據(jù)compositesworld2019年4月9日刊文，來自NASA艾姆斯研究中心和麻省理工學(xué)院的工程師團隊已經(jīng)開發(fā)并測試了一種由數(shù)百個相同的微小聚合物點陣晶格組成的飛機機翼。據(jù)相關(guān)研究表明，這種機翼可以通過改變形狀來控制飛機的飛行。
新設(shè)計的這種機翼在NASA風洞中進行了相關(guān)測試，其主要細節(jié)在由NASA艾姆斯研究中心工程師尼古拉斯•克拉默等作者撰寫的論文中進行了描述，該文目前已經(jīng)發(fā)表在《智能材料與結(jié)構(gòu)》期刊中。論文的主要作者還包括就職于NASA艾姆斯研究中心的工程師、麻省理工學(xué)院校友肯尼斯•張，麻省理工學(xué)院的研究生本杰明•詹內(nèi)特及其他8人。
傳統(tǒng)機翼中，需要利用單獨的可動翼面，例如副翼來控制飛機的橫滾和俯仰，而在這種新設(shè)計的機翼中，新裝配的系統(tǒng)通過在結(jié)構(gòu)中結(jié)合剛性和柔性部件，可使整個機翼或部分機翼變形。大量微小的組件通過螺栓連接在一起，形成一個開放的、輕質(zhì)的點陣晶格框架結(jié)構(gòu)，隨后在該結(jié)構(gòu)上覆蓋一層由與框架結(jié)構(gòu)類似的聚合物材料組成的薄層。
研究人員表示，新設(shè)計的機翼比傳統(tǒng)使用金屬或復(fù)合材料制造的機翼都更輕，因此更加節(jié)能環(huán)保。因為該機翼由成千上萬個火柴棍狀支柱搭建的微小三角形組合，形成一個立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所以其實際上形成了一種機械“超材料”，結(jié)合了橡膠類聚合物的結(jié)構(gòu)剛度以及氣凝膠的極度輕盈和低密度等特點。
由于飛機飛行過程中的不同階段，都有一組不同的最佳機翼參數(shù)，以便為每個階段提供近似最佳的氣動性能。新設(shè)計的機翼系統(tǒng)將能夠通過特定方式改變機翼形狀，自動響應(yīng)空氣動力學(xué)負載條件的變化。
幾年前，研究團隊曾經(jīng)創(chuàng)建過一個長達1米的演示驗證機翼。而新版本的機翼尺寸大約此前演示驗證機翼的5倍，與實際單座飛機機翼相當，它的制造過程也相當簡單，可通過自動裝配機器人輕松完成。研究人員表示，機器人裝配系統(tǒng)的設(shè)計和測試是即將發(fā)表的論文主題。
從事這項研究詹內(nèi)特表示，在幾年前的演示驗證機翼中，各個部件的制造都是利用水刀切割系統(tǒng)完成，每個部件的制作需要幾分鐘。新的機翼系統(tǒng)則需要在一個復(fù)雜的3D模具中使用聚乙烯樹脂注塑成型生產(chǎn)每個部件——基本上是沿著每個模具邊緣制造由類似火柴棍尺寸的支柱組成的空心立方體——整個過程僅需17秒，這使得機翼結(jié)構(gòu)更接近未來規(guī)?；a(chǎn)的水平。
研究人員表示，目前已經(jīng)初步形成了一套制造方法，并且于前期對生產(chǎn)工具進行了投資，這項工作一旦完成，將會使生產(chǎn)制造的組件成本顯著降低。
由此產(chǎn)生的點陣晶格結(jié)構(gòu)密度為5.6kg/m⊃;。相比之下，橡膠的密度為約1500kg/m⊃;。兩種材料具有近似的剛度，但點陣晶格聚合物的密度卻遠遠低于橡膠。
由于新型機翼整體結(jié)構(gòu)或其他組分結(jié)構(gòu)都是由微小的子結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成，因此機翼結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計也將發(fā)生改變。研究表明，在許多結(jié)構(gòu)應(yīng)用中，翼身融合的結(jié)構(gòu)布局具有更好的效率。通過新設(shè)計的機翼系統(tǒng)，可以更加輕松地構(gòu)建、測試、修改和復(fù)驗。
研究團隊表示，同樣的系統(tǒng)也可用于制造其他結(jié)構(gòu)，包括風力渦輪機的翼狀葉片，其中這種設(shè)計理念帶來的可實時裝配的能力，可以避免運輸較長葉片的過程中對葉片造成損傷的問題。目前，研究團隊正在開發(fā)類似的組件來構(gòu)建立體空間結(jié)構(gòu)，并最終希望其可用于橋梁和其他高性能結(jié)構(gòu)制造中。
從事這項研究的團隊成員包括康奈爾大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校、加州大學(xué)圣克魯茲分校、美國宇航局蘭利研究中心、立陶宛考納斯理工大學(xué)和美國加州莫菲特菲爾德資質(zhì)技術(shù)服務(wù)公司的研究人員。這項工作得到了NASA自適應(yīng)數(shù)字復(fù)合材料航空結(jié)構(gòu)技術(shù)項目組(MADCAT項目)和麻省理工學(xué)院比特和原子中心的支持。
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