麻省理工学院和美国宇航局的工程师演示了一种新型的飞机机翼

麻省理工学院和美国宇航局的工程师演示了一种新型的飞机机翼

一个工程师团队已经制造并测试了一种全新的飞机机翼,这种机翼由数百个完全相同的小部件组装而成。研究人员说,机翼可以改变形状来控制飞机的飞行,并且可以显著提高飞机的生产、飞行和维护效率。

新的机翼结构方法可以为未来飞机的设计和制造提供更大的灵活性。新的机翼设计在美国宇航局风洞中进行了测试,今天在智能材料与结构杂志上发表了论文,该杂志由加利福尼亚州宇航局艾姆斯的研究工程师尼古拉斯·克莱默(Nicholas Cramer)和麻省理工学院(MIT)校友张肯尼斯(Kenneth Cheung)SM’07博士’12共同撰写,现任美国宇航局艾姆斯(NASA Ames);麻省理工学院比特和原子中心(MIT Center for Bits and Atomics)的研究生本杰明·杰内特(Benjamin Jenet还有八个。

与传统机翼一样,新的装配系统不需要单独的可移动表面(如副翼)来控制飞机的横摇和纵摇,而是通过在其结构中加入刚性和柔性部件的组合,使整个机翼或部分机翼变形。这些微小的组件通过螺栓连接在一起,形成一个开放的、轻型的格子框架,然后被一层类似于框架的聚合物材料覆盖。

研究人员说,与传统设计的机翼相比,无论是金属还是复合材料制成的机翼都要轻得多,因此更节能。由于这种结构由数千个小三角形的火柴棍状支柱组成,主要由空旷的空间组成,它形成了一种机械“超材料”,结合了橡胶状聚合物的结构刚度和气凝胶的极轻和低密度。

Jenett解释说,对于飞行的每一个阶段——起飞和着陆、巡航、机动等等——每个阶段都有自己的、不同的最佳机翼参数集,因此传统机翼必然是一个折衷方案,不针对任何这些参数进行优化,因此会牺牲效率。不断变形的机翼可以为每个阶段提供更好的最佳配置近似值。

虽然有可能包括发动机和电缆来产生使机翼变形所需的力,但研究小组已经进一步设计了一个系统,通过改变其形状来自动响应其气动载荷条件的变化,这是一种自我调整的被动机翼重新配置过程。

该论文的主要作者克莱默说:“我们可以通过将形状与不同攻角的载荷相匹配来提高效率。”“我们能够产生与你积极的行为完全相同的行为,但我们是被动的。”

这一切都是通过精心设计具有不同柔性或刚度的支柱的相对位置来实现的,设计的目的是为了使机翼或其部分能够根据特定类型的应力以特定方式弯曲。

几年前,张和其他人演示了基本的基本原理,生产了一个大约一米长的机翼,与典型的遥控模型飞机的尺寸相当。新的版本,大约五倍的长度,是相当于一个真正的单座飞机机翼的大小,可以很容易地制造。

虽然这个版本是由一个研究生团队手工组装的,但是重复的过程被设计成很容易被一群小型的、简单的自主组装机器人完成。Jenett说,机器人装配系统的设计和测试是即将发表的论文的主题。

Jenett说,前一个机翼的单个部件是用喷水系统切割的,每一个部件需要几分钟的时间。他说,新的系统在一个复杂的三维模具中使用聚乙烯树脂注射成型,并在17秒内生产出每个零件——基本上是一个由火柴棍大小的支柱组成的空心立方体——这使得它更接近可扩展的生产水平。

“现在我们有了一种制造方法,”他说。他说,虽然有一项对工具的前期投资,但一旦这样做,“零件是便宜的”。“我们有一箱又一箱,都是一样的。”

他说,由此产生的晶格密度为每立方米5.6千克。相比之下,橡胶的密度约为每立方米1500公斤。“它们有相同的刚度,但我们的刚度不到密度的千分之一左右,”Jenett说。

因为机翼或其他结构的整体结构是由微小的子单元构成的,所以它实际上与形状无关。“你可以做任何你想要的几何图形,”他说。“事实上,大多数飞机都是相同的形状-基本上是一个带翅膀的管子-是因为费用。它并不总是最有效的形状。”但是在设计、工具和生产过程中的大量投资使得它更容易保持长期的配置。

研究表明,一体式机身和机翼结构在许多应用中可能更有效,他说,有了这个系统,这些结构可以很容易地建造、测试、修改和重新测试。

波音公司Aurora Flight Sciences的结构研究员丹尼尔·坎贝尔(Daniel Campbell)表示:“这项研究显示出了降低成本和提高大型、轻型、刚性结构性能的希望,但他并未参与这项研究。”最有前景的近期应用是飞艇和天基结构(如天线)的结构应用。”

Jenett说,新的机翼被设计成可以容纳在兰利研究中心(Langley Research Center)的NASA高速风洞中的最大尺寸,在那里它的性能甚至比预计的要好。

Jenett说,同样的系统也可以用于制造其他结构,包括风力涡轮机的机翼式叶片,在那里进行现场组装的能力可以避免运输更长叶片的问题。正在开发类似的组件来建造空间结构,最终可能对桥梁和其他高性能结构有用。

该团队包括康奈尔大学、加州大学圣克鲁斯分校伯克利分校、美国宇航局兰利研究中心、立陶宛考纳斯科技大学以及加利福尼亚州莫菲特菲尔德的合格技术服务公司。这项工作得到了美国宇航局ARMD会聚航空解决方案项目(MADCAT项目)和麻省理工学院比特和原子中心的支持。

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