Uma nova maneira de fabricar asas de aeronaves poderia permitir novos projetos radicais, como esse conceito, que poderia ser mais eficiente para algumas aplicações.
Imagem: Eli Gershenfeld, Centro de Pesquisas Ames da NASA
Montada de minúsculas peças idênticas, a asa poderia permitir projetos de aeronaves mais leves e eficientes em termos energéticos
Uma equipe de engenheiros construiu e testou um tipo radicalmente novo de asa de avião, montado a partir de centenas de pequenas peças idênticas. A asa pode mudar de forma para controlar o vôo do avião e pode fornecer um aumento significativo na eficiência de produção, vôo e manutenção de aeronaves, dizem os pesquisadores.
A nova abordagem para a construção de asas poderia proporcionar maior flexibilidade na concepção e fabricação de futuras aeronaves. O novo design da asa foi testado em um túnel de vento da NASA e é descrito hoje em um artigo na revista Smart Materials and Structures , co-autoria do engenheiro de pesquisa Nicholas Cramer na NASA Ames, na Califórnia; O ex-aluno do MIT Kenneth Cheung SM '07 PhD '12, agora na NASA Ames; Benjamin Jenett, um estudante de graduação do Centro de Bits e Átomos do MIT; e oito outros.
Em vez de exigir superfícies móveis separadas, como ailerons para controlar o rolo e o passo do avião, como as asas convencionais, o novo sistema de montagem torna possível deformar toda a asa, ou partes dela, incorporando uma mistura rígida e flexível. componentes em sua estrutura. Os minúsculos subconjuntos, que são aparafusados juntos para formar uma estrutura de treliça aberta e leve, são então cobertos com uma fina camada de material polimérico semelhante à estrutura.
O resultado é uma asa que é muito mais leve e, portanto, muito mais eficiente em termos energéticos, do que aqueles com desenhos convencionais, feitos de metal ou compósitos, dizem os pesquisadores. Como a estrutura, composta por milhares de minúsculos triângulos de suportes semelhantes a palitos de fósforo, é composta principalmente de espaço vazio, forma um “metamaterial” mecânico que combina a rigidez estrutural de um polímero semelhante à borracha e a extrema leveza e baixa densidade de um aerogel. .
Jenett explica que para cada uma das fases de um voo - decolagem e aterrissagem, cruzeiro, manobra e assim por diante - cada um tem seu próprio conjunto de parâmetros ótimos de asa, então uma asa convencional é necessariamente um compromisso que não é otimizado para estes e, portanto, sacrifica a eficiência. Uma asa que é constantemente deformável poderia fornecer uma aproximação muito melhor da melhor configuração para cada estágio.
Embora seja possível incluir motores e cabos para produzir as forças necessárias para deformar as asas, a equipe deu um passo adiante e projetou um sistema que responde automaticamente às mudanças em suas condições de carga aerodinâmica, mudando sua forma - uma espécie de processo de reconfiguração de asa passiva auto-ajustável.
“Somos capazes de ganhar eficiência combinando a forma com as cargas em diferentes ângulos de ataque”, diz Cramer, principal autor do estudo. "Somos capazes de produzir exatamente o mesmo comportamento que você faria ativamente, mas fizemos isso passivamente".
Tudo isto é conseguido através do desenho cuidadoso das posições relativas das escoras com diferentes quantidades de flexibilidade ou rigidez, projetadas de modo que a asa, ou seções dela, dobre de maneiras específicas em resposta a tipos específicos de tensão.
Cheung e outros demonstraram o princípio básico subjacente há alguns anos, produzindo uma asa de cerca de um metro de comprimento, comparável ao tamanho de um modelo típico de controle remoto. A nova versão, cerca de cinco vezes mais longa, é comparável em tamanho à asa de um avião monolugar e pode ser fácil de fabricar.
Embora esta versão tenha sido montada à mão por uma equipe de estudantes de pós-graduação, o processo repetitivo é projetado para ser facilmente realizado por um enxame de pequenos robôs de montagem autônomos simples. O projeto e o teste do sistema robótico de montagem é o tema de um próximo artigo, diz Jenett.
As partes individuais da asa anterior foram cortadas usando um sistema de jato de água, e levou vários minutos para fazer cada parte, diz Jenett. O novo sistema usa moldagem por injeção com resina de polietileno em um molde 3-D complexo e produz cada peça - essencialmente um cubo oco feito de suportes do tamanho de um palito de fósforo ao longo de cada borda - em apenas 17 segundos, diz ele. muito mais perto dos níveis de produção escaláveis.
"Agora temos um método de fabricação", diz ele. Embora exista um investimento inicial em ferramentas, uma vez feito isso, “as peças são baratas”, diz ele. "Nós temos caixas e caixas deles, tudo a mesma coisa."
A rede resultante, diz ele, tem uma densidade de 5,6 quilos por metro cúbico. A título de comparação, a borracha tem uma densidade de cerca de 1.500 quilogramas por metro cúbico. "Eles têm a mesma rigidez, mas a nossa tem menos de um milésimo da densidade", diz Jenett.
Como a configuração geral da asa ou outra estrutura é construída a partir de subunidades minúsculas, não importa qual seja a forma. "Você pode fazer qualquer geometria que quiser", diz ele. “O fato de a maioria das aeronaves ter a mesma forma” - essencialmente um tubo com asas - “é por causa de despesas. Nem sempre é a forma mais eficiente ”. Mas investimentos maciços em design, ferramentas e processos de produção facilitam a manutenção de configurações estabelecidas há muito tempo.
Estudos mostraram que uma estrutura integrada de corpo e asa pode ser muito mais eficiente para muitas aplicações, diz ele, e com esse sistema elas podem ser facilmente construídas, testadas, modificadas e retestadas.
"A pesquisa mostra a promessa de reduzir custos e aumentar o desempenho de estruturas grandes, leves e rígidas", diz Daniel Campbell, pesquisador de estruturas da Aurora Flight Sciences, empresa da Boeing, que não esteve envolvida nesta pesquisa. "As aplicações de curto prazo mais promissoras são aplicações estruturais para aeronaves e estruturas espaciais, como antenas".
A nova ala foi projetada para ser tão grande quanto poderia ser acomodada no túnel de vento de alta velocidade da NASA no Centro de Pesquisas Langley, onde foi realizada um pouco melhor do que o previsto, diz Jenett.
O mesmo sistema poderia ser usado para fazer outras estruturas também, diz Jenett, incluindo as lâminas de turbinas eólicas em forma de asa, onde a capacidade de fazer montagem no local poderia evitar os problemas de transportar pás cada vez maiores. Assemblies similares estão sendo desenvolvidos para construir estruturas espaciais e podem eventualmente ser úteis para pontes e outras estruturas de alto desempenho.
A equipe incluiu pesquisadores da Universidade Cornell, da Universidade da Califórnia em Berkeley, em Santa Cruz, do Centro de Pesquisas Langley da NASA, da Universidade de Tecnologia de Kaunas, na Lituânia, e da Qualified Technical Services, Inc., em Moffett Field, Califórnia. O trabalho foi apoiado pelo Programa de Soluções Aeronáuticas Convergentes da NASA ARMD (MADCAT Project) e o Centro MIT para Bits e Átomos.
Nenhum comentário:
Postar um comentário