新的“变形”翼可以实现更高效的飞机飞行 2017-02-07 10:34:05

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新开发的机翼结构可以大大简化制造过程并通过改进机翼的空气动力学来降低油耗

它基于一个由小型专用机器人组装的微小,轻量级子单元系统,最终可用于构建麻省理工学院和美国国家航空航天局的整个机身工程师开发了一种新型可弯曲的“变形”机翼,可以实现更高效的飞机制造和飞行

当莱特兄弟在一个多世纪前完成他们的第一次动力飞行时,他们控制了他们的运动

飞行器1飞机使用电线和滑轮弯曲和扭曲木头和帆布翼这个系统与单独的铰链襟翼和副翼完全不同,这些襟翼和副翼在大多数飞机上执行了这些功能,但现在,由于一些高科技由麻省理工学院和美国国家航空航天局的工程师开发的魔法,一些飞机可能会回归自己的​​根源,一种新的可弯曲的“morphi”新的机翼结构可以通过改进机翼的空气动力学以及提高灵活性来大大简化制造过程并降低燃油消耗,它基于一个由小型轻量级子单元组成的系统,可以由一个团队组装而成

小型专用机器人,最终可以用来制造整个机身机翼将由一个由重叠的碎片制成的“皮肤”覆盖,可能类似鳞片或羽毛新概念在软件机器人杂志中描述,在Neil的一篇论文中Gershenfeld,麻省理工学院的原子与原子中心(CBA)主任;本杰明杰内特,CBA研究生; Kenneth Cheung博士'12,CBA校友和美国宇航局研究科学家;麻省理工学院和美国宇航局研究人员设计的可变形机翼测试版正在进行扭转运动,可以取代对控制飞机运动的单独铰接面板的需求(Kenneth Cheung / NASA)研究人员一直在努力多年来,为了取代传统的,独立的,移动的表面,实现了一种可靠的变形方式,但所有这些努力“几乎没有实际影响”,Gershenfeld说最大的问题是这些尝试中的大多数都依赖于使机翼变形通过在机翼内使用机械控制结构,但这些结构往往太重,以至于它们抵消了更平滑的空气动力学表面产生的任何效率优势

它们还增加了复杂性和可靠性问题

相比之下,Gershenfeld说,“我们做了整个机翼机翼它不是我们投入机翼的东西“在团队的新方法中,机翼的整体形状可以是通过激活两个对每个翼尖施加扭转压力的小型电动机,改变并沿着其长度均匀地扭曲

这种制造飞机的方法,以及可能的其他技术,是一种新的想法,“我想我们可以说它是一个哲学革命,为破坏性创新打开了大门,“空中客车公司新兴技术和概念的首席技术专家Vincent Loubiere说,他没有直接参与这项研究

他补充说,”这种方法开辟的前景和领域令人兴奋“带有块新概念背后的基本原理是使用一系列微小,轻质的结构件,Gershenfeld称之为“数字材料”,可以组装成几乎无限多种形状,就像从乐高积木组装结构一样手工进行的初步实验组装可以通过简单的微型机器人完成,这些机器人可以沿结构内部或内部爬行重新成型该团队已经开发出这种机器人的原型

各个部件坚固而坚硬,但是用于部件的尺寸和材料的精确选择以及它们如何组装的几何形状允许精确调整最终形状的灵活性对于初始测试结构,目标是允许机翼以精确的方式扭转,以替代单独结构件的运动(例如传统机翼后缘的小副翼) ,同时提供单一,平滑的空气动力学表面 Gershenfeld解释说,由一系列小而相同的构件组成的大型复杂结构,具有强度,重量轻和灵活性的优异组合,大大简化了制造过程,同时为当今的飞机构造轻型复合材料机翼需要用于分层和硬化材料的大型专用设备,新的模块化结构可以快速大批量生产,然后机械地组装到位Langley研究中心的12英尺低速隧道(Kenneth Cheung / NASA)测试翼的侧视图Gershenfeld和他的团队多年来一直在寻求这种方法来构建复杂的结构,对于各种机器人设备有许多潜在的应用

例如,这种方法可能导致机器人手臂和腿的形状可能沿着整个长度连续弯曲,而不是只有固定数量的关节这项研究,张说,“prese提高高度合规性能的一般策略 - 即“软” - 机器人和机制,“通过用新的蜂窝材料取代传统的柔性材料”,重量更轻,更可调,并且可以消耗能量以低得多的速度“同时具有相同的刚度节省燃料,减少排放在探索这种新生技术的可能应用的同时,Gershenfeld和他的团队咨询了美国宇航局工程师和其他寻求提高飞机制造和飞行效率的方法他们了解到了这个想法为了提高效率和灵活性,你可以不断变形机翼形状以进行纯粹的提升和滚动一直是该领域的圣杯,“他说,鉴于燃料成本在航空业的经济性和该部门的贡献中的重要性对于温室气体排放,即使燃料效率的微小改进也会对风洞试验产生重大影响这种结构表明它至少与传统机翼的空气动力学特性相匹配,重量约为十分之一

机翼的“皮肤”也增强了结构的性能它由重叠的柔性材料条制成,有点像羽毛或鱼鳞,允许碎片在翼部弯曲时相互移动,同时仍然提供光滑的外表面模块化结构也使组装和拆卸更加容易:原则上,Gershenfeld说,这个系统的一大优势是,当它不再需要时,整个结构可以拆分成它的组成部分,然后可以重新组装成完全不同的东西

同样,可以通过简单地替换损坏的子单元区来进行修复“检查机器人可以找到破碎的部分是替换它,并保持飞机在任何时候都保持100%健康,“Jenett跟进succ说道

为了进行风洞测试,该团队现在将工作扩展到可飞行的无人驾驶飞机的测试,并且初步测试显示出巨大的希望,Jenett说:“第一次测试是由一名经过认证的试飞员完成的,他发现它如此敏感,以至于他决定做一些特技飞行“这项技术的一些首次使用可能是生产小型机器人飞机 - ”超高效的远程无人机,“格申菲尔德说,可以在发展中国家用作向以前提供药物的方式偏远地区“超轻型,可调谐,气动弹性结构和飞行控制打开了全新的飞行前沿,”Moog公司首席技术官Gonzalo Rey说道,该公司是一家精密飞机运动控制公司,虽然没有直接参与这项工作,他与团队合作“数字材料和制造是一种全新的制造方式,并使传统上不可能

数字变形翼文章展示了这一能力o深入解决应用“Rey补充说明”这一概念所必需的工程挑战

这一概念的更广泛潜力直接扩展到摩天大楼,桥梁和空间结构,不仅提供了改进的性能和生存能力,而且通过实现使用和重复使用相同的强度,大大减少原材料“来自空中客车公司的Loubiere表示,许多其他技术也可以从这种方法中受益,包括风力涡轮机:”只需在现场组装风车叶片,而不是使用复杂和耗油的运输,将极大地提高成本和整体表现,“他说研究团队还包括研究生Sam Calisch在麻省理工学院的钻头和原子中心;康奈尔大学的Daniel Cellucci;加州大学圣克鲁兹分校的Nick Cramer;美国宇航局位于加利福尼亚州山景城的艾姆斯研究中心的研究员Sean Swei这项工作得到了美国宇航局航空研究所团队播种计划,NASA ARMD融合航空解决方案计划以及NASA空间技术研究奖学金计划的支持

出版物:Jenett Benjamin等al,“Digital Morphing Wing:使用基于复合格子的蜂窝结构的主动翼形成概念”,软机器人技术2016年10月; doi:101089 / soro20160032资料来源:麻省理工学院新闻大卫L钱德勒