Engenheiros do MIT demonstram um novo tipo de asa de avião

Uma equipe de engenheiros construiu e testou um tipo radicalmente novo de asa de avião, montada a partir de centenas de minúsculas peças idênticas. A asa pode mudar de formato para controlar o voo do avião e pode proporcionar um aumento significativo na produção, voo e eficiência de manutenção da aeronave, dizem os pesquisadores.

A nova abordagem para a construção de asas poderia proporcionar maior flexibilidade no projeto e fabricação de futuras aeronaves. O novo design da asa foi testado em um NASA túnel de vento e é descrito hoje em um artigo na revista Smart Materials and Structures, de coautoria do engenheiro pesquisador Nicholas Cramer da NASA Ames, na Califórnia; MIT ex-aluno Kenneth Cheung SM '07 PhD '12, agora na NASA Ames; Benjamin Jenett, estudante de pós-graduação no Centro de Bits e Átomos do MIT; e outros oito.

Em vez de exigir superfícies móveis separadas, como ailerons, para controlar a rotação e a inclinação do avião, como fazem as asas convencionais, o novo sistema de montagem torna possível deformar a asa inteira, ou partes dela, incorporando uma mistura de elementos rígidos e flexíveis. componentes de sua estrutura. Os minúsculos subconjuntos, que são aparafusados ​​para formar uma estrutura de treliça leve e aberta, são então cobertos com uma fina camada de material polimérico semelhante à estrutura.

A montagem da asa é vista em construção, montada a partir de centenas de subunidades idênticas. A asa foi testada em um túnel de vento da NASA. Imagem: NASA

O resultado é uma asa muito mais leve e, portanto, muito mais eficiente em termos energéticos do que aquelas com designs convencionais, sejam feitos de metal ou compósitos, dizem os pesquisadores. Como a estrutura, composta por milhares de pequenos triângulos de suportes em forma de palito de fósforo, é composta principalmente de espaço vazio, ela forma um “metamaterial” mecânico que combina a rigidez estrutural de um polímero semelhante a borracha e a extrema leveza e baixa densidade de um aerogel. .

Jenett explica que para cada uma das fases de um vôo – decolagem e pouso, cruzeiro, manobra e assim por diante – cada uma tem seu próprio conjunto diferente de parâmetros de asa ideais, portanto, uma asa convencional é necessariamente um compromisso que não é otimizado para nenhum dos estes e, portanto, sacrifica a eficiência. Uma asa constantemente deformável poderia fornecer uma aproximação muito melhor da melhor configuração para cada estágio.

Embora fosse possível incluir motores e cabos para produzir as forças necessárias para deformar as asas, a equipe deu um passo adiante e projetou um sistema que responde automaticamente às mudanças nas condições de carga aerodinâmica, mudando sua forma – uma espécie de processo de reconfiguração de asa passiva e autoajustável.

“Conseguimos ganhar eficiência combinando o formato com as cargas em diferentes ângulos de ataque”, diz Cramer, principal autor do artigo. “Somos capazes de produzir exatamente o mesmo comportamento que você faria ativamente, mas o fizemos passivamente.”

O conceito do artista mostra aeronaves integradas com asa e corpo, possibilitadas pelo novo método de construção sendo montadas por um grupo de robôs especializados, mostrados em laranja. Imagem: Eli Gershenfeld, Centro de Pesquisa Ames da NASA

Tudo isso é conseguido pelo projeto cuidadoso das posições relativas das escoras com diferentes níveis de flexibilidade ou rigidez, projetadas de modo que a asa, ou seções dela, dobrem de maneiras específicas em resposta a tipos específicos de tensões.

Cheung e outros demonstraram o princípio básico subjacente há alguns anos, produzindo uma asa com cerca de um metro de comprimento, comparável ao tamanho de um típico modelo de aeronave controlado remotamente. A nova versão, cerca de cinco vezes mais longa, é comparável em tamanho à asa de um avião monoposto real e pode ser fácil de fabricar.

Embora esta versão tenha sido montada manualmente por uma equipe de estudantes de pós-graduação, o processo repetitivo foi projetado para ser facilmente realizado por um enxame de robôs de montagem autônomos, pequenos e simples. O projeto e o teste do sistema de montagem robótica são o assunto de um próximo artigo, diz Jenett.

