Onderzoekers tonen concept voor van vorm veranderende vliegtuigvleugel

Wetenschappers van de NASA en MIT hebben een nieuwe vleugelontwerp getoond dat flexibel is en tijdens de vlucht van vorm kan veranderen. Het concept zou relatief eenvoudig te produceren zijn en moet bijvoorbeeld de hedendaagse vleugelkleppen, hydraulica en kabels overbodig maken.

De vleugel bestaat uit honderden kleine, identieke stukjes en de werking is getest in een windtunnel. De conceptvleugel kan van vorm veranderen om de vlucht te controleren, zodat bewegende oppervlakken zoals rolroeren niet meer nodig zijn. Volgens de onderzoekers kan dit ontwerp de vliegtuigproductie versnellen, het vliegen zelf verbeteren en de efficiëntie verhogen.

Om de gehele vleugel of delen ervan van vorm te laten veranderen, wordt er een mix van stijve en flexibele componenten toegepast die in een structuur worden geplaatst. Deze kleine, identieke, driehoekige onderdelen worden aan elkaar gekoppeld in een open, lichtgewicht raamwerk, waar een dunne laag polymeer overheen gaat.

Volgens de onderzoekers is het resultaat hiervan dat de vleugel veel lichter is. Dat maakt dat vliegtuigen die hiermee worden uitgerust, ook veel energiezuiniger zullen zijn dan de relatief zware vleugels van hedendaagse vliegtuigen. Omdat het ontwerp uitgaat van een structuur die te vergelijken is met een structuur gemaakt van luciferhoutjes, bestaat de vleugel voornamelijk uit open ruimte. De onderzoekers spreken op basis daarvan van mechanisch metamateriaal dat de structurele stijfheid van rubberachtig polymeer combineert met de extreme lichtheid en lage dichtheid van aerogel.

In principe is het mogelijk om motors en kabels in het ontwerp te integreren om het vervormen van de vleugel mogelijk te maken, maar de onderzoekers hebben in plaats daarvan een systeem ontworpen dat automatisch reageert op de veranderingen in de aerodynamische omstandigheden van een vlucht door de vorm aan te passen. "We zijn in staat om exact hetzelfde gedrag te produceren dat piloten nu actief doen, maar wij deden het passief", zegt hoofdonderzoeker Nicholas Cramer.

Het ontwerp van de wetenschappers zou de traditionele vorm en het concept van hedendaagse verkeersvliegtuigen kunnen veranderen, omdat de vleugels uit het concept niet voor alle fasen van de vlucht eigen parameters nodig hebben. Dat betekent dat het vleugelconcept geen compromis hoeft te zijn, zoals dat bij huidige vleugels wel het geval is.

Het onderliggende concept is enkele jaren geleden al eens gedemonstreerd in de vorm van een vleugel van een meter lang. Het huidige concept is een vleugel van vijf meter lang, waarmee het vergelijkbaar is met de vleugel van een eenpersoonsvliegtuig. Het samenstellen van de vleugel gebeurde nu nog met de hand, maar dat kan volgens de wetenschappers op termijn vrij eenvoudig autonoom door robots worden gedaan.

Bij het vorige concept werden de individuele onderdelen in stukken 'geknipt' met een systeem voor watersnijden, waarmee het maken van elk onderdeeltje enkele minuten duurde. Bij het nieuwe concept wordt spuitgieten en polyetheen ingezet in een complexe 3d-mal. Elke onderdeeltje wordt hiermee in 17 seconden geproduceerd. Dat is beduidend sneller dan bij het vorige concept, zodat de onderzoekers spreken van een 'fabricagemethode'. De onderdelen zijn goedkoop, zodat het concept in theorie goed bruikbaar is voor massaproductie.

Het onderzoek is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Smart Materials and Structures onder de titel Elastic shape morphing of ultralight structures by programmable assembly.

