Ailerons, roder, vingeklapper - alle de ting, der holder et fly gå lige, eller som giver det mulighed for at kortlægge en ny kurs - var kun nogensinde en tilnærmelse. Normalt hænger disse stykker bag på vingen og halen, og når de bevæger sig op eller ned, skabes træk og får flyet til at ændre retninger eller højde.
En kontinuerlig, fleksibel fløj bygget af NASA og samarbejdspartnere ved MIT, University of California, Santa Cruz og flere andre universiteter kunne opnå det samme resultat mere effektivt og reducere både brændstofforbrug og omkostningerne ved opbygning af flyene.
”Et af hovedpunkterne er, at vi kan få denne form for ydeevne til ekstremt lave omkostninger, ” siger Kenneth Cheung, en NASA-videnskabsmand, der er medleder i projektet. ”Og der er dette løfte om skalerbarhed ud fra det faktum, at vi kan bruge relativt små byggesten.”
Vingen, der er beskrevet i tidsskriftet Soft Robotics , er sammensat af små kulfiberdele, der skærer hinanden for at danne et fleksibelt, let gitter, der stadig er stivt i alle de rigtige retninger.
Trækningen på en traditionel vinge inducerer en slags hvirvlende strøm af luft omkring vingen (mere end nødvendigt til løft alene), og at luft vibrerer med, hvad der kaldes fluttertilstande, hvis form og størrelse og hyppighed afhænger af hastigheden af håndværket. En stiv, tung vinge ligesom aluminiumet på en 747 er stærk nok til at modstå denne vibration og ikke afskæres, selv ved høje hastigheder. Dette er en model, som flyene har nået, baseret på årtier, der forfølger hurtigere flyvning, siger Cheung.
Resultatet er, at omkring et fly under flytte bevægelser er lavet af luft. Cheung kalder dem den frie strøm, og hans mål er at matche formen på flyet, på ethvert givet tidspunkt, til strømmen. En vending i vingen kan få flyet til at ændre form jævnt, lidt som en surfer, der fanger en bølge.
Det grundlæggende princip bag det nye koncept er brugen af en række små, lette strukturelle stykker, der kan samles i en næsten uendelig række forskellige former. (Kenneth Cheung / NASA) ”De stive luftfangere er bare en løs tilnærmelse af, hvad der virkelig er den betingelse, som du prøver at opnå, ” siger han. "Så effektivitetsgevinsterne, som du får ved faktisk at matche den aerodynamiske tilstand, kan være virkelig betydelig."
Det er ikke noget nyt at opbygge en vinge, der kan ændre form. Faktisk gjorde Wright Brothers det - deres fly var baseret på fleksible træ- og lærredsvinger. For nylig har Airbus eksperimenteret med fleksible 3D-trykte vinger, og et selskab kaldet FlexSys offentliggjorde video denne måned af en mere traditionel aileron, der bøjler i stedet for dias.
”Det er en temmelig stor effektivitetsforbedring i et fly, ” siger David Hornick, præsident og COO for FlexSys. ”Du opretholder faktisk en ægte airfoil-form, når du bruger denne morfiske tilgang. Airfoil-formen er der stadig, du reducerer mængden af træk, der ville blive skabt ved at placere en hængslet kontroloverflade på den. ”
”Den fuldt fleksible vinge vil være lidt udfordrende”, fordi den er mindre ligner traditionelle vingeformer, siger Hornick. ”Men helt ærligt, hvad de laver er ret bemærkelsesværdigt.”
Andre forskere ved Delft University of Technology og Texas A&M har også designet og bygget morphingvinger, men det, der er specielt ved NASAs vinge, er inde i det. Kulfiber er let, formbart og stift. Men det er sprødt og tilbøjelige til at bryde, når det stresses i den forkerte retning. Cheung og hans team udviklede en lille sammenkoblende enhed, der kan samles for at fremstille et tredimensionelt gitter af kulfiber. Individuelt er de stive, men helheden er fleksibel. Det er også ekstremt let.
”Hvis du tager denne byggesten-strategi for at opbygge disse tredimensionelle gitter af carbon fiber-dele, får du noget, du kan behandle som et kontinuerligt materiale, ” siger Cheung. ”Du får utrolig god præstation. Vi viste faktisk den højeste specifikke stivhed nogensinde vist for et ultra let materiale. ”
Når gitteret var bygget, løb holdet en stang fra skroget til vingespidsen, der, når den drejes af en motor i flyets krop, vrider spidsen, og resten af vingen følger efter. Det hele hylses i et polyimid kaldet Kapton, et coppery, båndlignende materiale, der bruges i fleksible kredsløbskort.
En nyudviklet vingearkitektur kunne i høj grad forenkle fremstillingsprocessen og reducere brændstofforbruget ved at forbedre vingens aerodynamik. Det er baseret på et system af små, lette underenheder, der kunne samles af et team af små specialiserede robotter og i sidste ende kunne bruges til at opbygge hele flyrammen. (Kenneth Cheung / NASA) En yderligere fordel er komponenternes modularitet; næsten hele vingen var samlet af identiske stykker, hvilket betyder, at et luftfartsselskab, der ville bruge dem, kunne spare stort på produktionsprocessen også. De kunne også udskiftes individuelt, hvilket betyder billigere reparationer eller omkonfigureres til nye former til andre fly.
”Hvad de har gjort, er, at de har brugt disse lette, stive strukturer på en måde, der gør hele strukturen deformerbar, ” siger Haydn Wadley, en professor i materialevidenskab og teknik, der arbejder på deformerbare, men stærke gitterformer- hukommelseslegeringer på University of Virginia. "Dette er den slags ting, du kan forestille dig en vindmølle, der ændrer formen på en luftplade for at bestemme den mængde energi, den suger ud af vinden."
Forskerteamet har allerede monteret vingen på et fjernstyret fly, og fremtidige testflyvninger vil have større fly - op til tre meter vingespænde - med sensorer monteret på dem for at overvåge vingen og hvor godt det matcher luftstrømmen omkring det . Til sidst kunne teknologien vises i bemande fly eller endda kommercielle fly. Men selv himlen er måske ikke grænsen.
”Vi ser også frem til potentielle rumapplikationer. Naturligvis, hvis du skal bygge et rumskib eller et levested i rummet, har du ikke en fabrik der til at bygge det, ”siger Cheung. ”Vi ved, at vi har alle disse applikationer i rummet, der er meget større, end vi kan lancere, så vi er nødt til at bygge dem.”
