nesunkiai atlikti mažų, paprastų autonomiškų surinkimo robotų spiečius. Robotinės surinkimo sistemos dizainas ir išbandymas – kito straipsnio tema, sako Jenettas.

Atskiros ankstesnio sparno dalys buvo išpjaunamos vandens čiurkšle, ir kiekvienos jų gamyba truko kelias minutes. Naujoje sistemoje detalės liejamos iš polietileno dervos injekciniu liejimu į sudėtingą 3-D formą ir kiekviena detalė – iš esmės, tuščias kubas iš degtuko dydžio strypelių kiekvienoje kraštinėje – pagaminama vos per 17 minučių, kas gerokai priartina didesnio mastelio lygio gamybą.

„Dabar turime gamybos metodą,“ sako jis. Nors instrumentams reikia pradinių investicijų, kai tai jau atlikta, „dalys pigios“. „Turime jų daug dėžių ir jos vienodos“, pridūrė jis.

Gautų gardelių tankis tesiekia 5,6 kg/m³. Palyginimui, polimero tankis ~1 500 kg/m³. „Jų standumas vienodas, bet mūsų gaminio tankis maždaug tūkstantį kartų mažesnis,“ sako Jenettas.

Bandymui pirmasis sparnas buvo surinktas rankomis, bet būsimas versijas galės surinkti spacialūs miniatiūriniai robotai 
©Kenny Cheung, NASA Ames Research Center

Kadangi sparnų ar kitų struktūrų konfigūracija sukurta iš mažų detalių, jų forma tampa ne tokia svarbi. „Galima sukurti kokią tik nori geometriją,“ sako jis. „Daugumos orlaivių vienodą formą“ — iš esmės, sparnuoto vamzdžio — „lemia kaštai. Tai nėra visados pati efektyviausia forma.“ Bet dėl milžiniškų investicijų į dizainą, įrangą ir gamybą, lengviau apsiriboti seniai nusistovėjusiomis konfigūracijomis.

Tyrimai parodė, kad integruotos fiuzelažo ir sparno struktūros daugeliu atvejų būtų gerokai efektyvesnės, ir su šia sistema jas sukurti, išbandyti, modifikuoti ir išbandyti iš naujo būtų nesunku, sako jis.

Integruoto sparno ir fiuzelažo orlaivio koncepcija, kurią galima įgyvendinti nauju konstravimo metodu, surenka oranžine spalva pavaizduoti specialūs robotai. 
©Eli Gershenfeld, NASA Ames Research Center

„Tyrimas rodo, kaip galima atpiginti ir pagerinti dideles, lengvas, standžias struktūras,“ sako Daniel Campbell, struktūrų tyrėjas iš Aurora Flight Sciences, Boeing kompanijos, nedalyvavęs tyrime. „Perspektyviausios pritaikymo artimiausiu metu galimybės – orlaivių ir kosminėms struktūroms, tokioms, kaip antenos.“

Naujas sparnas buvo kuriamas taip, kad tilptų NASA Langley tyrimų centro didelio greičio vėjo tunelyje, kur jis pasirodė netgi kiek geriau, nei prognozuota, sako Jenettas.

Ta pati sistema galėtų būti naudojama ir kitoms struktūroms, tokioms, kaip sparnus primenančios vėjo turbinų mentės, kur galimybė surinkti jas vietoje išspręstų vis ilgesnių menčių transportavimo žeme problemas. Panašūs sprendimai kuriami struktūrų statymui kosmose, ir galėtų pasitarnauti tiltams ar kitoms apkrautoms struktūroms.

Massachusetts Institute of Technology phys.org, Rašo: Technologijos.lt