Reacties (60)

[GeeMoney]

Hangen de motoren ook niet aan de vleugels?
Lijkt me qua gewicht nog behoorlijk uitmaken voor de sterkte/draagkracht van die vleugels en van vorm veranderen moet hij dan natuurlijk ook niet op de aanhecht punten doen van die motoren .

[roy-t]

Mwa zodra het vliegtuig in de lucht is hangt het hele vliegtuig (voornamelijk) aan die vleugels, waar de motoren hangen maakt daarvoor denk ik niet zoveel uit

[ashwin911]

Volgens mij is dat geen probleem. Vleugels van nu veranderen ook soort van vorm bij turbulentie. Ze kunnen flink op en neer buigen. https://www.youtube.com/watch?v=--LTYRTKV_A Bij het op en neer buigen van de vleugel valt de motor er ook niet af. En de motoren worden zelfs aan de vleugel bevestigd met breek bouten. Zodat bij extreem motor falen, als ie uit elkaar spat bijvoorbeeld, de motor er af valt en niet de hele vleugel afscheurt.

[nobraininvolved]

hahaha dit klinkt voor een leek als mij zo eng! sommige dingen wil je niet weten...als het ding maar in de lucht blijft

[Bloemkolen]

Het buigt zodat het niet breekt
een buigende vleugel kan meer hebben dan een niet buigende vleugel (scheelt ook een hoop in comfort bij turbulentie bijvoorbeeld, zie het als vering op je auto of fiets)

[la cucaracha]

Euh..... breekbouten voor de bevestiging van motoren? Dat is exact wat gebeurde bij de El Al boeing in de bijlmer.
Motor brak idd af maar sloopte de hydrauliek en maakte de kist stuurloos.
Die bouten hadden er juist voor moeten zorgen dat de motoren niet het hazenpad kozen.

[multikoe]

Veel vliegtuigen hebben de motor(en) in of aan de romp. Voor die types is het in ieder geval geen probleem.
Bij andere vliegtuigen zijn niet alleen de motoren een uitdaging (denk ik), maar ook het landingsgestel. En ik vraag me af wat ze doen met de brandstoftanks, die nu ook voornamelijk in de vleugels zitten.

[vipers120]

Het kan nuttig zijn om dit in grote vliegtuigen in te zetten zodat de vleugel meer lift geven bij het opstijgen. Hierdoor hoeven er geen flaps/slats ingebouwd worden wat toch wel weer voor ruimte- en gewichtsbesparing zorgt. Een volledige vleugel opgebouwd uit dit type materiaal wordt lastig voor de opslag van brandstof.

[SinergyX]

Flaps zijn maar een marginaal gewicht van wat die vleugels moeten dragen aan gewicht, als ze de vleugel zonder vervorming al toepassen ophuidige vleugels, scheelt dit al een bak aan gewicht. Ik vraag me alleen af of ze ook sterk genoeg zijn. (afaik worden vleugels nu altijd gemaakt om minimaal 1,5 het maximale gewicht te kunnen dragen).

Edit.
https://www.quora.com/How...h-an-engine-hanging-on-it

For example, there might be a really nasty combination of a flight maneuver with a sudden gust, which could easily result in incredibly high loads. To account for all these uncertainties, the wing is designed to carry the Ultimate Load, which is the Limit Load x 1.5.

Die dingen zijn dus kolere sterk

[kidde]

Leuk feitje voor de niet-constructeurs: 1,5x max belasting (veiligheidsfactor S) is constructief juist zeer weinig!

Alles, maar dan ook alles op de wereld wordt met meer veiligheidsfactor ontworpen dan (lucht en ruimtevaart algemeen, in het bijzonder ) een vliegtuigvleugel. Hijskranen, bruggen e.d al snel met 2-3x max belasting. Kabelbaan kabels dacht ik 5-10x. En kranen met max ~ 0,5% deflectie: Een kraanarm ('giek') van 30m lang mag dan max 15 cm doorbuigen aan het uiteinde onder maximale belasting.

