Nova asa “Morphing” pode permitir voos de avião mais eficientes

Engenheiros em MIT e NASA desenvolveram um novo tipo de asa dobrável e “que se transforma” que poderia permitir a fabricação e o voo de aviões mais eficientes.

Quando os irmãos Wright realizaram o seu primeiro voo motorizado, há mais de um século, controlaram o movimento do seu avião Flyer 1 utilizando fios e roldanas que dobravam e torciam as asas de madeira e lona. Este sistema era bem diferente dos flaps e ailerons separados e articulados que desempenhavam essas funções na maioria das aeronaves desde então. Mas agora, graças a alguma magia de alta tecnologia desenvolvida por engenheiros do MIT e da NASA, algumas aeronaves podem estar a regressar às suas raízes, com um novo tipo de asa dobrável e “que se transforma”.

A nova arquitetura da asa, que poderia simplificar enormemente o processo de fabricação e reduzir o consumo de combustível, melhorando a aerodinâmica da asa, bem como melhorando sua agilidade, é baseada em um sistema de subunidades minúsculas e leves que poderiam ser montadas por uma equipe de pequenos robôs especializados. , e, em última análise, poderia ser usado para construir toda a fuselagem. A asa seria coberta por uma “pele” feita de peças sobrepostas que poderiam lembrar escamas ou penas.

O novo conceito é descrito na revista Robótica Suave, em artigo de Neil Gershenfeld, diretor do Centro de Bits e Átomos (CBA) do MIT; Benjamin Jenett, estudante de pós-graduação da CBA; Kenneth Cheung PhD '12, ex-aluno do CBA e cientista pesquisador da NASA; e outros quatro.

Uma versão de teste da asa deformável projetada por pesquisadores do MIT e da NASA é mostrada passando por movimentos de torção, o que poderia substituir a necessidade de painéis separados e articulados para controlar o movimento de um avião. Crédito: Kenneth Cheung/NASA

Os investigadores têm tentado durante muitos anos alcançar uma forma fiável de deformar as asas como um substituto para as superfícies convencionais, separadas e móveis, mas todos esses esforços “tiveram pouco impacto prático”, diz Gershenfeld. O maior problema foi que a maioria destas tentativas dependiam da deformação da asa através da utilização de estruturas de controlo mecânico dentro da asa, mas estas estruturas tendiam a ser tão pesadas que anulavam quaisquer vantagens de eficiência produzidas pelas superfícies aerodinâmicas mais suaves. Eles também adicionaram problemas de complexidade e confiabilidade.

Por outro lado, Gershenfeld diz: “Fazemos de toda a asa o mecanismo. Não é algo que colocamos na ala.” Na nova abordagem da equipe, todo o formato da asa pode ser alterado e torcido uniformemente ao longo de seu comprimento, ativando dois pequenos motores que aplicam uma pressão de torção em cada ponta da asa.

Esta abordagem à fabricação de aeronaves, e potencialmente de outras tecnologias, é uma ideia tão nova que “acho que podemos dizer que é uma revolução filosófica, abrindo a porta para a inovação disruptiva”, diz Vincent Loubiere, tecnólogo líder em tecnologias emergentes e conceitos na Airbus, que não esteve diretamente envolvido nesta pesquisa. Ele acrescenta que “as perspectivas e os campos que esta abordagem abre são emocionantes”.

Como construir com blocos

O princípio básico por trás do novo conceito é o uso de uma série de peças estruturais minúsculas e leves, que Gershenfeld chama de “materiais digitais”, que podem ser montadas em uma variedade virtualmente infinita de formas, como na montagem de uma estrutura a partir de blocos de Lego. A montagem, realizada manualmente para este experimento inicial, poderia ser feita por simples robôs em miniatura que rastejariam ao longo ou dentro da estrutura à medida que ela tomasse forma. A equipe já desenvolveu protótipos desses robôs.

As peças individuais são fortes e rígidas, mas a escolha exacta das dimensões e materiais utilizados nas peças, e a geometria de como são montadas, permitem um ajuste preciso da flexibilidade da forma final. Para a estrutura de teste inicial, o objetivo era permitir que a asa girasse de uma forma precisa que substituísse o movimento de peças estruturais separadas (como os pequenos ailerons nos bordos de fuga das asas convencionais), proporcionando ao mesmo tempo uma rotação única e suave. superfície aerodinâmica.

Construir uma estrutura grande e complexa a partir de uma série de blocos de construção pequenos e idênticos, que possuem uma combinação excepcional de resistência, leveza e flexibilidade, simplifica muito o processo de fabricação, explica Gershenfeld. Embora a construção de asas leves compostas para as aeronaves atuais exija equipamentos grandes e especializados para estratificação e endurecimento do material, as novas estruturas modulares poderiam ser rapidamente fabricadas em grandes quantidades e depois montadas roboticamente no local.

Perspectiva lateral da asa de teste no túnel de baixa velocidade de 12 pés do Langley Research Center. Crédito: Kenneth Cheung/NASA

Gershenfeld e sua equipe vêm buscando essa abordagem para a construção de estruturas complexas há anos, com muitas aplicações potenciais para dispositivos robóticos de vários tipos. Por exemplo, este método poderia levar a braços e pernas robóticos cujas formas poderiam dobrar continuamente ao longo de todo o seu comprimento, em vez de apenas terem um número fixo de articulações.

