هواپیماها با بال های جدید اوج می گیرند

تیمی از مهندسان ناسا و دانشگاه ام.آی.تی نوع جدیدی از بال هواپیما را طراحی کرده و مورد آزمون قرار داده اند که از صدها قطعه کوچک مشابه ساخته شده است. این بال قابلیت تغییر شکل برای کنترل پرواز هواپیما را داشته و به باور محققان می تواند پیشرفت مهمی در تولید هواپیما، پرواز و کارایی تعمیر و نگهداری هواپیما به وجود آورد. در حقیقت این رویکرد جدید به ساخت بال هواپیما می تواند موجب انعطاف پذیری بیشتر در طراحی و ساخت هواپیماهای آینده شود. گفتنی است که بال جدید در یک تونل بادی متعلق به ناسا مورد آزمایش قرار گرفته و در تاریخ اول آوریل امسال در مجله اسمارت متریالز اند استراکچرز(Smart Materials and Structures) به آن پرداخته شده است. قاصدک ۲۴ شما را بیشتر با جزئیات این دستاورد مهم در صنعت هوانوردی آشنا می کند.

با طراحی بال های جدید آشنا شوید

در توصیف بال های جدید باید گفت که سیستم مونتاژ، به آن امکان می دهد که از طریق گرد آوردن ترکیبی از اجزای انعطاف پذیر و غیر انعطاف پذیر در ساختار آن، شکل کلی بال یا بخش هایی از آن را دگرگون کند. این درست بر خلاف بال های فعلی است که نیاز به سطوح جداگانه قابل حرکت مانند ایلِرون( قسمت متحرک بال هواپیما) برای کنترل چرخش و اوج گرفتن هواپیما دارند. قطعات کوچکی که برای تشکیل یک چهارچوب مشبک سبک و باز در کنار هم قرار می گیرند، سپس با لایه نازکی از مواد پلیمری که در چهارچوب نیز به کار رفته، پوشیده می شوند.

بال های جدید هواپیما

در نتیجه بالی شکل خواهد گرفت که سبک تر بوده و در مقایسه با بال های فعلی که از آهن یا کامپوزیت ساخته شده اند، انرژی بیشتری را ذخیره خواهد کرد. از آنجایی که این سازه که شامل مثلث های کوچکی از ابزارهای فلزی تسمه مانند است، عمدتا از فضای خالی ساخته شده؛ فوق مواد(metamaterial) مکانیکی را به وجود می آورد که سفتی یک پلیمر لاستیک مانند را با سبکی و تراکم پایین آئروژل(یک ماده مصنوعی فوق سبک) در می آمیزد.

یکی از مهندسین پروژه می گوید که هر کدام از این سازه ها برای مراحل مختلف پرواز از برخاستن تا فرود آمدن مجموعه متفاوتی از پارامترهای بهینه مربوط به بال دارند. بنابراین یک بال معمولی لزوما برای هیچ کدام از اینها طراحی نشده و بنابراین باعث از بین رفتن بهره وری می شود. در مقابل، بالی که قابلیت تغییر شکل دارد؛ می تواند متناسب با ماهیت هر مرحله، به شکل مناسب درآید.

بال جدید هواپیما

هر چند که مهندسان می توانستند برای ایجاد نیروی لازم جهت تغییر شکل بال ها از کابل و موتور استفاده کنند، اما تیم در عوض یک گام فراتر رفته و سیستمی را طراحی کرده که به طور خودکار و از طریق تغییر شکل خودکار، به هرگونه تغییر در شرایط آیرودینامیکی واکنش نشان می دهد. این مکانیزم در حقیقت نوعی فرایند خود تنظیم و خودکار برای تغییر شکل بال به شمار می رود.

