能改變形狀！麻省理工和美國宇航局公佈的全新機翼厲害啦

一組工程師已經制造並測試了一種全新機翼，由數百個微小的相同部件組裝而成。研究人員說，

博科園-科學科普：與傳統機翼不同，這種新型裝配系統不需要像副翼那樣單獨的活動表面來控制飛機的橫搖和俯仰，而是通過在結構中加入剛性和柔性部件，使整個機翼或部分機翼變形成為可能。這些微小的組件通過螺栓連接在一起，形成一個開放的、輕量級的晶格框架，然後覆蓋一層類似框架的聚合物材料。研究人員說，結果是機翼比傳統設計的機翼要輕得多，因此也更節能，無論是用金屬還是複合材料製成。由於該結構由成千上萬個火柴棍狀支柱組成的微小三角形組成，大部分由空的空間組成，它形成了一種機械“超材料”。

• 製造飛機機翼的新方法可能使一些全新設計成為可能，比如這個概念，在某些應用中可能更有效。圖片：Eli Gershenfeld, NASA Ames Research Center

結合了橡膠類聚合物的結構剛度和氣凝膠的極度輕盈和低密度。傑耐特解釋說：對於飛行的每一個階段（起飛和降落、巡航、機動等等）每一個階段都有自己、不同的最優機翼參數集，因此傳統機翼必然是一種妥協，沒有對這些參數進行優化，因此犧牲了效率。一個不斷變形的機翼可以為每個階段提供一個更好的最佳配置近似。雖然有可能包括髮動機和電纜來產生使機翼變形所需的力量，但該團隊已經更進一步，設計了一個系統，通過改變機翼形狀(一種自我調節的被動機翼重新配置過程)來自動響應其氣動載荷條件的變化。

該論文的第一作者克萊默表示：我們能夠通過將形狀與不同攻角的載荷匹配來提高效率，能夠產生和主動做完全一樣的行為，但我們是被動做的。這一切都是通過對具有不同柔性或剛度支柱的相對位置精心設計來實現，設計使機翼或其截面在特定應力作用下以特定的方式彎曲。幾年前，張和其他人演示了基本的基本原理，製造了一個大約一米長的機翼，大小與典型的遙控模型飛機相當。新版本機翼長度約為單座飛機的5倍，與真正的單座飛機機翼大小相當，製造起來也很容易。

• 機翼組件正在建造中，由數百個相同的子單元組裝而成，機翼在NASA的風洞中進行了測試。圖片：Kenny Cheung, NASA Ames Research Center

雖然這個版本是由一組研究生手工組裝，但重複過程被設計成由一群小型、簡單的自主組裝機器人輕鬆完成。Jenett說，機器人裝配系統的設計和測試是即將發表的論文主題。傑耐特說，前一個機翼的各個部件都是用水射流系統切割，每一個部件都需要幾分鐘的時間。新系統使用聚乙烯樹脂在一個複雜3d模具中注塑成型，每一個部件(本質上是一個由火柴棍大小的支柱沿每個邊組成的空心立方體)只需17秒，這使其距離可擴展的生產水平又近了一大步。現在有了一種製造方法，儘管在模具方面有前期投資，但一旦完成，“零件就很便宜了。

• 為了測試，最初機翼是手工組裝的，但未來版本可以由專門的微型機器人組裝。圖片：Kenny Cheung, NASA Ames Research Center

由此產生的晶格密度為5.6千克每立方米。傑耐特說：相比之下，橡膠的密度約為每立方米1500公斤。它們有相同的硬度，但我們的密度不到它的千分之一。因為機翼或其他結構的整體結構是由微小亞單元構成，所以形狀並不重要。可以做出任何你想要的幾何圖形，事實上，大多數飛機的形狀都是一樣的（本質上是一個帶機翼的管子），它並不總是最有效的形狀。但是，在設計、工具和生產過程上的大量投資使得保持長期建立的配置更加容易。研究表明，一個集成的機身和機翼結構可以在許多應用中更有效，而且有了這個系統，可以很容易地構建、測試、修改和重新測試。

波音公司Aurora Flight Sciences的結構研究員丹尼爾•坎貝爾(Daniel Campbell)表示：這項研究顯示，對於大型、輕型、剛性結構而言，有希望降低成本，提高性能。近期最有希望的應用是飛艇和天基結構的結構應用，比如天線。新機翼的設計是儘可能大，以適應美國宇航局在蘭利研究中心的高速風洞，在那裡表現甚至比預期的好一點。同樣的系統也可以用於製造其他結構，包括風力渦輪機的翼狀葉片，這種現場裝配的能力可以避免運輸越來越長的葉片問題。類似的組件正在開發中，用於建造空間結構，最終可能用於橋樑和其他高性能結構。

• 美工概念展示了集成翼體飛機，由一組專業機器人裝配的新構造方法使之成為可能，用橙色表示。圖片：Eli Gershenfeld, NASA Ames Research Center

博科園-科學科普｜研究/來自: 麻省理工學院/David L. Chandler

參考期刊文獻:《智能材料與結構》

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