Vliegtuig vleugels kunnen niet met een veiligheidsfactor 3, want dan wordt het vliegtuig zo lomp zwaar dat hij niet opstijgt. Constructief gezien kunnen vleugels van een 737 makkelijk 4 meter doorbuigen*. De grens is hier _psychologisch_ bepaald (uniek voor constructeurs, ahum) werd ooit verteld bij 'Aircrash Investigation', het maximum aan doorbuigen waarbij net geen massale paniek in het vliegtuig ontstaat omdat passagiers _denken_ dat de vleugel zal breken.

* Superleuke filmpjes: https://www.popularmechan...rplane-wing-stress-tests/

Ed: Voorbeeld van een veiligheidsfactor tabel zodat lezers weten dat ik dit niet verzin:

https://www.engineeringto...rs-safety-fos-d_1624.html

[Reactie gewijzigd door kidde op 22 juli 2024 21:19]

[aileron]

Volgens mij waren er ooit verhalen dat de vleugels van de 787 zo sterk en flexibel zij dat je ze kan buigen tot de wingtips elkaar raken en breken ze nog steeds niet af.
Geen idee of het waar is, maar dat composiet gebeuren heeft wel wat innovatie gebracht in de luchtvaart. Ik vind het nog steeds vreemd, in Seattle een doorsnee van een dreamliner romp gezien en gevoeld. Ja, gewoon plastic

Het verhaal in dit artikel lijkt mij meer geschikt voor kleinere kisten. Ik zie dit nog wel in drone komen.
Ik zie trouwens helemaal geen control surfaces. Geen ailerons, niks. Sturen met dynamische vleugels

[Edwin]

Ze raken elkaar niet maar het komt toch nog best een eindje;
https://www.wired.com/201...ncredible-wing-flex-test/

[Stry]

Als mechanical engineer wil ik hier dan nog wel eventjes de voetnoot op geven dat de keuze voor een veiligheidsfactor zeer afhankelijk is aan hoe goed je de omgeving in kaart hebt gebracht, en hoe consistent en zeker je productie is. In een industrie waar werkelijk elk onderdeel individueel gecontroleerd is of het aan de specs voldoet, kan je een lagere veiligheidsmarge hanteren dan wanneer je slechts een steekproef per batch uitvoert. Op dezelfde manier wanneer de spreiding van de krachten die op je onderdeel uitgeoefend worden zeer laag is (zeer kleine SD) kan je er vanuit gaan dat een "freak incident" nooit enorm veel boven je gemiddelde uit zal komen, en kan je dus ook een lagere veiligheidsmarge hanteren.

Je SF hangt dus erg af van hoe zeker de situatie is waarin het onderdeel geplaatst wordt.

[Zeerob]

Het is 1,5 x max belasting. Maar er is geen harde maximale belasting. De maximale belasting zal bij extreme turbulentie optreden. En er is geen maximale extreme turbulentie. Turbulentie is iets stochastisch. Hier speelt net zoiets als bij de bepaling van hoe hoog een dijk moet zijn. Daar zeg je dat een dijk b.v. zo hoog is dat het naar verwachting 5.000 jaar duurt voordat het water er een keer overheen komt. Daarom zegt die 1.5 x niet zo heel veel. Bij een gemiddelde vlucht zal de belasting veel lager zijn dan die 'max' belasting. Bij b.v. een kabelbaan speelt dat veel minder en daarom is de veligheidsfactor daar een stuk hoger.

[Tijgert]

Ik zie niet zo snel hoe er geen slats meer nodig zijn. Die dingen doen meer dan enkel de vleugelvorm veranderen zoals flaps en zijn juist los van de vleugel in plaats van een geïntegreerd onderdeel. (Ok, ze zitten er aan vast, maar hun effect komt van daar waar ze los zitten).

[Reactie gewijzigd door Tijgert op 22 juli 2024 21:19]

[multikoe]

Flaps en Slats beïnvloeden de luchtstroom rond een vleugel, voornamelijk om bij lage snelheden meer lift te krijgen. Het lijkt me dat dit ontwerp juist bedoeld is om die complexe constructies overbodig te maken.

