Uma equipe de engenheiros construiu e testou um tipo radicalmente novo de asa de avião, montada a partir de centenas de minúsculas peças idênticas. A asa pode mudar de forma para controlar o voo do avião e pode fornecer um impulso significativo na produção de aeronaves, voo e eficiência de manutenção, dizem os pesquisadores.
A nova abordagem para a construção de asas pode proporcionar maior flexibilidade no projeto e fabricação de futuras aeronaves. O novo projeto de asa foi testado em um túnel de vento da NASA e é descrito hoje em um artigo na revista Smart Materials and Structures, co-autoria do engenheiro de pesquisa Nicholas Cramer da NASA Ames na Califórnia; ex-aluno do MIT Kenneth Cheung SM ’07 PhD ’12, agora na NASA Ames; Benjamin Jenett, aluno de pós-graduação do Center for Bits and Atoms do MIT; e outros oito.
Em vez de exigir superfícies móveis separadas, como ailerons, para controlar o rolamento e a inclinação do avião, como fazem as asas convencionais, o novo sistema de montagem permite deformar toda a asa, ou partes dela, incorporando uma mistura de componentes rígidos e flexíveis componentes em sua estrutura. Os minúsculos subconjuntos, que são aparafusados para formar uma estrutura de treliça aberta e leve, são então cobertos com uma fina camada de material polimérico semelhante à estrutura.
O resultado é uma asa muito mais leve e, portanto, muito mais eficiente em termos de energia do que aquelas com designs convencionais, sejam feitas de metal ou compósitos, dizem os pesquisadores. Como a estrutura, composta por milhares de minúsculos triângulos de suportes semelhantes a palitos de fósforo, é composta principalmente de espaço vazio, ela forma um “metamaterial” mecânico que combina a rigidez estrutural de um polímero semelhante à borracha e a extrema leveza e baixa densidade de um aerogel.
Jenett explica que para cada uma das fases de um voo – decolagem e pouso, cruzeiro, manobras e assim por diante – cada uma tem seu próprio conjunto diferente de parâmetros ideais de asa, portanto, uma asa convencional é necessariamente um compromisso que não é otimizado para nenhum dos estes e, portanto, sacrifica a eficiência. Uma asa constantemente deformável poderia fornecer uma aproximação muito melhor da melhor configuração para cada estágio.
Embora seja possível incluir motores e cabos para produzir as forças necessárias para deformar as asas, a equipe deu um passo adiante e projetou um sistema que responde automaticamente a mudanças em suas condições de carga aerodinâmica, mudando sua forma – uma espécie de auto-ajustável, processo passivo de reconfiguração de asa.
“Conseguimos ganhar eficiência combinando a forma com as cargas em diferentes ângulos de ataque”, diz Cramer, principal autor do artigo. “Somos capazes de produzir exatamente o mesmo comportamento que você faria ativamente, mas o fizemos passivamente.”
Tudo isso é realizado pelo projeto cuidadoso das posições relativas dos suportes com diferentes níveis de flexibilidade ou rigidez, projetados de forma que a asa, ou seções dela, dobre de maneiras específicas em resposta a tipos específicos de tensões.
Cheung e outros demonstraram o princípio subjacente básico há alguns anos, produzindo uma asa de cerca de um metro de comprimento, comparável ao tamanho de um típico modelo de aeronave de controle remoto. A nova versão, cerca de cinco vezes mais longa, é comparável em tamanho à asa de um avião monolugar real e pode ser fácil de fabricar.
Embora esta versão tenha sido montada à mão por uma equipe de estudantes de pós-graduação, o processo repetitivo foi projetado para ser facilmente realizado por um enxame de pequenos e simples robôs autônomos de montagem. O projeto e o teste do sistema de montagem robótica são o assunto de um próximo artigo, diz Jenett.
As peças individuais da asa anterior foram cortadas usando um sistema de jato de água e levou vários minutos para fazer cada peça, diz Jenett. O novo sistema usa moldagem por injeção com resina de polietileno em um complexo molde 3-D e produz cada peça – essencialmente um cubo oco feito de suportes do tamanho de palitos de fósforo ao longo de cada borda – em apenas 17 segundos, diz ele, o que traz um longo muito mais perto de níveis de produção escaláveis.
“Agora temos um método de fabricação”, diz ele. Embora haja um investimento inicial em ferramentas, uma vez feito isso, “as peças são baratas”, diz ele. “Temos caixas e caixas deles, todos iguais.”
A rede resultante, diz ele, tem uma densidade de 5,6 quilogramas por metro cúbico (0,35 lb/ft3). A título de comparação, a borracha tem uma densidade de cerca de 1.500 quilos por metro cúbico (93,6 lb/ft3). “Eles têm a mesma rigidez, mas o nosso tem menos de um milésimo da densidade”, diz Jenett.
Como a configuração geral da asa ou outra estrutura é construída a partir de pequenas subunidades, realmente não importa qual seja a forma. “Você pode fazer qualquer geometria que quiser”, diz ele. “O fato de a maioria das aeronaves ter o mesmo formato” – essencialmente um tubo com asas – “é por causa do custo. Nem sempre é a forma mais eficiente.” Mas investimentos maciços em projetos, ferramentas e processos de produção facilitam a manutenção de configurações estabelecidas há muito tempo.
Estudos mostraram que uma estrutura integrada de corpo e asa poderia ser muito mais eficiente para muitas aplicações, diz ele, e com este sistema elas poderiam ser facilmente construídas, testadas, modificadas e retestadas.
“A pesquisa promete reduzir custos e aumentar o desempenho de estruturas grandes, leves e rígidas”, diz Daniel Campbell, pesquisador de estruturas da Aurora Flight Sciences, uma empresa da Boeing, que não participou desta pesquisa. “Aplicações de curto prazo mais promissoras são aplicações estruturais para dirigíveis e estruturas baseadas no espaço, como antenas.”
A nova asa foi projetada para ser tão grande quanto poderia ser acomodada no túnel de vento de alta velocidade da NASA no Langley Research Center, onde teve um desempenho um pouco melhor do que o previsto, diz Jenett.
O mesmo sistema também pode ser usado para fazer outras estruturas, diz Jenett, incluindo as pás em forma de asas de turbinas eólicas, onde a capacidade de fazer a montagem no local pode evitar os problemas de transportar pás cada vez mais longas. Conjuntos semelhantes estão sendo desenvolvidos para construir estruturas espaciais e podem eventualmente ser úteis para pontes e outras estruturas de alto desempenho.
A equipe incluiu pesquisadores da Cornell University, da University of California em Berkeley em Santa Cruz, do NASA Langley Research Center, da Kaunas University of Technology na Lituânia e da Qualified Technical Services, Inc., em Moffett Field, Califórnia. O trabalho foi apoiado pelo Programa de Soluções Aeronáuticas Convergentes ARMD da NASA (Projeto MADCAT) e pelo Centro de Bits e Átomos do MIT.
Publicado em 14/12/2022 20h50
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