Verformbare Tragflächen machen das Fliegen effizienter

Bestehend aus winzigen, identischen Bauteilen könnte das von MIT und NASA vorgestellte neue Tragflächendesign leichtere und energieeffizientere Flugzeuge ermöglichen. Es passt sich automatisch den Flugphasen an. 

Die Konstrukteure haben eine völlig neue Tragfläche entwickelt, die sich aus hunderten winzigen identischen Teilen zusammensetzt. Diese kann ihre Form verändern, um den Flug zu steuern. Die Forscher erhoffen sich von diesem ungewöhnlichen Design Auftrieb für die Flugzeugfertigung und effizientere Instandhaltung.

Das Konzept der Tragflächenkonstruktion könnte Design und Fertigung zukünftiger Flugzeuge flexibler machen. Der Entwurf wurde in einem Windkanal der NASA getestet. Eine detaillierte Beschreibung findet sich im Journal Smart Materials and Structures.

Optimale Einstellung für jede Flugphase

Anstelle separater beweglicher Oberflächen wie des Querruders für Roll- und Nickbewegungen, die an althergebrachten Tragflächen zu finden sind, macht es der neue Aufbau möglich, den kompletten Flügel oder Teile davon zu verformen. Dafür kommt eine Mischung von steifen und flexiblen Bauteilen zum Einsatz. Die sehr kleinen Bauteile, die zu einem offenen, leichten Gitterrahmen verschraubt sind, bedeckt eine dünne Schicht eines Polymers ähnlich dem Werkstoff für den Rahmen.

Diese Bauweise resultiert in einem wesentlich leichteren und somit energie-effizienteren Tragflügel, als mit einem herkömmlichen Design – sei es mit Metall oder Verbundstoffen -- zu erreichen wäre. Die Struktur, bestehend aus tausenden kleinen Dreiecken geformt von streichholzartigen Streben, enthält viel leeren Raum. Sie bildet ein mechanisches Metamaterial, dass die Festigkeit eine gummi-artigen Polymers und die extreme Leichtigkeit und geringe Dichte eines Aerogels in sich vereint.

Für jede Flugphase, so Benjamin Jenett, Graduate Student am MIT Center for Bits and Atoms und einer der Autoren der Studie, Start, Landung, diverse Flugmanöver, gebe es andere optimale Tragflächenparameter. Eine konventionelle Tragfläche stelle daher notwendigerweise einen Kompromiss dar, der für keine Flugphase wirklich optimal sei und damit Effizienz vergeude. Ein Flügel jedoch, der sich ständig verformen könne, liefere möglicherweise eine viel bessere Annäherung an die jeweils ideale Konfiguration für jede Phase.

Passive Konfiguration ohne Motor und Kabel

Nun wäre es möglich, die für die Verformung notwendigen Kräfte mit Motoren und Leitungen zu erzeugen und zu übertragen. Doch die Konstrukteure haben einen Schritt weitergedacht und ein System entwickelt, dass automatisch auf unterschiedliche aerodynamische Lasten reagiert, indem es seine Form ändert – eine sich selbst organisierende, passive Konfiguration der Tragfläche.

Der Hauptautor des Papers, Nicholas Cramer, erklärt: „Wir konnten Effizienz gewinnen, indem wir die Form den Belastungen bei unterschiedlichen Angriffswinkeln angepasst haben. Wir waren in der Lage, das Verhalten eines aktiven Systems mit unserer passiven Lösung exakt zu reproduzieren.“

Erreicht wird das durch ein ausgefeiltes Konzept der Position der Streben mit unterschiedlicher Flexibilität oder Festigkeit im Verhältnis zueinander. So kann sich der Flügel oder Teile davon auf Belastungen reagieren, indem er sich dementsprechend verbiegt.

Schon vor einigen Jahren wurde das zugrundeliegende Prinzip an einer etwa ein Meter langen Tragfläche demonstriert, wie sie für ein ferngesteuertes Modellflugzeug typisch ist. Die neue Version, rund fünf Meter lang, lässt sich mit der Tragfläche eines Einsitzers vergleichen und könnte einfach zu fertigen sein. Diese Version entstand noch manuell, doch der repetitive Fertigungsprozess ist prädestiniert für einen Schwarm einfacher, autonomer Roboter. Ein solches Konzept zu entwickeln und zu testen wird Thema einer weiteren Studie sein.

Kostengünstige, skalierbare Fertigung

Das neue System setzt in der Fertigung auf Spritzguss mit Polyethylen in einer komplexen 3D-Form. Jedes Teil, im Grunde genommen ein leerer Würfel mit streichholzgroßen Streben entlang der Kanten, entsteht in nur 17 Sekunden. Zwar müsse man einmal in Werkzeuge investieren, dann seien die Bauteile jedoch kostengünstig, sagt Jenett. Das resultierende Gitter habe eine Dichte von 5,6 Kilo pro m³. Gummi komme auf 1‘500 Kilo pro m³, und dabei haben beide Werkstoffe dieselbe Festigkeit. Die winzigen Bauteile lassen sich in jeder beliebigen Geometrie anordnen.

Die Lösung lasse sich auch auf andere Strukturen übertragen, ist Jenett überzeugt, etwa die Rotorblätter von Windkraftanlagen, wo die Möglichkeit der Vorort-Fertigung den Transport der immer längeren Blätter erübrigen könnte. Ähnliche Aufbauten könnten sich auch für Brücken oder andere anspruchsvolle Baustrukturen als nützlich erweisen.

Beteiligt an der Arbeit waren Forscher an der Cornell University, der University of California in Berkeley, der University of California in Santa Cruz, dem NASA Langley Research Center, der Kaunas University of Technology in Litauen und Qualified Technical Services, Inc., in Moffett Field, Kalifornien. Die Arbeit wurde unterstützt vom NASA ARMD Convergent Aeronautics Solutions Program (MADCAT Project) und dem MIT Center for Bits and Atoms.

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