یکی دیگر از اعضای تیم مهندسی می گوید:” اکنون ما قادر هستیم تا از طریق تطبیق دادن شکل با بارهای الکتریکی در زوایای مختلف، به راندمان بیشتری دست پیدا کنیم. در حقیقت می توانیم دقیقا همان حرکتی را که می خواهیم، به صورت فعال به وجود آوریم؛ حرکتی که پیشتر آن را به صورت منفعلانه انجام می دادیم. می توان گفت که تمام این دستاوردها با طراحی دقیق موقعیت های تقریبی ابزارهای فلزی تسمه مانند  با درجات مختلف انعطاف پذیری یا سختی حاصل شده است تا بال یا قسمت هایی از آن بتوانند در واکنش به شکل های مختلف فشار، به شیوه های مختلف خم شوند”.

بال های جدید در ناسا

گفتنی است که تیم مهندسان، تنها چند سال پیش از طرح اولیه رونمایی کرده و بالی به طول ۱ متر ساختند که هم اندازه هواپیماهای مدل معمولی کنترل از راه دور است. با این حال ورژن جدید پنج برابر بلندتر و هم اندازه بال یک هواپیمای تک سرنشین واقعی بوده و تولید آن نیز کار راحتی خواهد بود. اگرچه این نمونه نیز توسط تیمی از دانشجویان فارغ التحصیل به صورت دستی مونتاژ شده، این فرایند طوری طراحی شده که توسط یک روبات کوچک و ساده مونتاژ کننده قابل انجام باشد.

یکی از اعضای تیم اضافه می کند که هر تکه از بال قبلی با استفاده از یک دستگاه برش از هم جدا شده و برای ساختن هر بخش نیز تنها چند دقیقه زمان صرف شده است. سیستم جدید از قالب گیری تزریقی به همراه رِزین پلیتیلِن(نوعی ماده شیمیایی) در یک قالب سه بعدی مرکب برای تولید هر بخش استفاده می کند. آنچه حاصل می شود چیزی در حدود ۵٫۶ کیلوگرم در متر مکعب چگالی دارد، در مقایسه با لاستیک که در حدود ۱۵۰۰ کیلوگرم در متر مکعب چگالی دارد. به عبارت دیگر مواد ساخت ما چیزی کمتر از یک هزارم مواد معمول چگالی دارند.

بال های جدید پهپادهای ناسا

از آنجایی که شکل کلی بال یا سازه های دیگر از زیرمجموعه های بسیار کوچکی تشکیل شده، شکل در اینجا اهمیتی ندارد. می توانید هر شکل هندسی می خواهید، درست کنید. در حقیقت اینکه بیشتر هواپیماها یک شکل هستند، تنها به دلیل موضوع هزینه است. هر چند که این شکل همیشه هم بهینه ترین نیست، اما سرمایه گذاری های هنگفت در پروسه طراحی، تجهیز و تولید، وفادار بودن به این نوع از شکل بندی را آسان تر می کند. مطالعات نشان داده اند که بدنه یکپارچه و ساختار بال می تواند برای کاربردهای زیادی، کارایی بیشتر به همراه داشته باشد. یکی از محققان که در پروژه فوق مشارکت نداشته معتقد است که تحقیقات انجام شده نوید کاهش هزینه و بهبود عملکرد برای سازه های سبک، سخت و بزرگ را هم می دهند. از جمله آنها می توان به کاربردهای ساختاری برای هواپیماها و سازه های مبتنی بر فضا مانند آنتن ها اشاره کرد.

سازه های موجود در بال های جدید

علاوه بر این اندازه بال جدید به گونه ای است که بتواند در تونل بادی پرسرعت در مرکز تحقیقات ناسا در لانگلی  قرار بگیرد؛ جایی که این اختراع عملکرد بهتری را هم از خود به نمایش گذاشت. در پایان باید اضافه کرد که این سیستم حتی در ساختن سازه های دیگری چون پره هایی به شکل بال در توربین های بادی نیز قابل استفاده است؛ به این صورت که قابلیت سرهم بندی سریع می تواند مشکلات ناشی از جابجایی پره های بلندتر را از بین ببرد. مونتاژهای مشابهی نیز در حال طراحی برای ساخت سازه های فضایی بوده و در نهایت می توانند در سازه های دیگری چون پل ها نیز مورد استفاده قرار گیرند.

منبع: phys.org