據(jù)compositesworld2019年4月9日刊文，來自NASA艾姆斯研究中心和麻省理工學(xué)院的工程師團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開發(fā)并測(cè)試了一種由數(shù)百個(gè)相同的微小聚合物點(diǎn)陣晶格組成的飛機(jī)機(jī)翼。據(jù)相關(guān)研究表明，這種機(jī)翼可以通過改變形狀來控制飛機(jī)的飛行。
新設(shè)計(jì)的這種機(jī)翼在NASA風(fēng)洞中進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試，其主要細(xì)節(jié)在由NASA艾姆斯研究中心工程師尼古拉斯•克拉默等作者撰寫的論文中進(jìn)行了描述，該文目前已經(jīng)發(fā)表在《智能材料與結(jié)構(gòu)》期刊中。論文的主要作者還包括就職于NASA艾姆斯研究中心的工程師、麻省理工學(xué)院校友肯尼斯•張，麻省理工學(xué)院的研究生本杰明•詹內(nèi)特及其他8人。
傳統(tǒng)機(jī)翼中，需要利用單獨(dú)的可動(dòng)翼面，例如副翼來控制飛機(jī)的橫滾和俯仰，而在這種新設(shè)計(jì)的機(jī)翼中，新裝配的系統(tǒng)通過在結(jié)構(gòu)中結(jié)合剛性和柔性部件，可使整個(gè)機(jī)翼或部分機(jī)翼變形。大量微小的組件通過螺栓連接在一起，形成一個(gè)開放的、輕質(zhì)的點(diǎn)陣晶格框架結(jié)構(gòu)，隨后在該結(jié)構(gòu)上覆蓋一層由與框架結(jié)構(gòu)類似的聚合物材料組成的薄層。
研究人員表示，新設(shè)計(jì)的機(jī)翼比傳統(tǒng)使用金屬或復(fù)合材料制造的機(jī)翼都更輕，因此更加節(jié)能環(huán)保。因?yàn)樵摍C(jī)翼由成千上萬個(gè)火柴棍狀支柱搭建的微小三角形組合，形成一個(gè)立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，所以其實(shí)際上形成了一種機(jī)械“超材料”，結(jié)合了橡膠類聚合物的結(jié)構(gòu)剛度以及氣凝膠的極度輕盈和低密度等特點(diǎn)。
由于飛機(jī)飛行過程中的不同階段，都有一組不同的最佳機(jī)翼參數(shù)，以便為每個(gè)階段提供近似最佳的氣動(dòng)性能。新設(shè)計(jì)的機(jī)翼系統(tǒng)將能夠通過特定方式改變機(jī)翼形狀，自動(dòng)響應(yīng)空氣動(dòng)力學(xué)負(fù)載條件的變化。
幾年前，研究團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)創(chuàng)建過一個(gè)長(zhǎng)達(dá)1米的演示驗(yàn)證機(jī)翼。而新版本的機(jī)翼尺寸大約此前演示驗(yàn)證機(jī)翼的5倍，與實(shí)際單座飛機(jī)機(jī)翼相當(dāng)，它的制造過程也相當(dāng)簡(jiǎn)單，可通過自動(dòng)裝配機(jī)器人輕松完成。研究人員表示，機(jī)器人裝配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和測(cè)試是即將發(fā)表的論文主題。
從事這項(xiàng)研究詹內(nèi)特表示，在幾年前的演示驗(yàn)證機(jī)翼中，各個(gè)部件的制造都是利用水刀切割系統(tǒng)完成，每個(gè)部件的制作需要幾分鐘。新的機(jī)翼系統(tǒng)則需要在一個(gè)復(fù)雜的3D模具中使用聚乙烯樹脂注塑成型生產(chǎn)每個(gè)部件——基本上是沿著每個(gè)模具邊緣制造由類似火柴棍尺寸的支柱組成的空心立方體——整個(gè)過程僅需17秒，這使得機(jī)翼結(jié)構(gòu)更接近未來規(guī)?；a(chǎn)的水平。
研究人員表示，目前已經(jīng)初步形成了一套制造方法，并且于前期對(duì)生產(chǎn)工具進(jìn)行了投資，這項(xiàng)工作一旦完成，將會(huì)使生產(chǎn)制造的組件成本顯著降低。
由此產(chǎn)生的點(diǎn)陣晶格結(jié)構(gòu)密度為5.6kg/m⊃;。相比之下，橡膠的密度為約1500kg/m⊃;。兩種材料具有近似的剛度，但點(diǎn)陣晶格聚合物的密度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于橡膠。
由于新型機(jī)翼整體結(jié)構(gòu)或其他組分結(jié)構(gòu)都是由微小的子結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成，因此機(jī)翼結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計(jì)也將發(fā)生改變。研究表明，在許多結(jié)構(gòu)應(yīng)用中，翼身融合的結(jié)構(gòu)布局具有更好的效率。通過新設(shè)計(jì)的機(jī)翼系統(tǒng)，可以更加輕松地構(gòu)建、測(cè)試、修改和復(fù)驗(yàn)。
研究團(tuán)隊(duì)表示，同樣的系統(tǒng)也可用于制造其他結(jié)構(gòu)，包括風(fēng)力渦輪機(jī)的翼狀葉片，其中這種設(shè)計(jì)理念帶來的可實(shí)時(shí)裝配的能力，可以避免運(yùn)輸較長(zhǎng)葉片的過程中對(duì)葉片造成損傷的問題。目前，研究團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)類似的組件來構(gòu)建立體空間結(jié)構(gòu)，并最終希望其可用于橋梁和其他高性能結(jié)構(gòu)制造中。
從事這項(xiàng)研究的團(tuán)隊(duì)成員包括康奈爾大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校、加州大學(xué)圣克魯茲分校、美國(guó)宇航局蘭利研究中心、立陶宛考納斯理工大學(xué)和美國(guó)加州莫菲特菲爾德資質(zhì)技術(shù)服務(wù)公司的研究人員。這項(xiàng)工作得到了NASA自適應(yīng)數(shù)字復(fù)合材料航空結(jié)構(gòu)技術(shù)項(xiàng)目組(MADCAT項(xiàng)目)和麻省理工學(xué)院比特和原子中心的支持。
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