[Bloemkolen]

Flaps en slats vergroten ook het vleugeloppervlak (en de open ruimtes tussen vleugel en high lift devices zorgt voor het verlagen van de overtreksnelheid van de vleugel, kijk naar fowler flaps bijvoorbeeld), dat zie ik bij deze techniek zo 1-2-3 niet gebeuren.

Verder stel ik mijzelf vragen bij de operationele inzet van deze techniek, hoe detecteer en repareer je beschadigingen? Dat is bij composiet al een groter probleem ten opzichte van traditioneel aluminium.

Verder wel een mooie techniek om ailerons, rudders en elevators simpeler en vooral efficienter te maken.

[Tijgert]

Je zou de stuurvlakken idd heel vloeiend kunnen maken, geen scherpe overgang meer van vleugel/staart/elevator naar de bewegende delen. Zal wel wat parasitaire weerstand schelen schat ik.

[Tijgert]

Slats hebben twee functies. Als eerste om de vleugelvorm te veranderen zodat de lift wordt verhoogd, maar als tweede om de luchtstroom meer laminair te maken en aan het vleugeloppervlak (bovenkant) te laten hechten waardoor de luchtstroom minder snel loslaat bij lage snelheden.
Dat eerste kan je verkrijgen door elke manier van vleugelprofielverandering, maar dat tweede lukt enkel met de gleuf die de slats maken doordat ze loskomen van de vleugelvoorrand. Dat gaat dus niet met een solide vleugel, hoe beweegbaar dan ook. Althans... dat is de theorie.

[multikoe]

Ah, duidelijk. Maar slots (vast) and slats (beweegbaar) worden gebruikt om tekortkomingen te ondervangen van vleugels die eigenlijk zijn ontworpen om op kruissnelheid het meest efficient te opereren. Zou het niet zo zijn dat je die tekortkomingen niet hebt bij een vleugel die van vorm kan veranderen?
Ik neem dan even aan dat slats niet nodig zouden zijn als je een vleugel ontwerpt die specifiek goed werkt bij een hoge AOT.

[Xirt]

Als de hele vleugel kan veranderen lijkt het mij dat dit ook invloed gaat hebben op de opslag van brandstof. Deze zou dan ook in een flexibele / meebewegende tank opgeslagen moeten worden. Ik denk namelijk niet dat deze in de romp geplaatst gaat worden wegens ruimtegebrek danwel veiligheid.

[sprankel]

Passagiersvliegtuigen hebben (meestal) geen tanks in hun vleugels, compartimenten van de vleugel worden afgesloten om daar brandstof in op te slaan. Een groot nadeel is dat er geen tank is die je eruit kan halen voor inspectie of vervanging, inspectie moet gebeuren in de romp van de vleugel en indien je een probleem hebt kan je het niet simpel/snel vervangen.
Bij kleinere vliegtuigen worden wel vaste tanks gebruikt maar je hebt ook nog rubberen zakken voor brandstofopslag, meestal in helikopters te vinden.

[bamboe]

ben ik de enigste die hier een 1 april in leest?

[Bruin Poeper]

Lees het hele artikel even na via https://sci-hub.tw/
Deze link copieren en daar plakken: https://doi.org/10.1088/1361-665X/ab0ea2

Dit werkte bij mij ook (directe link): https://sci-hub.tw/10.1088/1361-665X/ab0ea2

[Reactie gewijzigd door Bruin Poeper op 22 juli 2024 21:19]

[PcDealer]

Het zou echt kunnen zijn: geek: NASA test vliegtuigvleugel die van vorm verandert

[albatross]

"De video die je probeert te bekijken is niet langer beschikbaar op Tweakers.net."

En zo begint de Artikel 13 non-sense!

[Xirt]

Het artikel dat gelinkt wordt hierboven is gepubliceerd op 31 maart: in dat geval een beetje een gefaalde actie aangezien ze een dag te vroeg zouden zijn. Maargoed, er zijn bedrijven die tegenwoordig een week van tevoren al beginnen...

