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| -Imagen MIT/NASA.- |
Un equipo de ingenieros ha construido y probado un tipo de ala de avión radicalmente nueva, ensamblada a partir de cientos de diminutas piezas idénticas. El ala puede cambiar de forma para controlar el vuelo del avión, y podría proporcionar un aumento significativo en la producción de aeronaves, el vuelo y la eficiencia de mantenimiento, según los investigadores.
El nuevo enfoque de la construcción de ala podría permitir una mayor flexibilidad en el diseño y la fabricación de futuros aviones. El nuevo diseño del ala se probó en un túnel de viento de la NASA y se describe hoy en un artículo en la revista Smart Materials and Structures , escrito en colaboración con el ingeniero de investigación Nicholas Cramer en la NASA Ames en California; El alumno Kenneth Cheung SM '07 PhD '12 del MIT, ahora en NASA Ames; Benjamin Jenett, un estudiante graduado en el Centro de Bits y Átomos del MIT; y otros ocho.
En lugar de requerir superficies móviles separadas, como alerones, para controlar el giro y la inclinación del avión, como hacen las alas convencionales, el nuevo sistema de ensamblaje permite deformar toda la ala, o partes de ella, incorporando una mezcla de rígido y flexible Componentes en su estructura. Los pequeños subconjuntos, que se atornillan entre sí para formar un marco de celosía abierto y liviano, se cubren con una capa delgada de material de polímero similar al marco.
El resultado es un ala que es mucho más ligera y, por lo tanto, mucho más eficiente en el uso de la energía, que las que tienen diseños convencionales, ya sean de metal o composites, según los investigadores. Debido a que la estructura, compuesta por miles de pequeños triángulos de puntales de cerillas, está compuesta principalmente de espacio vacío, forma un "metamaterial" mecánico que combina la rigidez estructural de un polímero similar a la goma y la extrema ligereza y baja densidad de un aerogel .
Jenett explica que para cada una de las fases de un vuelo: despegue y aterrizaje, crucero, maniobras, etc., cada uno tiene su propio conjunto diferente de parámetros óptimos de ala, por lo que una ala convencional es necesariamente un compromiso que no está optimizado para ninguno de Estos, y por lo tanto, sacrifican la eficiencia. Un ala que es constantemente deformable podría proporcionar una mejor aproximación de la mejor configuración para cada etapa.
Si bien sería posible incluir motores y cables para producir las fuerzas necesarias para deformar las alas, el equipo ha dado un paso más allá y ha diseñado un sistema que responde automáticamente a los cambios en sus condiciones de carga aerodinámica cambiando su forma, una especie de Autoajustable, proceso de reconfiguración pasiva del ala.
"Podemos ganar eficiencia al hacer coincidir la forma con las cargas en diferentes ángulos de ataque", dice Cramer, el autor principal del artículo. "Somos capaces de producir exactamente el mismo comportamiento que harías activamente, pero lo hicimos de forma pasiva".
Todo esto se logra mediante el diseño cuidadoso de las posiciones relativas de los puntales con diferentes cantidades de flexibilidad o rigidez, diseñados para que el ala, o secciones de ella, se doblen de maneras específicas en respuesta a tipos particulares de tensiones.
Cheung y otros demostraron el principio básico subyacente hace unos años, produciendo un ala de aproximadamente un metro de largo, comparable al tamaño de un modelo de avión a control remoto típico. La nueva versión, unas cinco veces más larga, es comparable en tamaño al ala de un avión monoplaza real y podría ser fácil de fabricar.
Si bien esta versión fue ensamblada a mano por un equipo de estudiantes graduados, el proceso repetitivo está diseñado para ser fácilmente realizado por un enjambre de robots de ensamblaje autónomos, pequeños y simples. El diseño y las pruebas del sistema de ensamblaje robótico son el tema de un próximo artículo, dice Jenett.
Las partes individuales para el ala anterior se cortaron utilizando un sistema de chorro de agua, y Jenett tardó varios minutos en hacer cada parte. El nuevo sistema utiliza moldeo por inyección con resina de polietileno en un complejo molde tridimensional, y produce cada parte, esencialmente un cubo hueco formado por puntales del tamaño de un cerillo a lo largo de cada borde, en solo 17 segundos, dice, lo que le da un largo Mucho más cerca de los niveles de producción escalables.
"Ahora tenemos un método de fabricación", dice. Si bien hay una inversión inicial en herramientas, una vez hecho esto, "las piezas son baratas", dice. "Tenemos cajas y cajas de ellos, de todos modos".
La celosía resultante, dice, tiene una densidad de 5,6 kilogramos por metro cúbico. A modo de comparación, el caucho tiene una densidad de alrededor de 1.500 kilogramos por metro cúbico. "Tienen la misma rigidez, pero la nuestra tiene menos de aproximadamente una milésima parte de la densidad", dice Jenett.
Debido a que la configuración general del ala u otra estructura se construye a partir de pequeñas subunidades, realmente no importa cuál sea la forma. "Puedes hacer cualquier geometría que quieras", dice. "El hecho de que la mayoría de los aviones tengan la misma forma, esencialmente un tubo con alas, se debe a los gastos. No siempre es la forma más eficiente". Sin embargo, las inversiones masivas en diseño, herramientas y procesos de producción hacen que sea más fácil mantenerse con configuraciones establecidas hace mucho tiempo.
Los estudios han demostrado que una estructura integrada de cuerpo y ala podría ser mucho más eficiente para muchas aplicaciones, dice, y con este sistema se podrían construir, probar, modificar y volver a probar fácilmente.
"La investigación es prometedora para reducir costos y aumentar el rendimiento de estructuras grandes, ligeras y rígidas", dice Daniel Campbell, investigador de estructuras en Aurora Flight Sciences, una compañía de Boeing, que no participó en esta investigación. "Las aplicaciones más prometedoras a corto plazo son aplicaciones estructurales para aeronaves y estructuras basadas en el espacio, como las antenas".
La nueva ala fue diseñada para ser tan grande como podría acomodarse en el túnel de viento de alta velocidad de la NASA en el Centro de Investigación Langley, donde se desempeñó incluso un poco mejor de lo previsto, dice Jenett.
El mismo sistema podría usarse para hacer otras estructuras también, dice Jenett, incluidas las palas de aerogeneradores similares a las alas, donde la capacidad de hacer el ensamblaje en el sitio podría evitar los problemas de transporte de palas cada vez más largas. Se están desarrollando ensamblajes similares para construir estructuras espaciales, y eventualmente podrían ser útiles para puentes y otras estructuras de alto rendimiento.
El equipo incluyó investigadores en la Universidad de Cornell, la Universidad de California en Berkeley en Santa Cruz, el Centro de Investigación Langley de la NASA, la Universidad de Tecnología de Kaunas en Lituania y los Servicios Técnicos Calificados, Inc., en Moffett Field, California. El trabajo fue apoyado por el Programa de Soluciones Aeronáuticas Convergentes de la ARMD de la NASA (Proyecto MADCAT) y el Centro MIT para Bits y Átomos.
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