NASA und MIT entwickeln formverändernden Polymerflügel für leichtere, effizientere Flugzeuge

Ein Ingenieurteam vom NASA Ames Research Center (Mountain View, Kalifornien, USA) und dem Massachusetts Institute of Technology (MIT, Cambridge, Massachusetts, USA) hat einen Flugzeugflügel gebaut und getestet, der aus einem Gitter aus hunderten winziger, identischer Polymerstücke besteht. Der Flügel kann seine Form verändern, um den Flug des Flugzeugs zu steuern.

Innovative Flügelkonstruktion ohne separate Steuerflächen

Das Flügeldesign wurde in einem NASA-Windkanal getestet und in einer im Journal Smart Materials and Structures veröffentlichten Arbeit beschrieben. Co-Autoren sind Forschungsingenieur Nicholas Cramer vom NASA Ames, NASA-Ingenieur und MIT-Alumnus Kenneth Cheung, MIT-Doktorand Benjamin Jenett sowie acht weitere Forscher.

Anstatt separate bewegliche Flächen wie Querruder zur Steuerung von Roll- und Nickbewegungen zu benötigen – wie bei herkömmlichen Flügeln –, ermöglicht das neue Montagesystem die Verformung des gesamten Flügels oder von Teilen davon. Dies wird durch die Integration einer Mischung aus steifen und flexiblen Komponenten in die Struktur erreicht. Die winzigen Teilmontagen, die zu einem offenen, leichten Gitterrahmen verschraubt werden, werden anschließend mit einer dünnen Schicht aus ähnlichem Polymermaterial wie dem Rahmen überzogen.

Leichter als Metall oder Verbundwerkstoffe

Das Ergebnis ist ein Flügel, der leichter und damit energieeffizienter ist als konventionelle Designs, चाहे sie aus Metall oder Verbundwerkstoffen bestehen, so die Forscher. Da die Struktur – bestehend aus tausenden winziger Dreiecke aus streichholzartigen Streben – überwiegend aus Leerraum besteht, bildet sie ein mechanisches „Metamaterial“, das die strukturelle Steifigkeit eines gummiartigen Polymers mit der extremen Leichtigkeit und niedrigen Dichte eines Aerogels kombiniert.

Jenett erklärt, dass für jede Flugphase ein anderer Satz optimaler Flügelparameter existiert, um eine bessere Annäherung an die beste Konfiguration für jede Stufe zu ermöglichen. Das System ist so konzipiert, dass es automatisch auf Änderungen seiner aerodynamischen Belastungsbedingungen reagiert, indem es seine Form auf spezifische Weise verändert.

Vom Demonstrator zur skalierbaren Produktion

Ein meterlanger Demonstratorflügel wurde von Cheung und anderen Teammitgliedern vor einigen Jahren erstellt. Die neue Version, etwa fünfmal so lang, ist in der Größe mit dem Flügel eines echten Einsitzers vergleichbar und für die einfache Montage durch autonome Roboter ausgelegt. Das Design und die Tests des robotergestützten Montagesystems sind Gegenstand einer bevorstehenden Veröffentlichung.

Die Einzelteile des vorherigen Flügels wurden mit einem Wasserstrahlsystem geschnitten, wobei jedes Teil mehrere Minuten dauerte. Das neue System nutzt Spritzguss mit Polyethylenharz in einer komplexen 3D-Form und produziert jedes Teil – im Wesentlichen einen hohlen Würfel aus streichholzgroßen Streben an jeder Kante – in nur 17 Sekunden, was die skalierbare Produktion erheblich näher bringt.

„Jetzt haben wir ein Fertigungsverfahren“, sagt Jenett. „Zwar gibt es eine Vorabinvestition in Werkzeuge, aber einmal erledigt, ‚sind die Teile billig‘. ‚Wir haben Kisten voller Teile, alle identisch.‘“

Das resultierende Gitter hat eine Dichte von 5,6 Kilogramm pro Kubikmeter. Zum Vergleich: Gummi hat eine Dichte von etwa 1.500 Kilogramm pro Kubikmeter. „Sie haben die gleiche Steifigkeit, aber unsere Struktur hat weniger als etwa ein Tausendstel der Dichte“, so Jenett.

Neue Designfreiheiten und Anwendungen

Da die Gesamtkonfiguration des Flügels oder anderer Strukturen aus winzigen Untereinheiten aufgebaut wird, könnte das Gesamtdesign der Flügelstruktur von seiner traditionellen Form abweichen. Studien haben gezeigt, dass eine integrierte Rumpf-Flügel-Struktur für viele Anwendungen weitaus effizienter sein könnte, und mit diesem System ließen sich diese leicht bauen, testen, modifizieren und erneut testen.

Dasselbe System könnte auch für andere Strukturen genutzt werden, so Jenett, einschließlich der flügelartigen Rotorblätter von Windturbinen, wo die Möglichkeit der Vor-Ort-Montage die Probleme des Transports immer längerer Blätter vermeiden könnte. Ähnliche Montagen werden für Weltraumstrukturen entwickelt und könnten schließlich für Brücken und andere Hochleistungsstrukturen eingesetzt werden.

Das Team umfasste Forscher der Cornell University, der University of California in Berkeley und Santa Cruz, des NASA Langley Research Center, der Kaunas University of Technology in Litauen sowie von Qualified Technical Services Inc. in Moffett Field, Kalifornien. Die Arbeit wurde durch das NASA ARMD Convergent Aeronautics Solutions Program (MADCAT-Projekt) und das MIT Center for Bits and Atoms unterstützt.