一組工程師已經(jīng)制造并測試了一種全新機(jī)翼，由數(shù)百個(gè)微小的相同部件組裝而成。研究人員說，機(jī)翼可以改變形狀來控制飛機(jī)的飛行，可以顯著提高飛機(jī)的生產(chǎn)、飛行和維護(hù)效率。機(jī)翼構(gòu)造的新方法可以為未來飛機(jī)的設(shè)計(jì)和制造提供更大靈活性。

新機(jī)翼設(shè)計(jì)在NASA的風(fēng)洞中進(jìn)行了測試，并于2019年4月發(fā)表在《智能材料與結(jié)構(gòu)》上，該論文由加州NASA艾姆斯實(shí)驗(yàn)室的研究工程師尼古拉斯·克萊默合著，和麻省理工學(xué)院校友Kenneth張SM '07博士；本杰明·杰耐特麻省理工學(xué)院位與原子中心的研究生8人。

博科園-科學(xué)科普：與傳統(tǒng)機(jī)翼不同，這種新型裝配系統(tǒng)不需要像副翼那樣單獨(dú)的活動表面來控制飛機(jī)的橫搖和俯仰，而是通過在結(jié)構(gòu)中加入剛性和柔性部件，使整個(gè)機(jī)翼或部分機(jī)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(gè)開放的、輕量級的晶格框架，然后覆蓋一層類似框架的聚合物材料。研究人員說，結(jié)果是機(jī)翼比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的機(jī)翼要輕得多，因此也更節(jié)能，無論是用金屬還是復(fù)合材料制成。由于該結(jié)構(gòu)由成千上萬個(gè)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(jī)械“超材料”。

結(jié)合了橡膠類聚合物的結(jié)構(gòu)剛度和氣凝膠的極度輕盈和低密度。杰耐特解釋說：對于飛行的每一個(gè)階段（起飛和降落、巡航、機(jī)動等等）每一個(gè)階段都有自己、不同的最優(yōu)機(jī)翼參數(shù)集，因此傳統(tǒng)機(jī)翼必然是一種妥協(xié)，沒有對這些參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，因此犧牲了效率。一個(gè)不斷變形的機(jī)翼可以為每個(gè)階段提供一個(gè)更好的最佳配置近似。雖然有可能包括發(fā)動機(jī)和電纜來產(chǎn)生使機(jī)翼變形所需的力量，但該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)更進(jìn)一步，設(shè)計(jì)了一個(gè)系統(tǒng)，通過改變機(jī)翼形狀(一種自我調(diào)節(jié)的被動機(jī)翼重新配置過程)來自動響應(yīng)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(chǎn)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(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)使機(jī)翼或其截面在特定應(yīng)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，制造了一個(gè)大約一米長的機(jī)翼，大小與典型的遙控模型飛機(jī)相當(dāng)。新版本機(jī)翼長度約為單座飛機(jī)的5倍，與真正的單座飛機(jī)機(jī)翼大小相當(dāng)，制造起來也很容易。

雖然這個(gè)版本是由一組研究生手工組裝，但重復(fù)過程被設(shè)計(jì)成由一群小型、簡單的自主組裝機(jī)器人輕松完成。Jenett說，機(jī)器人裝配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和測試是即將發(fā)表的論文主題。杰耐特說，前一個(gè)機(jī)翼的各個(gè)部件都是用水射流系統(tǒng)切割，每一個(gè)部件都需要幾分鐘的時(shí)間。新系統(tǒng)使用聚乙烯樹脂在一個(gè)復(fù)雜3d模具中注塑成型，每一個(gè)部件(本質(zhì)上是一個(gè)由火柴棍大小的支柱沿每個(gè)邊組成的空心立方體)只需17秒，這使其距離可擴(kuò)展的生產(chǎn)水平又近了一大步?，F(xiàn)在有了一種制造方法，盡管在模具方面有前期投資，但一旦完成，“零件就很便宜了。

由此產(chǎn)生的晶格密度為5.6千克每立方米。杰耐特說：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?yàn)闄C(jī)翼或其他結(jié)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)是由微小亞單元構(gòu)成，所以形狀并不重要?？梢宰龀鋈魏文阆胍膸缀螆D形，事實(shí)上，大多數(shù)飛機(jī)的形狀都是一樣的（本質(zhì)上是一個(gè)帶機(jī)翼的管子），它并不總是最有效的形狀。但是，在設(shè)計(jì)、工具和生產(chǎn)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(gè)集成的機(jī)身和機(jī)翼結(jié)構(gòu)可以在許多應(yīng)用中更有效，而且有了這個(gè)系統(tǒng)，可以很容易地構(gòu)建、測試、修改和重新測試。

波音公司Aurora Flight Sciences的結(jié)構(gòu)研究員丹尼爾?坎貝爾(Daniel Campbell)表示：這項(xiàng)研究顯示，對于大型、輕型、剛性結(jié)構(gòu)而言，有希望降低成本，提高性能。近期最有希望的應(yīng)用是飛艇和天基結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)應(yīng)用，比如天線。新機(jī)翼的設(shè)計(jì)是盡可能大，以適應(yīng)美國宇航局在蘭利研究中心的高速風(fēng)洞，在那里表現(xiàn)甚至比預(yù)期的好一點(diǎn)。同樣的系統(tǒng)也可以用于制造其他結(jié)構(gòu)，包括風(fēng)力渦輪機(jī)的翼狀葉片，這種現(xiàn)場裝配的能力可以避免運(yùn)輸越來越長的葉片問題。類似的組件正在開發(fā)中，用于建造空間結(jié)構(gòu)，最終可能用于橋梁和其他高性能結(jié)構(gòu)。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來自:?麻省理工學(xué)院/David L. Chandler

參考期刊文獻(xiàn):《智能材料與結(jié)構(gòu)》

博科園-傳遞宇宙科學(xué)之美