Une nouvelle façon de fabriquer des ailes d'avion pourrait permettre de nouvelles conceptions radicales, comme ce concept, ce qui pourrait être plus efficace pour certaines applications. Crédit :Eli Gershenfeld, Centre de recherche Ames de la NASA
Une équipe d'ingénieurs a construit et testé un type d'aile d'avion radicalement nouveau, assemblés à partir de centaines de petites pièces identiques. L'aile peut changer de forme pour contrôler le vol de l'avion, et pourrait donner une impulsion significative à la production d'avions, voyage en avion, et l'efficacité de la maintenance, disent les chercheurs.
La nouvelle approche de la construction des ailes pourrait offrir une plus grande flexibilité dans la conception et la fabrication des futurs avions. La nouvelle conception de l'aile a été testée dans une soufflerie de la NASA et est décrite aujourd'hui dans un article de la revue Smart Materials and Structures, co-écrit par l'ingénieur de recherche Nicholas Cramer à la NASA Ames en Californie; Ancien élève du MIT Kenneth Cheung SM '07 Ph.D. '12, maintenant à la NASA Ames; Benjamin Jenett, un étudiant diplômé du Center for Bits and Atoms du MIT; et huit autres.
Au lieu d'exiger des surfaces mobiles séparées telles que des ailerons pour contrôler le roulis et le tangage de l'avion, comme le font les ailes conventionnelles, le nouveau système d'assemblage permet de déformer l'ensemble de l'aile, ou des parties de celui-ci, en incorporant un mélange de composants rigides et flexibles dans sa structure. Les petits sous-ensembles, qui sont boulonnés ensemble pour former un ouvert, cadre en treillis léger, sont ensuite recouverts d'une fine couche de matériau polymère similaire à l'armature.
Le résultat est une aile beaucoup plus légère, et donc beaucoup plus économe en énergie, que ceux avec des conceptions conventionnelles, qu'ils soient en métal ou en composites, disent les chercheurs. Parce que la structure, comprenant des milliers de petits triangles d'entretoises en forme d'allumettes, est composé principalement d'espace vide, il forme un « métamatériau » mécanique qui combine la rigidité structurelle d'un polymère caoutchouteux et l'extrême légèreté et la faible densité d'un aérogel.
Jenett explique que pour chacune des phases d'un vol - décollage et atterrissage, croisière, manœuvres et ainsi de suite—chacun a le sien, ensemble différent de paramètres d'aile optimaux, donc une aile conventionnelle est forcément un compromis qui n'est optimisé pour aucun d'entre eux, et sacrifie donc l'efficacité. Une aile constamment déformable pourrait fournir une bien meilleure approximation de la meilleure configuration pour chaque étage.
L'assemblage de l'aile est vu en construction, assemblés à partir de centaines de sous-unités identiques. L'aile a été testée dans une soufflerie de la NASA. Crédit :Kenny Cheung, Centre de recherche Ames de la NASA
Alors qu'il serait possible d'inclure des moteurs et des câbles pour produire les forces nécessaires à la déformation des ailes, l'équipe est allée plus loin et a conçu un système qui répond automatiquement aux changements de ses conditions de charge aérodynamique en changeant sa forme - une sorte d'auto-ajustement, processus de reconfiguration passive de l'aile.
"Nous sommes en mesure de gagner en efficacité en adaptant la forme aux charges à différents angles d'attaque, " dit Cramer, l'auteur principal du journal. "Nous sommes capables de produire exactement le même comportement que vous feriez activement, mais nous l'avons fait passivement."
Tout cela est accompli par la conception soignée des positions relatives des entretoises avec différentes quantités de flexibilité ou de rigidité, conçu pour que l'aile, ou des parties de celui-ci, se plier de manière spécifique en réponse à des types particuliers de contraintes.
Cheung et d'autres ont démontré le principe de base sous-jacent il y a quelques années, produisant une aile d'environ un mètre de long, comparable à la taille d'un modèle d'avion télécommandé typique. La nouvelle version, environ cinq fois plus long, est de taille comparable à l'aile d'un véritable avion monoplace et pourrait être facile à fabriquer.
Bien que cette version ait été assemblée à la main par une équipe d'étudiants diplômés, le processus répétitif est conçu pour être facilement accompli par un essaim de petits, robots d'assemblage autonomes simples. La conception et les tests du système d'assemblage robotisé font l'objet d'un prochain article, dit Jenett.
À des fins de test, cette aile initiale a été assemblée à la main, mais les futures versions pourraient être assemblées par des robots miniatures spécialisés. Crédit :Kenny Cheung, Centre de recherche Ames de la NASA
Les pièces détachées de l'aile précédente ont été découpées à l'aide d'un système jet d'eau, et il a fallu plusieurs minutes pour faire chaque partie, dit Jenett. Le nouveau système utilise le moulage par injection avec de la résine de polyéthylène dans un moule 3D complexe, et produit chaque pièce - essentiellement un cube creux composé d'entretoises de la taille d'une allumette le long de chaque bord - en seulement 17 secondes, il dit, ce qui le rapproche beaucoup plus des niveaux de production évolutifs.
« Maintenant, nous avons une méthode de fabrication, " dit-il. Bien qu'il y ait un investissement initial dans l'outillage, une fois que c'est fait, "les pièces sont bon marché, " dit-il. " Nous en avons des cartons et des cartons, tous les mêmes."
Le réseau résultant, il dit, a une densité de 5,6 kilogrammes par mètre cube. A titre de comparaison, le caoutchouc a une densité d'environ 1, 500 kilogrammes par mètre cube. "Ils ont la même rigidité, mais le nôtre a moins d'environ un millième de la densité, " dit Jenett.
Parce que la configuration globale de l'aile ou d'une autre structure est constituée de minuscules sous-unités, peu importe la forme. "Vous pouvez faire n'importe quelle géométrie que vous voulez, " dit-il. " Le fait que la plupart des avions aient la même forme " - essentiellement un tube avec des ailes - " est dû au coût. Ce n'est pas toujours la forme la plus efficace." Mais des investissements massifs dans la conception, outillage, et les processus de production facilitent le maintien des configurations établies de longue date.
Des études ont montré qu'une structure de carrosserie et d'aile intégrée pourrait être beaucoup plus efficace pour de nombreuses applications, il dit, et avec ce système ceux-ci pourraient être facilement construits, testé, modifié, et retesté.
Le concept d'artistes montre un avion à voilure intégré, permis par la nouvelle méthode de construction étant assemblée par un groupe de robots spécialisés, représenté en orange. Crédit :Eli Gershenfeld, Centre de recherche Ames de la NASA
« La recherche est prometteuse pour réduire les coûts et augmenter les performances pour les grands, poids léger, structures rigides, " dit Daniel Campbell, chercheur en structures à Aurora Flight Sciences, une société Boeing, qui n'a pas participé à cette recherche. "Les applications à court terme les plus prometteuses sont les applications structurelles pour les dirigeables et les structures spatiales, comme les antennes.
La nouvelle aile a été conçue pour être aussi grande que possible dans la soufflerie à grande vitesse de la NASA au Langley Research Center, où il a fait encore un peu mieux que prévu, dit Jenett.
Le même système pourrait être utilisé pour faire d'autres structures aussi, Jenet dit, y compris les pales en forme d'aile des éoliennes, où la possibilité de faire un assemblage sur site pourrait éviter les problèmes de transport de lames de plus en plus longues. Des assemblages similaires sont en cours de développement pour construire des structures spatiales, et pourrait éventuellement être utile pour les ponts et autres structures à haute performance.
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
