Pozor! Používáte zastaralý prohlížeč, stránka se nemusí zobrazovat správně. Aktualizujte jej a zlepšete tak svůj uživatelský zážitek.

Matfyz.cz

Aktualita z fyziky: Nová křídla pro letadla

Nová křídla jsou zkonstruována z mřížky lehkých ohebných polymerových komponent, která jsou vyztužena uhlíkovými vlákny (foto: Kenneth Cheung/NASA)

Pracovníkům NASA a několika amerických univerzit se za pomoci moderní technologie podařilo vyvinout nový typ letadlových křídel. Ta jsou sestrojena z malých lehkých komponent seřazených do mřížek a dokáží měnit tvar podle letových podmínek. Díky novým křídlům letadla získají lepší aerodynamické vlastnosti, budou snáz ovladatelná, a navíc spotřebují méně paliva. Konstrukce takových křídel je dokonce jednodušší než u klasických modelů. Technologie „digitálních materiálů“, kterou američtí vědci vyvinuli, se kromě křídel letadel hodí i pro řadu jiných technologických celků, jako jsou mosty nebo třeba lopatky větrných turbín.

Pro ovládání letadla je nutné, aby se tvar křídel určitým způsobem měnil. To se nejprve řešilo lanky, která ohýbala kraj křídel, a letadlo tak bylo možné natáčet podél jeho podélné osy. Dnes má většina letadel na svých pevných křídlech tzv. křidélka. Ta slouží nejen k natáčení letadla, ale i pro vyrovnávání nežádoucího kývání podél podélné osy, k němuž dochází zejména během přistávání. Protože letadla mají létat co nejrychleji a přistávat co nejpomaleji, křídla mají celou řadu pohyblivých prvků, které mění jejich aerodynamické vlastnosti. Pevná křídla a jejich tvar, spolu s různými konfiguracemi křídel vhodnými pro různé rychlosti a letové výšky, jsou však vždy určitým kompromisem vzhledem ke spotřebě paliva. Proto byla křídla, která by jako celek mohla měnit za letu svůj tvar, odedávna zbožným přáním leteckých konstruktérů. Všechny pokusy v tomto směru však dosud selhávaly.

Současné mechanicky ovládané prvky na křídlech letadel jsou příliš těžké na to, aby jejich vylepšením mohlo dojít ke zlepšení celkové účinnosti křídla. Vědci však nyní vymysleli zcela nový způsob, jak tvar křídel změnit. Spočívá v tom, že se celé křídlo stává deformačním mechanismem. Motory v trupu letadla vyvíjejí tlak na každé křídlo, které se pak rovnoměrně podélně stáčí.

Nová křídla, která umí měnit svůj tvar, jsou zkonstruována z mřížky lehkých ohebných polymerových komponent velikosti řádu centimetrů. Komponenty jsou vyztuženy uhlíkovými vlákny. Tyto elementy jsou stejně jako dětská stavebnice sestaveny do větších částí. Protože každá z komponent je pevná a tuhá, pružnost a ohebnost každé části lze nastavit změnou celkového tvaru, stejně jako tvar a přesné složení jednotlivých komponent. Křídlo doplňuje vnější plášť, který se skládá z polyamidových vrstev na jednotlivých komponentách a podobá se rybím šupinám.


Model nových křídel vědci testovali ve větrném tunelu. Zjistili, že křídla dokáží kopírovat aerodynamické vlastnosti konvenčních pevných křídel a přitom se mohou deformovat tak, že nahradí potřebu křidélek a ostatních mechanismů. Jejich hmotnost přitom odpovídá pouhé desetině hmotnosti běžných křídel. Na základě těchto testů vědci vyvinuli malé bezpilotní letadlo, které prokázalo výbornou ovladatelnost a manévrovatelnost. Zmenšený model by tak mohl otevřít cestu výrobě dokonalejších dronů, ale mohl by se také stát vzorem pro konstrukci křídel u velkých letadel.

Zatímco křídla použitá při zkouškách byla sestavována výhradně ručně, vědecký tým nyní spolupracuje na návrhu miniaturních robotů, kteří by takové struktury dokázali sestavovat a zároveň také zkoušet a opravovat automaticky. Díky použitému kompozitnímu materiálu je totiž možné nová křídla nejen jednodušeji konstruovat, ale také opravovat. Zároveň je lze rozebrat na jednotlivé komponenty a použít znovu třeba i ke zcela jiným účelům.

Digitální materiály otevírají zcela nové možnosti ve výrobě a umožňují vše, co bylo konvenčním způsobem doposud nemožné. Tvrdí to tvůrci nových křídel, například šéf technologie jedné velké společnosti zabývající se leteckým inženýrstvím. Nová technologie má i daleko širší možnosti a může být využita i při konstrukci takových struktur, jako jsou pružní přizpůsobiví roboti, mosty nebo mrakodrapy. Zároveň zajišťuje lepší výkonnost a trvanlivost výrobků. Protože stejných mechanických vlastností materiálu lze dosáhnout i při jeho opakovaném použití, vede nový způsob výroby také ke snížení spotřeby základní suroviny. Další potenciální aplikace digitálních materiálů zahrnují výrobu „in situ“ (na místě) takových výrobků, jako jsou třeba lopatky větrných turbín a jiných objemných konstrukcí, jejichž transport na místo určení je drahý a logisticky obtížný.

Použití lehkých nastavitelných materiálů složených z jednotlivých buněk je v oboru zatím horkou novinkou. Všichni jsou proto zvědavi, jestli se novou technologii skutečně podaří použít k výrobě letadel s křídly měnícími tvar, která budou létat bez jakéhokoliv omezení. To by totiž znamenalo naprostou revoluci v leteckém průmyslu.

Vědci nyní zkoumají nedostatky digitálních materiálů a snaží se zvýšit jejich spolehlivost a odolnost. Zároveň doufají, že se jim podaří vyvinout a otestovat nejen kompletní letadlo, které by bylo celé vyrobeno novou konstrukční strategií, ale také různé další modulární struktury včetně integrované robotiky.

Původní materiály byly uveřejněny v Soft Robotics a v Physics World.


Mohlo by vás zajímat:

Temná energie v ohrožení?
Voda v kapilárách se chová jinak, než se předpokládalo
Americkým fyzikům se podařilo prokázat existenci záporného indexu lomu v grafenu
Existuje opravdu temná hmota?

Kompletní archiv Aktualit z fyziky

Další obrázky
comments powered by Disqus

Matfyz.cz

Univerzita Karlova
Matematicko-fyzikální fakulta
Ke Karlovu 3
121 16  Praha 2
IČ: 00216208
DIČ: CZ00216208
web fakulty
studuj na Matfyzu
e-shop