Ett team av ingenjörer har byggt och testat en radikalt ny typ av flygplansvinge, sammansatt av hundratals små identiska bitar. Vingen kan ändra form för att styra planets flygning, och skulle kunna ge ett betydande lyft i flygplansproduktionen, flyg, och underhållseffektivitet, säger forskarna.

Det nya tillvägagångssättet för vingkonstruktion kan ge större flexibilitet vid design och tillverkning av framtida flygplan. Den nya vingdesignen testades i en NASA-vindtunnel och beskrivs idag i en artikel i tidskriften Smart Materials and Structures, medförfattare av forskningsingenjör Nicholas Cramer vid NASA Ames i Kalifornien; MIT alumn Kenneth Cheung SM '07 Ph.D. '12, nu på NASA Ames; Benjamin Jenett, en doktorand i MIT:s Center for Bits and Atoms; och åtta andra.

Istället för att kräva separata rörliga ytor som skevroder för att kontrollera planets rullning och stigning, som konventionella vingar gör, det nya monteringssystemet gör det möjligt att deformera hela vingen, eller delar av det, genom att införliva en blandning av styva och flexibla komponenter i sin struktur. De små underenheterna, som är sammanskruvade för att bilda en öppen, lätt gitterram, täcks sedan med ett tunt lager av liknande polymermaterial som ramverket.

Resultatet är en vinge som är mycket lättare, och därmed mycket mer energieffektiv, än de med konventionell design, oavsett om de är gjorda av metall eller kompositer, säger forskarna. Eftersom strukturen, som består av tusentals små trianglar av tändsticksliknande strävor, består mestadels av tomt utrymme, det bildar ett mekaniskt "metamaterial" som kombinerar den strukturella styvheten hos en gummiliknande polymer och den extrema lättheten och låga densiteten hos en aerogel.

Jenett förklarar att för var och en av faserna av en flygning – start och landning, kryssning, manövrering och så vidare – var och en har sin egen, olika uppsättningar av optimala vingparametrar, så en konventionell vinge är nödvändigtvis en kompromiss som inte är optimerad för någon av dessa, och därför offrar effektiviteten. En vinge som är konstant deformerbar skulle kunna ge en mycket bättre approximation av den bästa konfigurationen för varje steg.

Även om det skulle vara möjligt att inkludera motorer och kablar för att producera de krafter som behövs för att deformera vingarna, teamet har tagit detta ett steg längre och designat ett system som automatiskt reagerar på förändringar i dess aerodynamiska belastningsförhållanden genom att ändra dess form – ett slags självjusterande, passiv vingomkonfigurationsprocess.

"Vi kan få effektivitet genom att matcha formen till lasterna i olika anfallsvinklar, säger Cramer, tidningens huvudförfattare. "Vi kan producera exakt samma beteende som du skulle göra aktivt, men vi gjorde det passivt."

Allt detta åstadkoms genom noggrann utformning av de relativa positionerna för strävor med olika mängder av flexibilitet eller styvhet, utformad så att vingen, eller delar av den, böjas på specifika sätt som svar på särskilda typer av påfrestningar.

Cheung och andra visade den grundläggande underliggande principen för några år sedan, producerar en vinge som är ungefär en meter lång, jämförbar med storleken på typiska fjärrstyrda modellflygplan. Den nya versionen, ungefär fem gånger så lång, är i storlek jämförbar med vingen på ett riktigt ensitsigt plan och kan vara lätt att tillverka.

Även om den här versionen tillverkades för hand av ett team av doktorander, den repetitiva processen är utformad för att lätt kunna utföras av en svärm av små, enkla autonoma monteringsrobotar. Utformningen och testningen av robotmonteringssystemet är föremål för ett kommande dokument, säger Jenett.

De enskilda delarna för den tidigare vingen skars med hjälp av ett vattenjetsystem, och det tog flera minuter att göra varje del, säger Jenett. Det nya systemet använder formsprutning med polyetenharts i en komplex 3D-form, och producerar varje del - i huvudsak en ihålig kub som består av strävor i tändsticksstorlek längs varje kant - på bara 17 sekunder, han säger, vilket för det långt närmare skalbara produktionsnivåer.

"Nu har vi en tillverkningsmetod, " säger han. Även om det finns en förhandsinvestering i verktyg, när det väl är gjort, "delarna är billiga, " säger han. "Vi har lådor och lådor av dem, alla likadana."

Det resulterande gallret, han säger, har en densitet på 5,6 kilogram per kubikmeter. Som jämförelse, gummi har en densitet på cirka 1, 500 kilo per kubikmeter. "De har samma stelhet, men vår har mindre än ungefär en tusendel av densiteten, " säger Jenett.

Eftersom den övergripande konfigurationen av vingen eller annan struktur är uppbyggd av små underenheter, det spelar egentligen ingen roll vad formen är. "Du kan göra vilken geometri du vill, " säger han. "Det faktum att de flesta flygplan har samma form" - i huvudsak ett rör med vingar - "är på grund av kostnaden. Det är inte alltid den mest effektiva formen." Men massiva investeringar i design, verktyg, och produktionsprocesser gör det lättare att stanna kvar med sedan länge etablerade konfigurationer.

Studier har visat att en integrerad kropp och vingstruktur kan vara mycket effektivare för många applikationer, han säger, och med detta system kan de enkelt byggas, testat, ändrad, och testade igen.

"Forskningen visar lovande för att minska kostnaderna och öka prestandan för stora, lättvikt, styva strukturer, säger Daniel Campbell, en strukturforskare vid Aurora Flight Sciences, ett Boeing-företag, som inte var involverad i denna forskning. "De mest lovande tillämpningarna på kort sikt är strukturella tillämpningar för luftskepp och rymdbaserade strukturer, som antenner."

Den nya vingen designades för att vara så stor som kunde rymmas i NASA:s höghastighetsvindtunnel vid Langley Research Center, där det presterade lite bättre än förutspått, säger Jenett.

Samma system skulle kunna användas för att göra andra strukturer också, Jenett säger, inklusive vingliknande blad på vindturbiner, där möjligheten att göra montering på plats skulle kunna undvika problemen med att transportera allt längre blad. Liknande sammansättningar utvecklas för att bygga rymdstrukturer, och kan så småningom vara användbar för broar och andra högpresterande strukturer.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.