Ailerons, roder, vingeklaffer - alle de tingene som holder et fly gå rett, eller lar det kartlegge en ny kurs - var bare noen gang en tilnærming. Normalt festes disse brikkene på baksiden av vingen og halen, og når de beveger seg opp eller ned, lager du dra og får flyet til å endre retning eller høyde.
En kontinuerlig, fleksibel vinge bygget av NASA og samarbeidspartnere ved MIT, University of California, Santa Cruz, og flere andre universiteter, kunne oppnådd det samme resultatet mer effektivt, og kuttet både drivstofforbruket og kostnadene for å bygge flyene.
"Et av hovedpoengene er at vi kan få denne typen ytelser til en ekstremt lav pris, " sier Kenneth Cheung, en forsker fra NASA som er medleder i prosjektet. "Og det er dette løftet om skalerbarhet, fordi vi kan bruke relativt små byggesteiner."
Vingen, beskrevet i tidsskriftet Soft Robotics , består av små karbonfiberdeler som skjærer seg sammen for å danne et fleksibelt, lett gitter som fremdeles er stivt i alle riktige retninger.
Dra på en tradisjonell vinge induserer en slags virvelstrøm av luft rundt vingen (mer enn nødvendig for løft alene), og at luft vibrerer med det som kalles fluttermodus, hvis form og størrelse og frekvens avhenger av hastigheten til håndverket. En stiv, tung vinge som aluminiumsdelen på en 747 er sterk nok til å motstå den vibrasjonen og ikke skjære av, selv i høye hastigheter. Dette er en modell fly har nådd basert på flere tiår som søker raskere flyging, sier Cheung.
Resultatet er at rundt et fly i bevegelse er bevegelige former laget av luft. Cheung kaller dem den frie strømmen, og målet hans er å matche formen på flyet, når som helst, til strømmen. En vri i vingen kan få flyet til å endre form jevnt, litt som en surfer som fanger en bølge.
Det grunnleggende prinsippet bak det nye konseptet er bruken av en rekke små, lette konstruksjonsstykker som kan settes sammen til en tilnærmet uendelig rekke former. (Kenneth Cheung / NASA) "De stive luftfangerne er bare en løs tilnærming til hva som egentlig er betingelsen du prøver å oppnå, " sier han. "Så effektivitetsgevinstene du får ved å faktisk matche den aerodynamiske tilstanden kan være veldig betydningsfulle."
Det er ingen ny ting å bygge en vinge som kan endre form. Faktisk gjorde Wright Brothers det - flyene deres var basert på fleksible vinger i tre og lerret. Mer nylig har Airbus eksperimentert med fleksible 3D-trykte vinger, og et selskap som heter FlexSys publiserte video denne måneden av en mer tradisjonell aileron som bøyer seg i stedet for lysbilder.
"Det er en ganske stor effektivitetsforbedring i et fly, " sier David Hornick, president og COO for FlexSys. “Du opprettholder faktisk en ekte luftfôrform når du bruker denne morfiske tilnærmingen. Airfoil-formen er fremdeles der, du reduserer mengden dra som vil bli skapt ved å sette en hengslet kontrollflate på den. ”
"Den fullt fleksible vingen vil være litt utfordrende" fordi den er mindre lik tradisjonelle vingeformer, sier Hornick. "Men helt ærlig, det de gjør er ganske bemerkelsesverdig."
Andre forskere ved Delft teknologiske universitet og ved Texas A&M har også designet og bygget morfingsvinger, men det som er spesielt med NASAs vinge, er inni den. Karbonfiber er lett, støpbar og stiv. Men det er sprøtt, og er utsatt for brudd når det blir stresset i feil retning. Cheung og teamet hans utviklet en liten, sammenlåsende enhet som kan settes sammen for å lage et tredimensjonalt gitter av karbonfiber. Individuelt er de stive, men helheten er fleksibel. Det er også ekstremt lett.
"Hvis du tar denne byggesteinstrategien for å bygge disse tredimensjonale gitterene av karbonfiberdeler, får du noe du kan behandle som et kontinuerlig materiale, " sier Cheung. “Du får utrolig bra ytelse. Vi viste faktisk den høyeste spesifikke stivheten som noen gang er vist for et ultralett materiale. ”
Når gitteret var bygd, løp teamet en stang fra flykroppen til vingespissen, som, når den ble rotert av en motor i kroppen av planet, vrir spissen, og resten av vingen følger etter. Det hele er omhyllet i et polyimid kalt Kapton, et coppery, tape-lignende materiale som brukes i fleksible kretskort.
En nyutviklet vingearkitektur kan forenkle produksjonsprosessen og redusere drivstofforbruket ved å forbedre vingens aerodynamikk. Det er basert på et system med små, lette underenheter som kan settes sammen av et team med små spesialiserte roboter, og til slutt kan brukes til å bygge hele flyrammen. (Kenneth Cheung / NASA) En ytterligere fordel er modulariteten til komponentene; nesten hele vingen var samlet fra identiske deler, noe som betyr at et flyselskap som ønsket å bruke dem, kunne spare stort på produksjonsprosessen også. De kan også byttes ut individuelt, noe som betyr billigere reparasjoner, eller konfigureres om til nye former for andre fly.
"Det de har gjort er at de har brukt disse lette, stive strukturer på en måte som gjør hele strukturen deformerbar, " sier Haydn Wadley, professor i materialvitenskap og -teknikk som jobber med deformerbare, men sterke formgitter - minne legeringer ved University of Virginia. "Dette er den slags ting, du kan tenke deg en vindturbin som endrer formen på en luftfolie for å bestemme mengden energi den suger ut av vinden."
Forskerteamet har allerede montert vingen på et fjernstyrt fly, og fremtidige testflyvninger vil inneholde større fly - opptil tre meter vingespenn - med sensorer montert på dem for å overvåke vingen og hvor godt den matcher luftstrømmen rundt den . Etter hvert kan teknologien vises i bemannede fly eller til og med kommersielle fly. Men selv himmelen er kanskje ikke grensen.
”Vi ser frem til potensielle romapplikasjoner også. Selvfølgelig, hvis du skal bygge et romskip eller et habitat i verdensrommet, har du ikke en fabrikk der for å bygge det, sier Cheung. "Vi vet at vi har alle disse applikasjonene i verdensrommet som er mye større enn vi kan lansere, så vi må bygge dem."
