MIT- und NASA-Ingenieure entwerfen leichte Polymertragflächen

Ein Team von Ingenieuren des Ames Research Center der NASA (Moutain View, Kalifornien, USA) und des Massachussetts Institute of Technology (MIT, Cambridge, Massachusetts, USA) hat einen Flugzeugflügel gebaut und getestet, der aus einem Gitter besteht, das aus Hunderten von winzigen identischen besteht Polymerstücke. Berichten zufolge kann der Flügel seine Form ändern, um den Flug des Flugzeugs zu steuern.

Das Flügeldesign wurde in einem NASA-Windkanal getestet und in einem Artikel in der Zeitschrift Smart Materials and Structures beschrieben , Co-Autor des Forschungsingenieurs Nicholas Cramer bei der NASA Ames in Kalifornien; NASA-Ames-Ingenieur und MIT-Alumnus Kenneth Cheung; MIT-Absolvent Benjamin Jenett und acht weitere.

Anstatt separate bewegliche Flächen wie Querruder zu benötigen, um die Roll- und Nickbewegungen des Flugzeugs zu steuern, wie es bei herkömmlichen Flügeln der Fall ist, ermöglicht das neue Montagesystem, den gesamten Flügel oder Teile davon zu verformen, indem eine Mischung aus steif und flexibel integriert wird Komponenten in seiner Struktur. Die winzigen Unterbaugruppen, die zu einem offenen, leichten Gittergerüst verschraubt sind, werden dann mit einer dünnen Schicht eines ähnlichen Polymermaterials wie das Gerüst überzogen.

Das Ergebnis ist ein Flügel, der leichter und damit energieeffizienter ist als konventionelle Konstruktionen aus Metall oder Verbundwerkstoffen, so die Forscher. Da die Struktur aus Tausenden winziger Dreiecke aus streichholzartigen Streben größtenteils aus leerem Raum besteht, bildet sie ein mechanisches „Metamaterial“, das die strukturelle Steifigkeit eines gummiartigen Polymers mit der extremen Leichtigkeit und geringen Dichte eines Aerogels kombiniert .

Jenett erklärt, dass es für jede Flugphase einen anderen Satz optimaler Flügelparameter gibt, um eine bessere Annäherung an die beste Konfiguration für jede Phase zu ermöglichen. Das System ist so konzipiert, dass es automatisch auf Änderungen seiner aerodynamischen Belastungsbedingungen reagiert, indem es seine Form auf bestimmte Weise ändert.

Ein meterlanger Demonstratorflügel wurde vor einigen Jahren von Cheung und anderen Teammitgliedern geschaffen. Die neue, etwa fünfmal so lange Version ist in der Größe vergleichbar mit der Tragfläche eines echten einsitzigen Flugzeugs und soll von autonomen Montagerobotern problemlos bewältigt werden können. Der Entwurf und das Testen des Robotermontagesystems sind Gegenstand eines kommenden Papiers, sagt Jenett.

Die Einzelteile des vorherigen Flügels wurden mit einem Wasserstrahlsystem geschnitten, und die Herstellung jedes Teils dauerte mehrere Minuten, sagt Jenett. Das neue System verwendet Spritzguss mit Polyethylenharz in einer komplexen 3D-Form und produziert jedes Teil – im Wesentlichen einen hohlen Würfel aus streichholzgroßen Streben entlang jeder Kante – in nur 17 Sekunden, sagt er, was der Skalierbarkeit viel näher kommt Produktionsstufen.

„Jetzt haben wir ein Herstellungsverfahren“, sagt er. Obwohl es eine Vorabinvestition in Werkzeuge gibt, „sind die Teile billig“, sagt er. „Wir haben trotzdem Kisten und Kisten davon.“

Das resultierende Gitter habe 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 hat weniger als ungefähr ein Tausendstel der Dichte“, sagt Jenett.

Da die Gesamtkonfiguration des Flügels oder einer anderen Struktur aus winzigen Untereinheiten aufgebaut ist, könnte das Gesamtdesign der Flügelstruktur von seiner traditionellen Form abweichen, sagt Jenett. Studien haben gezeigt, dass eine integrierte Karosserie- und Flügelstruktur für viele Anwendungen weitaus effizienter sein könnte, sagt er, und mit diesem System könnten diese leicht gebaut, getestet, modifiziert und erneut getestet werden.

Das gleiche System könnte auch für andere Strukturen verwendet werden, sagt Jenett, einschließlich der flügelartigen Blätter von Windkraftanlagen, bei denen die Möglichkeit der Montage vor Ort die Probleme des Transports immer längerer Blätter vermeiden könnte. Ähnliche Baugruppen werden entwickelt, um Weltraumstrukturen zu bauen und könnten schließlich für Brücken und andere Hochleistungsstrukturen verwendet werden.

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