聚焦 2019-04-10 13:04

NASA与麻省理工学院合作设计轻质聚合物变形机翼

陈济桁 摘自 compositesworld网站

据compositesworld2019年4月9日刊文,来自NASA艾姆斯研究中心和麻省理工学院的工程师团队已经开发并测试了一种由数百个相同的微小聚合物点阵晶格组成的飞机机翼。据相关研究表明,这种机翼可以通过改变形状来控制飞机的飞行。

新设计的这种机翼在NASA风洞中进行了相关测试,其主要细节在由NASA艾姆斯研究中心工程师尼古拉斯?克拉默等作者撰写的论文中进行了描述,该文目前已经发表在《智能材料与结构》期刊中。论文的主要作者还包括就职于NASA艾姆斯研究中心的工程师、麻省理工学院校友肯尼斯?张,麻省理工学院的研究生本杰明?詹内特及其他8人。

传统机翼中,需要利用单独的可动翼面,例如副翼来控制飞机的横滚和俯仰,而在这种新设计的机翼中,新装配的系统通过在结构中结合刚性和柔性部件,可使整个机翼或部分机翼变形。大量微小的组件通过螺栓连接在一起,形成一个开放的、轻质的点阵晶格框架结构,随后在该结构上覆盖一层由与框架结构类似的聚合物材料组成的薄层。

研究人员表示,新设计的机翼比传统使用金属或复合材料制造的机翼都更轻,因此更加节能环保。因为该机翼由成千上万个火柴棍状支柱搭建的微小三角形组合,形成一个立体网状结构,所以其实际上形成了一种机械“超材料”,结合了橡胶类聚合物的结构刚度以及气凝胶的极度轻盈和低密度等特点。

由于飞机飞行过程中的不同阶段,都有一组不同的最佳机翼参数,以便为每个阶段提供近似最佳的气动性能。新设计的机翼系统将能够通过特定方式改变机翼形状,自动响应空气动力学负载条件的变化。

几年前,研究团队曾经创建过一个长达1米的演示验证机翼。而新版本的机翼尺寸大约此前演示验证机翼的5倍,与实际单座飞机机翼相当,它的制造过程也相当简单,可通过自动装配机器人轻松完成。研究人员表示,机器人装配系统的设计和测试是即将发表的论文主题。

从事这项研究詹内特表示,在几年前的演示验证机翼中,各个部件的制造都是利用水刀切割系统完成,每个部件的制作需要几分钟。新的机翼系统则需要在一个复杂的3D模具中使用聚乙烯树脂注塑成型生产每个部件——基本上是沿着每个模具边缘制造由类似火柴棍尺寸的支柱组成的空心立方体——整个过程仅需17秒,这使得机翼结构更接近未来规模化生产的水平。

研究人员表示,目前已经初步形成了一套制造方法,并且于前期对生产工具进行了投资,这项工作一旦完成,将会使生产制造的组件成本显着降低。

由此产生的点阵晶格结构密度为5.6千克/立方米。相比之下,橡胶的密度为约1500千克/立方米。两种材料具有近似的刚度,但点阵晶格聚合物的密度却远远低于橡胶。

由于新型机翼整体结构或其他组分结构都是由微小的子结构单元构成,因此机翼结构的整体设计也将发生改变。研究表明,在许多结构应用中,翼身融合的结构布局具有更好的效率。通过新设计的机翼系统,可以更加轻松地构建、测试、修改和复验。

研究团队表示,同样的系统也可用于制造其他结构,包括风力涡轮机的翼状叶片,其中这种设计理念带来的可实时装配的能力,可以避免运输较长叶片的过程中对叶片造成损伤的问题。目前,研究团队正在开发类似的组件来构建立体空间结构,并最终希望其可用于桥梁和其他高性能结构制造中。

从事这项研究的团队成员包括康奈尔大学、加州大学伯克利分校、加州大学圣克鲁兹分校、美国宇航局兰利研究中心、立陶宛考纳斯理工大学和美国加州莫菲特菲尔德资质技术服务公司的研究人员。这项工作得到了NASA自适应数字复合材料航空结构技术项目组(MADCAT项目)和麻省理工学院比特和原子中心的支持。

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