I ricercatori dell'esercito immaginano un concetto di aerogiro, che rappresenta rinforzi reattivi che se esposti alla luce ultravioletta aumenteranno il comportamento meccanico su richiesta. Gli ingegneri hanno affermato che il controllo del comportamento meccanico potrebbe potenzialmente portare a una maggiore stabilità aerodinamica nelle strutture dei velivoli ad ala rotante. Credito:illustrazione dell'esercito americano
Gli ingegneri del Laboratorio di ricerca dell'esercito degli Stati Uniti e dell'Università del Maryland hanno sviluppato una tecnica che fa sì che un materiale composito diventi più rigido e più forte su richiesta quando esposto alla luce ultravioletta.
Questo controllo su richiesta del comportamento composito potrebbe consentire una varietà di nuove capacità per la futura progettazione di velivoli ad ala rotante dell'esercito, Prestazioni e manutenzione.
Il dottor Frank Gardaa dell'ARL, un ingegnere di ricerca, ha affermato che il focus della ricerca era sul controllo del modo in cui le molecole interagiscono tra loro. Ha detto che l'obiettivo era "farli interagire in modo tale che cambi a piccole dimensioni, o su scala nanometrica, potrebbe portare a cambiamenti osservati a una dimensione maggiore, o macroscala."
Il dottor Bryan Glaz, capo scienziato della direzione della tecnologia dei veicoli dell'ARL ha affermato che "un'importante motivazione per questo lavoro è il desiderio di progettare nuove strutture, a partire dalla nanoscala, per consentire concetti avanzati di velivoli ad ala rotante che sono stati proposti in passato, ma erano irrealizzabili a causa delle limitazioni negli attuali compositi. Una delle capacità più importanti previste da questi concetti è un onere di manutenzione significativamente ridotto a causa dei compromessi che facciamo per volare ad alta velocità, Egli ha detto.
La ridotta manutenzione programmata delle future piattaforme dell'aviazione dell'esercito è un importante driver tecnologico per i futuri concetti operativi.
"Le proprietà meccaniche migliorate con penalità di peso potenzialmente ridotte, reso possibile dalla nuova tecnica, potrebbe portare a strutture basate su nanocompositi che consentirebbero concetti di velivoli ad ala rotante che non possiamo costruire oggi, " ha detto Glaz.
Il lavoro congiunto, recentemente pubblicato in Interfacce materiali avanzati , mostra che questi materiali compositi potrebbero diventare più rigidi del 93% e più resistenti del 35% dopo un'esposizione di cinque minuti alla luce ultravioletta.
La tecnica consiste nell'attaccare molecole reattive alla luce ultravioletta ad agenti rinforzanti come i nanotubi di carbonio. Questi agenti di rinforzo reattivi vengono quindi incorporati in un polimero. Dopo l'esposizione alla luce ultravioletta, avviene una reazione chimica tale che aumenta l'interazione tra gli agenti rinforzanti e il polimero, rendendo così il materiale più rigido e resistente.
I ricercatori hanno affermato che la chimica utilizzata qui è generalmente applicabile a una varietà di combinazioni di rinforzo/polimero, ampliando così l'utilità di questo metodo di controllo a un'ampia gamma di sistemi di materiali.
I ricercatori mostrano il processo sintetico che usano per creare agenti di rinforzo fotosensibili. Un nanotubo di carbonio, o CNT, viene trattato con una molecola fotoreattiva chiamata benzofenone. Dopo l'esposizione alla luce ultravioletta, le molecole si legano alla catena polimerica circostante. Questo crea un legame covalente tra il nanotubo e il polimero. Credito:illustrazione dell'esercito americano
"Questa ricerca mostra che è possibile controllare la proprietà complessiva del materiale di questi nanocompositi attraverso l'ingegneria molecolare all'interfaccia tra i componenti compositi. Questo non è importante solo per la scienza fondamentale, ma anche per l'ottimizzazione della risposta dei componenti strutturali, " ha detto il dottor Zhongjie Huang, un ricercatore post-dottorato presso l'Università del Maryland.
I ricercatori dell'esercito hanno concepito questo approccio fondamentale per il potenziale di "abilitare nuove capacità di salto in avanti a sostegno della priorità di modernizzazione dell'esercito del futuro ascensore verticale, " hanno detto i funzionari.
"In questo caso, lo sviluppo di strutture avanzate per consentire capacità aeronautiche dell'esercito non attualmente realizzabili a causa delle limitazioni nelle proprietà meccaniche dei materiali attuali, " Ha detto Glaz. "Questo è particolarmente importante per il futuro ambiente operativo previsto che richiederà lunghi periodi di funzionamento senza l'opportunità di tornare alle basi fisse per la manutenzione".
Alcune opzioni di design particolarmente attraenti che corrispondono a carichi meccanici e vibrazioni inferiori non sono attualmente realizzabili a causa delle limitazioni nello smorzamento strutturale nelle pale senza cerniere o nelle strutture ad ala.
Le strutture future basate su questo lavoro possono aiutare a portare a nuovi compositi con smorzamento strutturale controllato e peso ridotto che potrebbero consentire una bassa manutenzione, concetti di velivoli ad ala rotante ad alta velocità che attualmente non sono realizzabili (ad esempio convertiplani soft in-plane).
Inoltre, la risposta meccanica controllabile consentirà lo sviluppo di strutture aerospaziali adattive che potrebbero potenzialmente adattarsi a condizioni di carico meccanico.
"Il Laboratorio di ricerca dell'esercito e i suoi partner continueranno a investire in tecnologie emergenti e ispirate ai soldati che consentiranno una maggiore affidabilità, più performanti, e capacità di salto in avanti che sono fondamentali per il progresso delle piattaforme di nuova generazione utilizzate dai soldati, " disse Elias Rigas, capo divisione della divisione di ricerca applicata sui veicoli ARL.
La collaborazione tra l'ARL e l'Università del Maryland è stata cruciale nello sviluppo di questo metodo.
"Nel nostro laboratorio all'UMD abbiamo sviluppato nanomateriali di carbonio e prodotti chimici unici, ma è stato solo quando Gardea si è avvicinata a noi che ci siamo resi conto dell'intrigante sfida e opportunità per i materiali compositi riconfigurabili, " ha detto il dottor YuHuang Wang, professore del Dipartimento di Chimica e Biochimica dell'Università del Maryland. "Together we have achieved something that is quite remarkable."