Esta pesquisa, diz Cheung, “apresenta uma estratégia geral para aumentar o desempenho de robôs e mecanismos altamente compatíveis – isto é, 'soft' -”, substituindo materiais flexíveis convencionais por novos materiais celulares “que têm peso muito menor, são mais ajustáveis, e pode ser feito para dissipar energia em taxas muito mais baixas” e ao mesmo tempo ter rigidez equivalente.

Economizando combustível, reduzindo emissões

Ao explorar possíveis aplicações desta tecnologia nascente, Gershenfeld e a sua equipa consultaram engenheiros da NASA e outros que procuravam formas de melhorar a eficiência do fabrico e do voo de aeronaves. Eles aprenderam que “a ideia de que você poderia deformar continuamente o formato de uma asa para fazer pura sustentação e rotação tem sido um santo graal no campo, tanto em termos de eficiência quanto de agilidade”, diz ele. Dada a importância dos custos dos combustíveis tanto na economia da indústria aérea como na contribuição desse sector para as emissões de gases com efeito de estufa, mesmo pequenas melhorias na eficiência do combustível poderiam ter um impacto significativo.

Testes desta estrutura em túnel de vento mostraram que ela pelo menos corresponde às propriedades aerodinâmicas de uma asa convencional, com cerca de um décimo do peso.

A “pele” da asa também melhora o desempenho da estrutura. É feito de tiras sobrepostas de material flexível, em camadas como penas ou escamas de peixe, permitindo que as peças se movam umas sobre as outras conforme a asa flexiona, ao mesmo tempo que fornece uma superfície externa lisa.

A estrutura modular também proporciona maior facilidade de montagem e desmontagem: uma das grandes vantagens deste sistema, em princípio, diz Gershenfeld, é que quando não for mais necessário, toda a estrutura pode ser desmontada em seus componentes, que podem então ser remontado em algo completamente diferente. Da mesma forma, os reparos poderiam ser feitos simplesmente substituindo uma área de subunidades danificadas.

“Um robô de inspeção poderia simplesmente descobrir onde está a peça quebrada e substituí-la, mantendo a aeronave 100% saudável o tempo todo”, diz Jenett.

Seguindo os testes bem-sucedidos em túnel de vento, a equipe está agora estendendo o trabalho para testes de uma aeronave não pilotada e não pilotada, e os testes iniciais mostraram-se muito promissores, diz Jenett. “Os primeiros testes foram feitos por um piloto de testes certificado e ele achou tão responsivo que decidiu fazer algumas acrobacias.”

Alguns dos primeiros usos da tecnologia podem ser a fabricação de pequenas aeronaves robóticas – “drones supereficientes de longo alcance”, diz Gershenfeld, que poderiam ser usados ​​em países em desenvolvimento como forma de entregar medicamentos a áreas remotas.

“Estruturas aeroelásticas ultraleves e ajustáveis ​​e controles de voo abrem novas fronteiras para o voo”, diz Gonzalo Rey, diretor de tecnologia da Moog Inc., uma empresa de controles de movimento de aeronaves de precisão, que não esteve diretamente envolvido neste trabalho, embora ele colaborou com a equipe. “Os materiais e a fabricação digital são uma forma fundamentalmente nova de fazer coisas e possibilitar o convencionalmente impossível. O artigo sobre a asa de transformação digital demonstra a capacidade de resolver em profundidade os desafios de engenharia necessários para aplicar o conceito.”

Rey acrescenta que “O potencial mais amplo deste conceito estende-se diretamente a arranha-céus, pontes e estruturas espaciais, proporcionando não apenas melhor desempenho e capacidade de sobrevivência, mas também uma abordagem mais sustentável, alcançando a mesma resistência ao usar e reutilizar substancialmente menos matéria-prima. ”

E Loubiere, da Airbus, sugere que muitas outras tecnologias também poderiam beneficiar deste método, incluindo turbinas eólicas: “Simplesmente permitir a montagem das pás do moinho no local, em vez de utilizar transporte complexo e consumidor de combustível, aumentaria enormemente o custo. e desempenho geral”, diz ele.

A equipe de pesquisa também incluiu os estudantes de pós-graduação Sam Calisch, do Center for Bits and Atoms do MIT; Daniel Cellucci, da Universidade Cornell; Nick Cramer, da Universidade da Califórnia em Santa Cruz; e o pesquisador Sean Swei, do Ames Research Center da NASA em Mountain View, Califórnia. O trabalho foi apoiado pelo Programa de Sementeira da Equipe do Instituto de Pesquisa Aeronáutica da NASA, pelo Programa de Soluções Aeronáuticas Convergentes ARMD da NASA e pelo programa de Bolsas de Pesquisa em Tecnologia Espacial da NASA.

Referência: “Digital Morphing Wing: Active Wing Shaping Concept Using Composite Lattice-Based Cellular Structures” por Benjamin Jenett, Sam Calisch, Daniel Cellucci, Nick Cramer, Neil Gershenfeld, Sean Swei e Kenneth C. Cheung, 26 de outubro de 2016, Robótica Suave.
DOI: 10.1089/soro.2016.0032