[Reactie gewijzigd door Xirt op 22 juli 2024 21:19]

[T.C]

Nee, ik lees dat al de gehele dag.
En nee dit is geen reële way of flight

[nils83]

Hoe bedoel je geen tanks in hun vleugels? Bijna alle passagiervliegtuigen hebben fuel in hun vleugels, meestal zelfs tot de uiterste tip van de vleugels (reserve tanks en vents). Ik ken zelfs geen enkel modern vliegtuig zonder tanks in de vleugels.
Meeste hebben 3 main fuel tanks, 1 in elke velugel en 1 centraal in de romp, staan allemaal in verbinding met elkaar.

[NBK]

Sprankel bedoeld dat er geen tank in de vleugel zit. Dat betekend niet dat er geen brandstof in de vleugel zit.. De vleugel is zelf de tank.

[robvanwijk]

Bijna alle passagiervliegtuigen hebben fuel in hun vleugels

Dat is (denk ik) precies wat @sprankel bedoelt: huidige toestellen hebben allemaal tanks in hun vleugels. Het is niet meteen duidelijk hoe je een tank in zo'n vervormende vleugel zou kunnen stoppen, dus dan heb je een probleem: een veel betere vleugel is leuk, maar als je die "ouderwetse" vleugel keihard nodig hebt omdat je je brandstof ergens kwijt moet, dan is dit prachtige techniek... die in de praktijk totaal niet bruikbaar is.

Een gerelateerd probleem lijkt mij trouwens dat het ook nog wel eens lastig zou kunnen worden om motoren onder deze vleugels te plaatsen. Ik geloof meteen dat ze sterk genoeg zijn om een motor te dragen (ze zijn immers ook sterk genoeg om het vliegtuig te dragen), maar ik vermoed dat je je motoren altijd symmetrisch van elkaar wilt houden, terwijl de vleugels ongelijk moeten vervormen om te sturen.

[Reactie gewijzigd door robvanwijk op 22 juli 2024 21:19]

[multikoe]

Iets verder lezen dan de eerste zin. In de tweede zin staat namelijk:

compartimenten van de vleugel worden afgesloten om daar brandstof in op te slaan.

Hij bedoeld dat er geen losse tank in de vleugel zit.

[Tijgert]

Nou, ‘wij’ op de 787 spreken toch echt elke keer over de wingtanks, of er peut in gaat of dat het lekt of dat je er in moet kruipen als engineer (wat een levensgevaarlijke klus is), we noemen het allemaal tanks. Inclusief meneer Boeing. (Deden we ook op de 757, 767 en 737... dus, tja. Tanks)

[Joever]

Zou je kunnen uitleggen wat dit een gevaarlijke klus maakt? (serieuze interesse btw)

[Tijgert]

Brandstofdampen zijn een heel serieus probleem. Er is al menig engineer bezweken of onwel geraakt in een tank, al dan niet door het niet naleven van de regels en voorzorgsmaatregelen.
Hoe goed je ook ventileerd, het blijft gevaarlijk. Je mag er ook niet alleen in, er MOET iemand buiten staan die constant contact heeft met degene in de tank.
Niet elke tank heeft ruimte om naar binnen te gaan in full protective gear met zuurstofflessen.

[Joever]

Bedankt voor de terugkoppeling. Duidelijk verhaal.

Niet elke tank heeft ruimte om naar binnen te gaan in full protective gear met zuurstofflessen.

Wel apart dat met alle veiligheidsregels tegenwoordig, er binnen de vliegerij toch wel wat scheven verhoudingen zijn m.b.t werkzaamheden en veiligheid. Til je een voorwerp van 51KG ben je in overtreding (volgens de ARBO), maar kruipen in een kerosinetank zonder gear is dan wel weer prima.

[sprankel]

Het idee was dat je geen brandstoftank in een flexibele vleugel kwijt kan waar ik op opmerk dat in de huidige toestellen ook geen tank geplaatst word maar dat de vleugel zelf dienst doet als tank. Een flexibele vleugel zou dus eventueel ook dienst kunnen doen als tank mits je hem kunt afsluiten. De benaming wingtank of wetwing kloppen inderdaad, de wing is de tank maar er zit geen tank in de wing.

