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El nuevo ala de avión súper eficiente de la NASA viene con un giro

Alerones, timones, aletas de ala, todas esas cosas que mantienen un avión en línea recta, o le permiten trazar un nuevo rumbo, solo fueron una aproximación. Normalmente, estas piezas se unen a la parte posterior del ala y la cola, y cuando se mueven hacia arriba o hacia abajo, crean resistencia y hacen que el avión cambie de dirección o altitud.

Un ala continua y flexible construida por la NASA y sus colaboradores en el MIT, la Universidad de California, Santa Cruz y varias otras universidades podría lograr el mismo resultado de manera más eficiente, reduciendo tanto el consumo de combustible como el costo de construir los aviones.

"Uno de los puntos principales es que podemos obtener este tipo de rendimiento a un costo extremadamente bajo", dice Kenneth Cheung, un científico de la NASA que es co-líder en el proyecto. "Y existe esta promesa de escalabilidad por el hecho de que podemos usar bloques de construcción relativamente pequeños".

El ala, descrita en la revista Soft Robotics , está compuesta de pequeñas piezas de fibra de carbono que se cruzan para formar una red flexible y liviana que todavía es rígida en todas las direcciones correctas.

El arrastre en un ala tradicional induce una especie de corriente de aire de remolino alrededor del ala (más de lo que se necesita para levantar solo) y ese aire vibra con los llamados modos de aleteo, cuya forma, tamaño y frecuencia dependen de la velocidad de la nave. Un ala rígida y pesada como la de aluminio en un 747 es lo suficientemente fuerte como para soportar esa vibración y no cortarse, incluso a altas velocidades. Este es un modelo que los aviones han alcanzado en base a décadas que buscan un vuelo más rápido, dice Cheung.

El resultado es que todo alrededor de un avión en vuelo son formas móviles hechas de aire. Cheung los llama el flujo libre, y su objetivo es hacer coincidir la forma del avión, en cualquier momento, con el flujo. Un giro en el ala puede hacer que el avión cambie de forma sin problemas, un poco como un surfista que atrapa una ola.

MIT-BendingWings-3-Press.jpg El principio básico detrás del nuevo concepto es el uso de una serie de piezas estructurales pequeñas y livianas que se pueden ensamblar en una variedad prácticamente infinita de formas. (Kenneth Cheung / NASA)

"Los alerones rígidos son solo una aproximación aproximada de lo que realmente es la condición que estás tratando de lograr", dice. "Por lo tanto, las ganancias de eficiencia que obtienes al igualar la condición aerodinámica pueden ser realmente significativas".

No es nuevo construir un ala que pueda cambiar de forma. De hecho, los hermanos Wright lo hicieron: su avión estaba basado en madera flexible y alas de lona. Más recientemente, Airbus ha experimentado con alas flexibles impresas en 3D, y una compañía llamada FlexSys publicó este mes un video de un alerón más tradicional que se flexiona en lugar de diapositivas.

"Es una mejora de eficiencia bastante importante en un avión", dice David Hornick, presidente y director de operaciones de FlexSys. “En realidad, estás manteniendo una verdadera forma de superficie aerodinámica cuando estás haciendo este enfoque de transformación. La forma de la superficie aerodinámica sigue ahí, está reduciendo la cantidad de resistencia que se crearía al colocar una superficie de control con bisagras ”.

"El ala completamente flexible será un poco desafiante" porque es menos similar a las formas de ala tradicionales, dice Hornick. "Pero, sinceramente, lo que están haciendo es bastante notable".

Otros investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft y de Texas A&M también han diseñado y construido alas de transformación, pero lo que tiene de especial el ala de la NASA está en su interior. La fibra de carbono es ligera, moldeable y rígida. Pero es frágil y propenso a romperse cuando se tensa en la dirección equivocada. Cheung y su equipo desarrollaron una pequeña unidad de enclavamiento que se puede unir para formar una red tridimensional de fibra de carbono. Individualmente, son rígidos, pero el conjunto es flexible. También es extremadamente ligero.

"Si tomas esta estrategia de bloques de construcción para construir estas redes tridimensionales a partir de piezas de fibra de carbono, obtienes algo que puedes tratar como un material continuo", dice Cheung. “Obtienes un rendimiento increíblemente bueno. De hecho, mostramos la rigidez específica más alta jamás vista para un material ultraligero ".

Una vez que se construyó la celosía, el equipo pasó una varilla desde el fuselaje hasta la punta del ala, que, cuando un motor gira en el cuerpo del avión, gira la punta y el resto del ala la sigue. Todo está revestido en una poliimida llamada Kapton, un material cobrizo similar a una cinta que se usa en placas de circuitos flexibles.

MIT-BendingWings-1-Press.jpg Una arquitectura de ala recientemente desarrollada podría simplificar enormemente el proceso de fabricación y reducir el consumo de combustible al mejorar la aerodinámica del ala. Se basa en un sistema de subunidades pequeñas y livianas que podrían ser ensambladas por un equipo de pequeños robots especializados y, en última instancia, podrían usarse para construir la célula completa. (Kenneth Cheung / NASA)

Un beneficio adicional es la modularidad de los componentes; Casi todo el ala estaba ensamblada a partir de piezas idénticas, lo que significa que una aerolínea que quería usarlas también podría ahorrar mucho en el proceso de fabricación. También podrían reemplazarse individualmente, lo que significa reparaciones más baratas, o reconfigurarse en nuevas formas para otros aviones.

"Lo que han hecho es utilizar estas estructuras ligeras y rígidas de una manera que hace que toda la estructura sea deformable", dice Haydn Wadley, profesor de ciencia e ingeniería de materiales que trabaja en celosías de formas deformables pero fuertes. aleaciones de memoria en la Universidad de Virginia. "Este es el tipo de cosas, podrías imaginar una turbina eólica que cambia la forma de una superficie aerodinámica para determinar la cantidad de energía que absorbe del viento".

El equipo de investigación ya ha montado el ala en un avión de control remoto, y los futuros vuelos de prueba contarán con aviones más grandes, de hasta tres metros de envergadura, con sensores montados en ellos para monitorear el ala y qué tan bien coincide con la corriente de aire a su alrededor. . Finalmente, la tecnología podría aparecer en aviones tripulados o incluso en aviones comerciales. Pero incluso el cielo podría no ser el límite.

“Esperamos también posibles aplicaciones espaciales. Obviamente, si vas a construir una nave espacial o un hábitat en el espacio, no tienes una fábrica allí para construirlo ”, dice Cheung. "Sabemos que tenemos todas estas aplicaciones en el espacio que son mucho más grandes de lo que podemos lanzar, por lo que tenemos que construirlas".

El nuevo ala de avión súper eficiente de la NASA viene con un giro