As peças individuais da asa anterior foram cortadas usando um sistema de jato de água e levou vários minutos para fazer cada peça, diz Jenett. O novo sistema utiliza moldagem por injeção com resina de polietileno em um molde 3D complexo e produz cada peça – essencialmente um cubo oco feito de suportes do tamanho de palitos de fósforo ao longo de cada borda – em apenas 17 segundos, diz ele, o que proporciona uma longa experiência. muito mais próximo de níveis de produção escaláveis.

“Agora temos um método de fabricação”, diz ele. Embora haja um investimento inicial em ferramentas, uma vez feito isso, “as peças ficam baratas”, diz ele. “Temos caixas e mais caixas deles, mesmo assim.”

A rede resultante, diz ele, tem uma densidade de 5,6 quilogramas por metro cúbico (0,35 lb/ft³). A título de comparação, a borracha tem uma densidade de cerca de 1.500 quilogramas por metro cúbico (93,6 lb/ft³). “Eles têm a mesma rigidez, mas o nosso tem menos de um milésimo da densidade”, diz Jenett.

Como a configuração geral da asa ou outra estrutura é construída a partir de pequenas subunidades, realmente não importa qual seja o formato. “Você pode fazer qualquer geometria que quiser”, diz ele. “O fato de a maioria das aeronaves ter o mesmo formato” – essencialmente um tubo com asas – “é devido ao custo. Nem sempre é a forma mais eficiente.” Mas investimentos maciços em design, ferramentas e processos de produção tornam mais fácil manter configurações estabelecidas há muito tempo.

Para fins de teste, esta asa inicial foi montada à mão, mas versões futuras poderiam ser montadas por robôs especializados em miniatura. Imagem: Kenny Cheung, Centro de Pesquisa Ames da NASA

Estudos demonstraram que uma estrutura integrada de corpo e asa poderia ser muito mais eficiente para muitas aplicações, diz ele, e com este sistema elas poderiam ser facilmente construídas, testadas, modificadas e testadas novamente.

“A pesquisa mostra-se promissora na redução de custos e no aumento do desempenho de estruturas grandes, leves e rígidas”, diz Daniel Campbell, pesquisador de estruturas da Aurora Flight Sciences, uma empresa da Boeing, que não esteve envolvido nesta pesquisa. “As aplicações mais promissoras no curto prazo são aplicações estruturais para aeronaves e estruturas espaciais, como antenas.”

A nova asa foi projetada para ser tão grande quanto pudesse ser acomodada no túnel de vento de alta velocidade da NASA no Langley Research Center, onde teve um desempenho ainda um pouco melhor do que o previsto, diz Jenett.

O mesmo sistema também poderia ser usado para fazer outras estruturas, diz Jenett, incluindo as pás em forma de asa das turbinas eólicas, onde a capacidade de fazer a montagem no local poderia evitar os problemas de transporte de pás cada vez mais longas. Conjuntos semelhantes estão sendo desenvolvidos para construir estruturas espaciais e poderão eventualmente ser úteis para pontes e outras estruturas de alto desempenho.

A equipe incluiu pesquisadores da Universidade Cornell, da Universidade da Califórnia em Berkeley em Santa Cruz, do Centro de Pesquisa Langley da NASA, da Universidade de Tecnologia de Kaunas na Lituânia e da Qualified Technical Services, Inc., em Moffett Field, Califórnia. O trabalho foi apoiado pelo Programa de Soluções Convergentes Aeronáuticas ARMD da NASA (Projeto MADCAT) e pelo Centro de Bits e Átomos do MIT.

Referência: “Morificação de forma elástica de estruturas ultraleves por montagem programável” por Nicholas B Cramer, Daniel W Cellucci, Olivia B Formoso, Christine E Gregg, Benjamin E Jenett, Joseph H Kim, Martynas Lendraitis, Sean S Swei, Greenfield T Trinh, Khanh V Trinh e Kenneth C Cheung, 1º de abril de 2019, Smart Materiais e Estruturas.
DOI: 10.1088/1361-665X/ab0ea2