Новая архитектура крыла, которая может значительно упростить производственный процесс и снизить расход топлива за счет улучшения аэродинамики крыла, а также повышения его маневренности, основана на системе крошечных и легких узлов, которые могут быть собраны командой небольших специализированных роботов. , и в конечном итоге может быть использован для создания всего планера. Крыло будет покрыто «кожей», состоящей из перекрывающихся частей, которые могут напоминать чешую или перья.
Новая концепция описана в журнале Soft Robotics, в статье Нила Гершенфельда, директора Центра битов и атомов Массачусетского технологического института (CBA); Бенджамин Дженетт, аспирант CBA; Кеннет Чунг, доктор философии ’12, выпускник CBA и научный сотрудник НАСА; и четыре других.В течение многих лет исследователи пытались создать надежный способ деформации крыльев вместо обычных, отдельных движущихся поверхностей, но все эти усилия «не имели практического эффекта», — говорит Гершенфельд. Самая большая проблема заключалась в том, что большинство этих попыток основывалось на деформации крыла за счет использования механических управляющих структур внутри крыла, но эти конструкции, как правило, были настолько тяжелыми, что сводили на нет любые преимущества эффективности, обеспечиваемые более гладкими аэродинамическими поверхностями.
Они также добавили сложности и надежности.Напротив, Гершенфельд говорит: «Мы делаем все крыло механизмом. Это не то, что мы вкладываем в крыло».
Согласно новому подходу команды, вся форма крыла может быть изменена и равномерно скручена по его длине путем активации двух небольших двигателей, которые оказывают скручивающее давление на каждую законцовку крыла.Как строить из блоковОсновной принцип, лежащий в основе новой концепции, заключается в использовании множества крошечных и легких конструктивных элементов, которые Гершенфельд называет «цифровыми материалами», которые можно собирать в практически бесконечное множество форм, подобно сборке конструкции из блоков Lego. Сборка, выполняемая вручную для этого первоначального эксперимента, могла быть выполнена простыми миниатюрными роботами, которые могли ползать вдоль или внутри конструкции, когда она принимала форму.
Команда уже разработала прототипы таких роботов.Отдельные детали прочные и жесткие, но точный выбор размеров и материалов, используемых для деталей, а также геометрия их сборки позволяет точно настроить гибкость конечной формы.
Для первоначальной тестовой конструкции цель заключалась в том, чтобы позволить крылу точно поворачиваться, чтобы заменить движение отдельных элементов конструкции (таких как маленькие элероны на задних кромках обычных крыльев), обеспечивая при этом единое плавное движение. аэродинамическая поверхность.По словам Гершенфельда, создание большой и сложной конструкции из множества небольших идентичных строительных блоков, которые обладают исключительным сочетанием прочности, легкого веса и гибкости, значительно упрощает производственный процесс. В то время как конструкция легких композитных крыльев для современных самолетов требует большого специализированного оборудования для наслоения и упрочнения материала, новые модульные конструкции могут быть быстро изготовлены в массовых количествах, а затем собраны на месте с помощью роботов.Гершенфельд и его команда применяли этот подход к созданию сложных структур в течение многих лет, со многими потенциальными приложениями для робототехнических устройств различных типов.
Например, этот метод может привести к созданию роботизированных рук и ног, форма которых может непрерывно изгибаться по всей своей длине, а не просто иметь фиксированное количество суставов.Это исследование, по словам Ченга, «представляет общую стратегию повышения производительности очень совместимых, то есть« мягких », роботов и механизмов« путем замены обычных гибких материалов новыми ячеистыми материалами », которые имеют гораздо меньший вес, более того. настраиваемый, и его можно сделать так, чтобы рассеивать энергию с гораздо более низкими скоростями, "имея при этом эквивалентную жесткость.Экономия топлива, сокращение выбросов
Изучая возможные применения этой зарождающейся технологии, Гершенфельд и его команда консультировались с инженерами НАСА и другими специалистами в поисках путей повышения эффективности производства самолетов и их полета. Они узнали, что «идея о том, что вы можете непрерывно деформировать форму крыла для выполнения чистого подъема и крена, была святым Граалем в этой области, как для эффективности, так и для маневренности», — говорит он. Учитывая важность затрат на топливо как для экономики отрасли авиаперевозок, так и вклад этого сектора в выбросы парниковых газов, даже небольшие улучшения в топливной эффективности могут иметь значительное влияние.
Испытания этой конструкции в аэродинамической трубе показали, что она, по крайней мере, соответствует аэродинамическим свойствам обычного крыла, составляя примерно одну десятую веса.«Обшивка» крыла также улучшает характеристики конструкции. Он сделан из перекрывающихся полос гибкого материала, уложенных слоями наподобие перьев или рыбьей чешуи, что позволяет частям перемещаться друг над другом при изгибе крыла, сохраняя при этом гладкую внешнюю поверхность.Модульная структура также обеспечивает большую простоту сборки и разборки: одно из больших преимуществ этой системы, в принципе, говорит Гершенфельд, заключается в том, что, когда она больше не нужна, вся конструкция может быть разобрана на составные части, которые затем могут быть собраны во что-то совершенно другое.
Точно так же ремонт мог производиться простой заменой участка поврежденных подразделений.«Робот-инспектор может просто найти сломанную деталь, заменить ее и постоянно поддерживать 100% исправность самолета», — говорит Дженетт.
После успешных испытаний в аэродинамической трубе команда теперь расширяет работу до испытаний летательного беспилотного самолета, и первоначальные испытания показали большие надежды, говорит Дженетт. «Первые тесты проводил сертифицированный летчик-испытатель, и он нашел их настолько отзывчивыми, что решил сделать несколько фигур высшего пилотажа».Одним из первых применений этой технологии может стать создание небольших роботизированных самолетов — «сверхэффективных дронов дальнего действия», — говорит Гершенфельд, — которые можно было бы использовать в развивающихся странах как способ доставки лекарств в отдаленные районы.