Uma equipe de engenheiros construiu e testou um tipo radicalmente novo de asa de avião, montado a partir de centenas de minúsculas peças idênticas. A asa pode mudar de forma para controlar o vôo do avião, e pode fornecer um impulso significativo na produção de aeronaves, voo, e eficiência de manutenção, dizem os pesquisadores.

A nova abordagem para a construção de asas pode permitir maior flexibilidade no projeto e na fabricação de futuras aeronaves. O novo projeto da asa foi testado em um túnel de vento da NASA e é descrito hoje em um artigo na revista Smart Materials and Structures, co-autoria do engenheiro pesquisador Nicholas Cramer da NASA Ames na Califórnia; Ex-aluno do MIT, Kenneth Cheung SM '07, Ph.D. '12, agora na NASA Ames; Benjamin Jenett, um estudante de pós-graduação no Centro de Bits e Átomos do MIT; e outros oito.

Em vez de exigir superfícies móveis separadas, como ailerons, para controlar a rotação e inclinação do avião, como as asas convencionais fazem, o novo sistema de montagem permite deformar toda a asa, ou partes dele, incorporando uma mistura de componentes rígidos e flexíveis em sua estrutura. Os minúsculos subconjuntos, que são aparafusados ​​para formar uma abertura, estrutura de rede leve, são então cobertos com uma fina camada de material polimérico semelhante à estrutura.

O resultado é uma asa muito mais leve, e, portanto, muito mais eficiente em termos de energia, do que aqueles com designs convencionais, seja feito de metal ou compósitos, dizem os pesquisadores. Porque a estrutura, compreendendo milhares de pequenos triângulos de suportes semelhantes a palitos de fósforo, é composto principalmente de espaço vazio, forma um "metamaterial" mecânico que combina a rigidez estrutural de um polímero semelhante à borracha e a extrema leveza e baixa densidade de um aerogel.

Jenett explica que para cada uma das fases de um voo - decolagem e pouso, cruzeiro, manobra e assim por diante - cada um tem seu próprio, conjunto diferente de parâmetros de asa ideais, então, uma asa convencional é necessariamente um compromisso que não é otimizado para qualquer um deles, e, portanto, sacrifica a eficiência. Uma asa que é constantemente deformável poderia fornecer uma aproximação muito melhor da melhor configuração para cada estágio.

Embora fosse possível incluir motores e cabos para produzir as forças necessárias para deformar as asas, a equipe deu um passo adiante e projetou um sistema que responde automaticamente às mudanças em suas condições de carga aerodinâmica, mudando sua forma - uma espécie de autoajuste, processo passivo de reconfiguração de asas.

"Conseguimos ganhar eficiência combinando a forma com as cargas em diferentes ângulos de ataque, "diz Cramer, o autor principal do artigo. "Somos capazes de produzir exatamente o mesmo comportamento que você faria ativamente, mas o fizemos passivamente. "

Tudo isso é conseguido pelo projeto cuidadoso das posições relativas das escoras com diferentes níveis de flexibilidade ou rigidez, projetado para que a asa, ou seções dele, curvar-se de maneiras específicas em resposta a tipos específicos de tensões.

Cheung e outros demonstraram o princípio básico subjacente há alguns anos, produzindo uma asa com cerca de um metro de comprimento, comparável ao tamanho de um modelo típico de aeronave com controle remoto. A nova versão, cerca de cinco vezes mais longo, é comparável em tamanho à asa de um avião monolugar real e pode ser fácil de fabricar.

Embora esta versão tenha sido montada manualmente por uma equipe de alunos de pós-graduação, o processo repetitivo é projetado para ser facilmente realizado por um enxame de pequenos, robôs de montagem autônomos simples. O projeto e o teste do sistema de montagem robótica é o assunto de um próximo artigo, Jenett diz.

As partes individuais da asa anterior foram cortadas usando um sistema de jato de água, e demorou vários minutos para fazer cada parte, Jenett diz. O novo sistema usa moldagem por injeção com resina de polietileno em um molde 3-D complexo, e produz cada parte - essencialmente um cubo oco feito de suportes do tamanho de palitos de fósforo ao longo de cada borda - em apenas 17 segundos, ele diz, o que o aproxima muito dos níveis de produção escalonáveis.

"Agora temos um método de fabricação, "diz ele. Embora haja um investimento inicial em ferramentas, uma vez feito isso, "as peças são baratas, "diz ele." Temos caixas e mais caixas deles, tudo o mesmo."

A estrutura resultante, ele diz, tem uma densidade de 5,6 quilogramas por metro cúbico. A título de comparação, borracha tem uma densidade de cerca de 1, 500 quilogramas por metro cúbico. "Eles têm a mesma rigidez, mas o nosso tem menos de cerca de um milésimo da densidade, "Jenett diz.

Como a configuração geral da asa ou outra estrutura é construída a partir de pequenas subunidades, realmente não importa qual seja a forma. "Você pode fazer qualquer geometria que quiser, ", diz ele." O fato de a maioria das aeronaves ter o mesmo formato "- essencialmente um tubo com asas -" é devido aos gastos. Nem sempre é a forma mais eficiente. "Mas grandes investimentos em design, ferramentas, e os processos de produção tornam mais fácil manter as configurações estabelecidas há muito tempo.

Estudos têm mostrado que um corpo integrado e estrutura de asa podem ser muito mais eficientes para muitas aplicações, ele diz, e com este sistema, eles podem ser facilmente construídos, testado, modificado, e retestado.

"A pesquisa mostra a promessa de redução de custos e aumento de desempenho para grandes, peso leve, estruturas rígidas, "diz Daniel Campbell, um pesquisador de estruturas na Aurora Flight Sciences, uma empresa Boeing, que não esteve envolvido nesta pesquisa. "As aplicações mais promissoras de curto prazo são aplicações estruturais para dirigíveis e estruturas baseadas no espaço, como antenas. "

A nova asa foi projetada para ser tão grande quanto pudesse ser acomodada no túnel de vento de alta velocidade da NASA no Langley Research Center, onde teve um desempenho ainda melhor do que o previsto, Jenett diz.

O mesmo sistema pode ser usado para fazer outras estruturas também, Jenett diz, incluindo as lâminas semelhantes a asas de turbinas eólicas, onde a capacidade de fazer a montagem no local poderia evitar os problemas de transporte de lâminas cada vez mais longas. Conjuntos semelhantes estão sendo desenvolvidos para construir estruturas espaciais, e pode eventualmente ser útil para pontes e outras estruturas de alto desempenho.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.