Un nuovo modo di fabbricare le ali degli aerei potrebbe consentire nuovi progetti radicali, come questo concetto, che potrebbe essere più efficiente per alcune applicazioni. Credito:Eli Gershenfeld, Centro di ricerca Ames della NASA
Un team di ingegneri ha costruito e testato un tipo radicalmente nuovo di ala di aeroplano, assemblato da centinaia di minuscoli pezzi identici. L'ala può cambiare forma per controllare il volo dell'aereo, e potrebbe fornire un impulso significativo nella produzione di aeromobili, volo, ed efficienza di manutenzione, dicono i ricercatori.
Il nuovo approccio alla costruzione delle ali potrebbe offrire una maggiore flessibilità nella progettazione e produzione di futuri velivoli. Il nuovo design dell'ala è stato testato in una galleria del vento della NASA ed è descritto oggi in un articolo sulla rivista Smart Materials and Structures, co-autore dell'ingegnere di ricerca Nicholas Cramer presso la NASA Ames in California; Alunno del MIT Kenneth Cheung SM '07 Ph.D. '12, ora alla NASA Ames; Benjamin Jenet, uno studente laureato al Center for Bits and Atoms del MIT; e altri otto.
Invece di richiedere superfici mobili separate come gli alettoni per controllare il rollio e il beccheggio dell'aereo, come fanno le ali convenzionali, il nuovo sistema di montaggio permette di deformare l'intera ala, o parti di esso, incorporando un mix di componenti rigidi e flessibili nella sua struttura. I minuscoli sottogruppi, che sono imbullonati insieme per formare un'apertura, struttura leggera della grata, vengono quindi ricoperti con un sottile strato di materiale polimerico simile alla struttura.
Il risultato è una vela molto più leggera, e quindi molto più efficiente dal punto di vista energetico, rispetto a quelli con design convenzionali, se realizzati in metallo o compositi, dicono i ricercatori. Perché la struttura, composto da migliaia di minuscoli triangoli di montanti simili a fiammiferi, è composto principalmente da spazio vuoto, forma un "metamateriale" meccanico che unisce la rigidità strutturale di un polimero simile alla gomma e l'estrema leggerezza e bassa densità di un aerogel.
Jenett spiega che per ciascuna delle fasi di un volo, decollo e atterraggio, crociera, manovre e così via, ognuno ha il suo, diverso insieme di parametri ottimali dell'ala, quindi un'ala convenzionale è necessariamente un compromesso che non è ottimizzato per nessuno di questi, e quindi sacrifica l'efficienza. Un'ala che è costantemente deformabile potrebbe fornire un'approssimazione molto migliore della migliore configurazione per ogni fase.
L'assemblaggio dell'ala è visto in costruzione, assemblati da centinaia di subunità identiche. L'ala è stata testata in una galleria del vento della NASA. Credito:Kenny Cheung, Centro di ricerca Ames della NASA
Mentre sarebbe possibile includere motori e cavi per produrre le forze necessarie per deformare le ali, il team ha fatto un ulteriore passo avanti e ha progettato un sistema che risponde automaticamente ai cambiamenti nelle sue condizioni di carico aerodinamico cambiando la sua forma, una sorta di autoregolazione, processo passivo di riconfigurazione delle ali.
"Siamo in grado di aumentare l'efficienza abbinando la forma ai carichi a diversi angoli di attacco, "dice Cramer, l'autore principale del documento. "Siamo in grado di produrre lo stesso identico comportamento che faresti attivamente, ma lo abbiamo fatto passivamente".
Tutto ciò è ottenuto dall'attenta progettazione delle posizioni relative dei montanti con diverse quantità di flessibilità o rigidità, progettato in modo che l'ala, o parti di esso, piegarsi in modi specifici in risposta a particolari tipi di sollecitazioni.
