Inžinierių komanda sukūrė ir išbandė iš esmės naujo tipo 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.
Inžinierių komanda sukūrė ir išbandė iš esmės naujo tipo 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 lėktuvų dizaino ir gamybos lankstumą. Naujas sparno dizainas buvo išbandytas NASA vėjo tunelyje ir aprašomas „Smart Materials and Structures“ žurnale.
NASA iliustr. / Nauji gamybos principai leistų kurti radikaliai kitokios formos orlaivių sparnus
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.
Vienas iš šio sparno kūrėjų, Masačiusetso technologijų instituto (MIT) paskutinio kurso studentas Benjaminas Jenettas, dirbantis „Bitų ir atomų“ centre, 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 optimalūs nė vienam iš atliekamų veiksmų, todėl nukenčia efektyvumas. Galintis nuolat prisitaikyti sparnas galėtų daug geriau aproksimuoti kiekvienos skrydžio fazės optimalius parametrus.
Nors būtų įmanoma sparno formą keisti varikliukais 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. Galime sukurti lygiai tokį patį pokytį, kokį darytumėte aktyviai, bet mes atliekame tai pasyviai“, – sako pagrindinis straipsnio autorius, NASA Ames tyrimų centro inžinierius Nicholasas Crameris.
Visa tai pasiekta kruopščiai parenkant santykines skirtingo stangrumo ar lankstumo strypelių pozicijas, ir sparnas ar jo dalis išlinksta atitinkamai.
Bazinį principą MIT absolventas Kennethas Cheungas, dabar dirbantis NASA Ames centre, su kolegomis pademonstravo jau prieš keletą metų, kuomet 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.
Bandymui pirmasis sparnas buvo surinktas rankomis, bet būsimas versijas galės surinkti specialūs miniatiūriniai robotai
© Kenny Cheung, NASA Ames Research Center
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 B. Jenettas.
Atskiros ankstesnio sparno dalys buvo išpjaunamos vandens čiurkšle, 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 sekundžių, kas gerokai priartina didesnio mastelio lygio gamybą.
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 B. Jenettas.
Kadangi sparnų ar kitų struktūrų konfigūracija sukurta iš mažų detalių, jų forma tampa ne tokia svarbi. „Galima sukurti kokią tik nori geometriją. Daugumos orlaivių (iš esmės – sparnuoto vamzdžio) vienodą formą lemia kaštai. Tai nėra visados pati efektyviausia forma“ – sako MIT studentas. Bet, anot jo, dėl milžiniškų investicijų į dizainą, įrangą ir gamybą lengviau apsiriboti seniai nusistovėjusiomis konfigūracijomis.
Iš identiškų struktūrinių komponentų sukurtas sparnas NASA vėjo tunelyje
© Kenny Cheung, NASA Ames Research Center
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.
„Tyrimas rodo, kaip galima atpiginti ir pagerinti dideles, lengvas, standžias struktūras. Perspektyviausios pritaikymo artimiausiu metu galimybės – orlaivių ir kosminėms struktūroms, tokioms, kaip antenos“, – sako tyrime nedalyvavęs kompanijos „Boeing“ inžinerinio padalinio „Aurora Flight Sciences“ struktūrų tyrėjas Danielis Campbellas.
Naujas sparnas buvo kuriamas taip, kad tilptų NASA Langley tyrimų centro didelio greičio vėjo tunelyje, kur jis pasirodė netgi kiek geriau, nei prognozuota, sako B. 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.
