Una nueva forma de fabricar alas de aviones podría permitir nuevos diseños radicales, como este concepto, que podría ser más eficiente para algunas aplicaciones. Crédito:Eli Gershenfeld, Centro de Investigación Ames de la NASA
Un equipo de ingenieros ha construido y probado un tipo de ala de avión radicalmente nuevo, ensamblado a partir de cientos de diminutas piezas idénticas. El ala puede cambiar de forma para controlar el vuelo del avión, y podría proporcionar un impulso significativo en la producción de aviones, vuelo, y eficiencia de mantenimiento, dicen los investigadores.
El nuevo enfoque de la construcción de alas podría permitir una mayor flexibilidad en el diseño y fabricación de futuros aviones. El nuevo diseño de ala se probó en un túnel de viento de la NASA y se describe hoy en un artículo de la revista Smart Materials and Structures. en coautoría con el ingeniero de investigación Nicholas Cramer en NASA Ames en California; Ex alumno del MIT Kenneth Cheung SM '07 Ph.D. '12, ahora en NASA Ames; Benjamin Jenett, estudiante de posgrado en el Centro de Bits y Átomos del MIT; y otros ocho.
En lugar de requerir superficies móviles separadas como alerones para controlar el balanceo y cabeceo del avión, como hacen las alas convencionales, el nuevo sistema de montaje permite deformar todo el ala, o partes de ella, incorporando una mezcla de componentes rígidos y flexibles en su estructura. Los pequeños subconjuntos, que se atornillan para formar una abertura, marco de celosía ligero, luego se cubren con una capa delgada de material polimérico similar al de la estructura.
El resultado es un ala mucho más ligera, y por lo tanto mucho más eficiente energéticamente, que aquellos con diseños convencionales, ya sea de metal o compuestos, dicen los investigadores. Porque la estructura, que comprende miles de pequeños triángulos de puntales en forma de cerillas, se compone principalmente de espacio vacío, forma un "metamaterial" mecánico que combina la rigidez estructural de un polímero similar al caucho y la extrema ligereza y baja densidad de un aerogel.
Jenett explica que para cada una de las fases de un vuelo, despegue y aterrizaje, crucero maniobras y así sucesivamente, cada uno tiene lo suyo, diferente conjunto de parámetros óptimos del ala, por lo que una vela convencional es necesariamente un compromiso que no está optimizado para ninguno de estos, y por lo tanto sacrifica la eficiencia. Un ala que sea constantemente deformable podría proporcionar una aproximación mucho mejor de la mejor configuración para cada etapa.
El ensamblaje del ala se ve en construcción, ensamblados a partir de cientos de subunidades idénticas. El ala fue probada en un túnel de viento de la NASA. Crédito:Kenny Cheung, Centro de Investigación Ames de la NASA
Si bien sería posible incluir motores y cables para producir las fuerzas necesarias para deformar las alas, El equipo ha llevado esto un paso más allá y ha diseñado un sistema que responde automáticamente a los cambios en sus condiciones de carga aerodinámica cambiando su forma, una especie de autoajuste, proceso pasivo de reconfiguración del ala.
"Podemos ganar eficiencia al hacer coincidir la forma con las cargas en diferentes ángulos de ataque, "dice Cramer, el autor principal del artículo. "Podemos producir exactamente el mismo comportamiento que harías de forma activa, pero lo hicimos pasivamente ".
Todo esto se logra mediante el diseño cuidadoso de las posiciones relativas de los puntales con diferentes cantidades de flexibilidad o rigidez, diseñado para que el ala, o secciones de ella, doblarse de formas específicas en respuesta a tipos particulares de tensiones.
Cheung y otros demostraron el principio básico subyacente hace unos años, produciendo un ala de aproximadamente un metro de largo, comparable al tamaño de un modelo de avión típico por control remoto. La nueva versión aproximadamente cinco veces más largo, es comparable en tamaño al ala de un avión monoplaza real y podría ser fácil de fabricar.
Si bien esta versión fue ensamblada a mano por un equipo de estudiantes graduados, El proceso repetitivo está diseñado para ser logrado fácilmente por un enjambre de pequeños, Robots de montaje autónomos sencillos. El diseño y las pruebas del sistema de ensamblaje robótico es el tema de un próximo artículo, Dice Jenett.
Para propósitos de prueba, esta ala inicial fue ensamblada a mano, pero las versiones futuras podrían ser ensambladas por robots en miniatura especializados. Crédito:Kenny Cheung, Centro de Investigación Ames de la NASA
Las piezas individuales del ala anterior se cortaron mediante un sistema de chorro de agua, y tomó varios minutos hacer cada parte, Dice Jenett. El nuevo sistema utiliza moldeo por inyección con resina de polietileno en un complejo molde 3-D, y produce cada parte, esencialmente un cubo hueco formado por puntales del tamaño de una cerilla a lo largo de cada borde, en solo 17 segundos, él dice, lo que lo acerca mucho más a niveles de producción escalables.
"Ahora tenemos un método de fabricación, ", dice. Si bien hay una inversión inicial en herramientas, una vez hecho esto, "las piezas son baratas, ", dice." Tenemos cajas y cajas de ellos, todos iguales."
La celosía resultante, él dice, tiene una densidad de 5,6 kilogramos por metro cúbico. A modo de comparación, el caucho tiene una densidad de aproximadamente 1, 500 kilogramos por metro cúbico. "Tienen la misma rigidez, pero el nuestro tiene menos de aproximadamente una milésima parte de la densidad, "Dice Jenett.
Debido a que la configuración general del ala u otra estructura se construye a partir de pequeñas subunidades, realmente no importa cuál sea la forma. "Puedes hacer cualquier geometría que quieras, ", dice." El hecho de que la mayoría de los aviones tengan la misma forma ", esencialmente un tubo con alas," se debe al costo. No siempre es la forma más eficiente ". Pero inversiones masivas en diseño, estampación, y los procesos de producción facilitan el mantenimiento de configuraciones establecidas desde hace mucho tiempo.
Los estudios han demostrado que una estructura integrada de carrocería y ala podría ser mucho más eficiente para muchas aplicaciones, él dice, y con este sistema se podrían construir fácilmente, probado, modificado, y vuelto a probar.
El concepto del artista muestra aviones integrados con alas y cuerpos, habilitado por el nuevo método de construcción que está siendo ensamblado por un grupo de robots especializados, se muestra en naranja. Crédito:Eli Gershenfeld, Centro de Investigación Ames de la NASA
"La investigación es prometedora para reducir los costos y aumentar el rendimiento para grandes empresas peso ligero estructuras rígidas, "dice Daniel Campbell, investigador de estructuras en Aurora Flight Sciences, una empresa de Boeing, que no participó en esta investigación. "Las aplicaciones más prometedoras a corto plazo son las aplicaciones estructurales para aeronaves y estructuras espaciales, como antenas ".
La nueva ala fue diseñada para ser tan grande como pudiera acomodarse en el túnel de viento de alta velocidad de la NASA en el Centro de Investigación Langley. donde funcionó incluso un poco mejor de lo previsto, Dice Jenett.
El mismo sistema podría usarse para hacer otras estructuras también, Jenett dice:incluidas las palas en forma de alas de las turbinas eólicas, donde la capacidad de realizar el montaje in situ podría evitar los problemas de transporte de palas cada vez más largas. Se están desarrollando ensamblajes similares para construir estructuras espaciales, y eventualmente podría ser útil para puentes y otras estructuras de alto rendimiento.
Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.