Cheung e altri hanno dimostrato il principio fondamentale alla base alcuni anni fa, producendo un'ala lunga circa un metro, paragonabile alle dimensioni di un tipico aeromodello telecomandato. La nuova versione, circa cinque volte più lungo, è paragonabile per dimensioni all'ala di un vero aereo monoposto e potrebbe essere facile da fabbricare.
Anche se questa versione è stata assemblata a mano da un team di studenti laureati, il processo ripetitivo è progettato per essere facilmente realizzato da uno sciame di piccoli, semplici robot di assemblaggio autonomo. La progettazione e il collaudo del sistema di assemblaggio robotico è oggetto di un prossimo documento, dice Jenet.
A scopo di test, questa ala iniziale è stata assemblata a mano, ma le versioni future potrebbero essere assemblate da robot in miniatura specializzati. Credito:Kenny Cheung, Centro di ricerca Ames della NASA
Le singole parti dell'ala precedente sono state tagliate con un sistema a getto d'acqua, e ci sono voluti diversi minuti per realizzare ogni parte, dice Jenet. Il nuovo sistema utilizza lo stampaggio a iniezione con resina di polietilene in un complesso stampo 3-D, e produce ogni parte, essenzialmente un cubo cavo costituito da montanti delle dimensioni di un fiammifero lungo ciascun bordo, in soli 17 secondi, lui dice, che lo avvicina molto a livelli di produzione scalabili.
"Ora abbiamo un metodo di produzione, " dice. Anche se c'è un investimento iniziale negli utensili, una volta fatto, "le parti sono economiche, " dice. "Abbiamo scatole e scatole di loro, lo stesso».
Il reticolo risultante, lui dice, ha una densità di 5,6 chilogrammi per metro cubo. A titolo di confronto, la gomma ha una densità di circa 1, 500 chilogrammi per metro cubo. "Hanno la stessa rigidità, ma il nostro ha meno di circa un millesimo della densità, " dice Jenet.
Poiché la configurazione complessiva dell'ala o di un'altra struttura è costituita da minuscole subunità, non importa quale sia la forma. "Puoi creare qualsiasi geometria tu voglia, " dice. "Il fatto che la maggior parte degli aerei abbia la stessa forma"—essenzialmente un tubo con le ali—"è dovuto al costo. Non è sempre la forma più efficiente." Ma massicci investimenti nel design, utensileria, e i processi di produzione facilitano il mantenimento di configurazioni consolidate.
Gli studi hanno dimostrato che una struttura integrata del corpo e dell'ala potrebbe essere molto più efficiente per molte applicazioni, lui dice, e con questo sistema quelli potrebbero essere facilmente costruiti, testato, modificato, e riprovato.
Il concept degli artisti mostra un velivolo a corpo alare integrato, reso possibile dal nuovo metodo di costruzione assemblato da un gruppo di robot specializzati, mostrato in arancione. Credito:Eli Gershenfeld, Centro di ricerca Ames della NASA
"La ricerca mostra la promessa di ridurre i costi e aumentare le prestazioni per grandi, peso leggero, strutture rigide, "dice Daniel Campbell, un ricercatore di strutture presso Aurora Flight Sciences, una compagnia Boeing, che non è stato coinvolto in questa ricerca. "Le applicazioni più promettenti a breve termine sono le applicazioni strutturali per dirigibili e strutture spaziali, come le antenne".
La nuova ala è stata progettata per essere grande quanto potrebbe essere ospitata nella galleria del vento ad alta velocità della NASA al Langley Research Center, dove si è comportato anche un po' meglio del previsto, dice Jenet.
Lo stesso sistema potrebbe essere utilizzato anche per realizzare altre strutture, Jenet dice, comprese le pale a forma di ali delle turbine eoliche, dove la possibilità di effettuare montaggi in loco potrebbe evitare i problemi di trasporto di lame sempre più lunghe. Assemblee simili sono in fase di sviluppo per costruire strutture spaziali, e potrebbe eventualmente essere utile per ponti e altre strutture ad alte prestazioni.
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.
