Engenheiros do MIT e da NASA projetam asa de avião de polímero leve

Uma equipe de engenheiros do Ames Research Center da NASA (Moutain View, Califórnia, EUA) e do Massachussetts Institute of Technology (MIT, Cambridge, Mass., EUA) construíram e testaram uma asa de avião montada a partir de uma estrutura composta por centenas de minúsculos idênticos peças de polímero. A asa pode mudar de forma para controlar o vôo do avião.

O projeto da asa foi testado em um túnel de vento da NASA e é descrito em um artigo na revista Smart Materials and Structures , com coautoria do engenheiro pesquisador Nicholas Cramer da NASA Ames na Califórnia; Kenneth Cheung, engenheiro da NASA Ames e ex-aluno do MIT; Benjamin Jenett, estudante de pós-graduação do MIT, e outros oito.

Em vez de exigir superfícies móveis separadas, como ailerons para controlar o roll e pitch do avião, como as asas convencionais fazem, o novo sistema de montagem torna possível deformar toda a asa, ou partes dela, incorporando uma mistura de rigidez e flexibilidade componentes em sua estrutura. Os minúsculos subconjuntos, que são aparafusados ​​juntos para formar uma estrutura de rede leve e aberta, são então cobertos com uma fina camada de material polimérico semelhante à estrutura.

O resultado é uma asa mais leve e, portanto, mais eficiente em termos de energia do que aquelas com designs convencionais, sejam feitos de metal ou compostos, dizem os pesquisadores. Como a estrutura, composta por milhares de minúsculos triângulos de hastes semelhantes a palitos de fósforo, é composta principalmente de espaço vazio, ela 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 existe um conjunto diferente de parâmetros ótimos de asa para cada fase do vôo, para fornecer uma melhor aproximação da melhor configuração para cada estágio. O sistema foi projetado para responder automaticamente às mudanças em suas condições de carga aerodinâmica, mudando sua forma de maneiras específicas.

Uma ala demonstradora com um metro de comprimento foi criada por Cheung e outros membros da equipe há alguns anos. A nova versão, cerca de cinco vezes mais longa, é comparável em tamanho à asa de um avião monolugar real e foi projetada para ser facilmente executada por robôs de montagem autônomos. O design e os testes do sistema de montagem robótica são o assunto de um artigo a ser publicado, diz Jenett.

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

“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, todos iguais.”

A rede resultante, diz ele, tem uma densidade de 5,6 quilogramas por metro cúbico. A título de comparação, a borracha tem uma densidade de cerca de 1.500 quilogramas por metro cúbico. “Eles têm a mesma rigidez, mas os nossos têm menos de cerca de um milésimo da densidade”, diz Jenett.

Como a configuração geral da asa ou outra estrutura é construída a partir de pequenas subunidades, o design geral da estrutura da asa pode ser alterado de sua forma tradicional, diz Jenett. Estudos mostraram que um corpo integrado e uma estrutura de asa poderiam ser muito mais eficientes para muitas aplicações, diz ele, e com este sistema eles poderiam ser facilmente construídos, testados, modificados e retestados.

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

A equipe incluiu pesquisadores da Cornell University, da University of California at Berkeley, da University of California em Santa Cruz, do NASA Langley Research Center, da Kaunas University of Technology na Lituânia e da Qualified Technical Services Inc., em Moffett Field, Califórnia, EUA O trabalho foi apoiado pelo Programa de Soluções Aeronáuticas Convergentes ARMD da NASA (Projeto MADCAT) e pelo Centro de Bits e Átomos do MIT.