@Joever
Je moet in een ruimte kruipen die niet ingericht is om mensen te ontvangen die normaal gevuld is met kerosine, extreem ontvlambaar, gigantisch irriterend voor de huid en met chemische dampen die enom giftig zijn. De uitrusting die ze aan moeten hebben zal niet mals zijn wat bovendien de beweginsvrijheid gaat beperken.

[Joever]

Dacht al dat het iets in die richting zou zijn. Bedankt voor de toelichting.

[Tijgert]

de wing is de tank maar er zit geen tank in de wing.

Symantics Maar feitelijk weet ik niet eens wat er in onze 787's zit.. zak of doos. Gezien de flex van de vleugels (tippen kunnen mekaar bijna aanraken als het moet) zou je denken een zak...

[Armin]

Misschien wel bepaalde type kleinere vliegtuigen waar de brandstof toch al in de romp zit? Een beetje een toekomstige variable sweep wing?

[PcDealer]

Afhankelijk van de grootte van de vleugel. Als het een B2-achtige deltawing is, dan zie ik daar prima vaste tanks in zitten waar omheen iets beweegt.

[Tijgert]

Veiligheid qua brandbaarheid is geen issue wat betreft brandstof in de romp, dat zit er nu ook en meer dan in de vleugel.
Het is meer een punt van krachten die op de vleugel komen te staan als de romp zwaardere wordt en de vleugel aan de andere kant van het landingsgestel geen gewicht in de balans legt.

Het is geen bijzonder grote uitdaging om de tank flexibel te maken, met bijvoorbeeld een rubberen zak als tank. Dat hebben we nu eigenlijk ook een beetje in bepaalde modellen maar dan alsnog omgeven door een metalen tank.

[HKLM_]

Lijkt qua vorm best veel op de stealth bomber (B-2 Spirit) uit 1989

[ATS]

Zou dit ook kunnen werken voor een zweefvliegtuig? Meer efficiëntie is altijd goed in die wereld

[rjberg]

Of nog beter: windturbines.

Had google niet ook een vliegtuigvormige turbine? (Een zweefvliegtuig dat op windkracht salto's maakt en stroom levert via een kabel.) Denk dat het wel combineert.

[Mushroomician]

Hoezo staat een onderzoek van NASA en MIT achter een paywall?
Is dat gebruikelijk voor deze organisaties?

[MedionAkoya]

F-14 Tomcat had ook vleugel die van vorm veranderde (alhoewel, het waren zwenkvleugels).
Leuk speelgoed trouwens.

[multikoe]

Klopt, maar dit is niet helemaal hetzelfde. De vleugels van de F-14 veranderden niet van vorm, maar van positie/orientatie. Dit had wel ongeveer hetzelfde effect: meer lift bij lagere snelheden en minder weerstand bij hogere snelheden.
Het grote nadeel van een "swept-wing" ontwerp is de complexiteit en daarmee dus waarschijnlijk ook een hoger gewicht.

[Mighty_Mediocre]

Toch een flinke vooruitgang als je kijkt naar de eerste pogingen om variabele vleugels te maken
https://en.wikipedia.org/wiki/NIAI_RK
https://en.wikipedia.org/wiki/NIAI_RK-I

[Dark Angel 58]

Het concept zou relatief eenvoudig te produceren zijn en moet bijvoorbeeld de hedendaagse vleugelkleppen, hydraulica en kabels overbodig maken.

Dus ze gaan met nanites experimenteren?
Als ze maar niet nanites zoals in Stargate series worden...

[arjankoole]

Als ik me niet heel erg vergis hadden ze van een soortgelijke technologie al eens een 757 prototype rondvliegen. (dus een bestaande 757 aangepast, hebben ze een kunst van gemaakt bij NASA, om bestaande vliegtuigen om te bouwen)