Les ingénieurs du MIT et de la NASA conçoivent une aile d'avion en polymère léger

Une équipe d'ingénieurs du Ames Research Center de la NASA (Moutain View, Californie, États-Unis) et du Massachussetts Institute of Technology (MIT, Cambridge, Mass., États-Unis) ont construit et testé une aile d'avion assemblée à partir d'un treillis comprenant des centaines de minuscules morceaux de polymère. L'aile pourrait changer de forme pour contrôler le vol de l'avion.

La conception de l'aile a été testée dans une soufflerie de la NASA et est décrite 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; Kenneth Cheung, ingénieur de la NASA Ames et ancien élève du MIT; Benjamin Jenett, étudiant diplômé du MIT, et huit autres personnes.

Au lieu d'exiger des surfaces mobiles séparées telles que les 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'aile entière, ou des parties de celle-ci, en incorporant un mélange de matériaux rigides et flexibles. composants dans sa structure. Les minuscules sous-ensembles, qui sont boulonnés ensemble pour former un cadre en treillis ouvert et léger, sont ensuite recouverts d'une fine couche de matériau polymère similaire à celui du cadre.

Le résultat est une aile plus légère, et donc plus économe en énergie, que celles avec des conceptions conventionnelles, qu'elles soient en métal ou en composites, selon les chercheurs. Parce que la structure, composée de milliers de minuscules triangles d'entretoises en forme d'allumettes, est composée principalement d'espace vide, elle 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 qu'il existe un ensemble différent de paramètres d'aile optimaux pour chaque phase de vol, afin de fournir une meilleure approximation de la meilleure configuration pour chaque étape. Le système est conçu pour répondre automatiquement aux changements de ses conditions de charge aérodynamique en modifiant sa forme de manière spécifique.

Une aile de démonstration d'un mètre de long a été créée par Cheung et d'autres membres de l'équipe il y a quelques années. La nouvelle version, environ cinq fois plus longue, est de taille comparable à l'aile d'un véritable avion monoplace et est conçue pour être facilement réalisée par des robots d'assemblage autonomes. La conception et les tests du système d'assemblage robotique font l'objet d'un prochain article, déclare Jenett.

Les pièces individuelles de l'aile précédente ont été découpées à l'aide d'un système à jet d'eau, et il a fallu plusieurs minutes pour fabriquer chaque pièce, explique 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, dit-il, ce qui le rapproche beaucoup plus de l'évolutivité niveaux de production.

« Maintenant, nous avons une méthode de fabrication », dit-il. Bien qu'il y ait un investissement initial dans l'outillage, une fois cela fait, « les pièces sont bon marché », dit-il. « Nous en avons des boîtes et des boîtes, tout de même. »

Le réseau résultant, dit-il, 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'un millième de la densité", explique Jenett.

Étant donné que la configuration globale de l'aile ou d'une autre structure est constituée de minuscules sous-unités, la conception globale de la structure de l'aile pourrait être modifiée par rapport à sa forme traditionnelle, explique Jenett. Des études ont montré qu'une structure intégrée de carrosserie et d'aile pourrait être beaucoup plus efficace pour de nombreuses applications, dit-il, et avec ce système, celles-ci pourraient être facilement construites, testées, modifiées et retestées.

Le même système pourrait également être utilisé pour fabriquer d'autres structures, dit Jenett, y compris les pales en forme d'aile d'éoliennes, où la possibilité d'effectuer un assemblage sur site pourrait éviter les problèmes de transport de pales toujours plus longues. Des assemblages similaires sont en cours de développement pour construire des structures spatiales, et pourraient éventuellement être utilisés pour des ponts et autres structures à haute performance.

L'équipe comprenait des chercheurs de l'Université Cornell, de l'Université de Californie à Berkeley, de l'Université de Californie à Santa Cruz, du NASA Langley Research Center, de l'Université de technologie de Kaunas en Lituanie et de Qualified Technical Services Inc., à Moffett Field, Californie, États-Unis. Le travail a été soutenu par le programme de solutions aéronautiques convergentes ARMD de la NASA (projet MADCAT) et le MIT Center for Bits and Atoms.