Des ingénieurs de la NASA et du MIT développent une aile polymère morphing pour des avions plus légers et efficaces

Une équipe d'ingénieurs du centre de recherche Ames de la NASA (Mountain View, Californie, États-Unis) et du Massachusetts Institute of Technology (MIT, Cambridge, Massachusetts, États-Unis) a construit et testé une aile d'avion assemblée à partir d'un treillis composé de centaines de minuscules pièces polymères identiques. Cette aile peut, selon les rapports, changer de forme pour contrôler le vol de l'avion.

Un design testé en soufflerie

Le design de l'aile a été testé dans une soufflerie de la NASA et est décrit dans un article publié dans la revue Smart Materials and Structures, co-écrit par l'ingénieur de recherche Nicholas Cramer au NASA Ames en Californie ; l'ingénieur du NASA Ames et ancien élève du MIT Kenneth Cheung ; l'étudiant diplômé du MIT Benjamin Jenett et huit autres chercheurs.

Une structure sans surfaces mobiles traditionnelles

Au lieu de nécessiter des surfaces mobiles séparées comme des 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 composants rigides et flexibles dans sa structure. Les minuscules sous-ensembles, qui sont boulonnés ensemble pour former une structure en treillis ouverte et légère, sont ensuite recouverts d'une fine couche de matériau polymère similaire à celle de la structure.

Une aile plus légère et plus économe en énergie

Le résultat est une aile plus légère, et donc plus économe en énergie, que celles aux designs conventionnels, qu'elles soient en métal ou en composites, affirment les chercheurs. Comme la structure, composée de milliers de minuscules triangles de longerons de la taille d'allumettes, est constituée principalement d'espace vide, elle forme un « méta-matériau » mécanique qui combine la rigidité structurelle d'un polymère caoutchouteux et l'extrême légèreté et faible densité d'un aérogel.

Adaptation automatique aux conditions de vol

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 dans ses conditions de charge aérodynamique en modifiant sa forme de manière spécifique.

De la démonstration à l'échelle réelle

Une aile démonstratrice d'un mètre de long avait 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 comparable en taille à l'aile d'un véritable avion monoplace et est conçue pour être facilement assemblée par des robots d'assemblage autonomes. La conception et le test du système d'assemblage robotique font l'objet d'un article à venir, selon Jenett.

Fabrication par injection : un bond vers la production à grande échelle

Les pièces individuelles de l'aile précédente étaient découpées au jet d'eau, et il fallait plusieurs minutes pour fabriquer chaque pièce, explique Jenett. Le nouveau système utilise le moulage par injection avec une résine de polyéthylène dans un moule 3D complexe, et produit chaque pièce — essentiellement un cube creux composé de longerons de la taille d'allumettes le long de chaque arête — en seulement 17 secondes, ce qui le rapproche beaucoup des niveaux de production évolutifs.

« Maintenant, nous avons une méthode de fabrication », dit-il. Bien qu'il y ait un investissement initial dans l'outillage, une fois celui-ci réalisé, « les pièces sont bon marché », dit-il. « Nous avons des boîtes et des boîtes d'entre elles, toutes identiques. »

Une densité record

Le treillis résultant, dit-il, a une densité de 5,6 kilogrammes par mètre cube. Par 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'environ un millième de la densité », déclare Jenett.

Vers de nouvelles architectures d'avions

Parce que la configuration globale de l'aile ou d'une autre structure est construite à partir de minuscules sous-unités, le design global de la structure d'aile pourrait être modifié par rapport à sa forme traditionnelle, explique Jenett. Des études ont montré qu'une structure intégrée corps-aile pourrait être bien plus efficace pour de nombreuses applications, et avec ce système, celles-ci pourraient être facilement construites, testées, modifiées et retestées.

Applications au-delà de l'aéronautique

Le même système pourrait être utilisé pour fabriquer d'autres structures, dit Jenett, y compris les pales d'éoliennes de type aile, où la capacité d'assemblage sur site pourrait éviter les problèmes de transport de pales de plus en plus longues. Des assemblages similaires sont en développement pour construire des structures spatiales, et pourraient éventuellement être utilisés pour des ponts et d'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 centre de recherche Langley de la NASA, 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 NASA ARMD Convergent Aeronautics Solutions (projet MADCAT) et le Center for Bits and Atoms du MIT.