El revolucionario prototipo está formado por celdas con cientos de piezas diminutas que se deforman para controlar el giro y las maniobras del avión
Un equipo de ingenieros de la NASA y del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) ha construido y probado un tipo de ala de avión radicalmente nueva, ensamblada a partir de cientos de diminutas piezas idénticas, que le permite cambiar de forma durante el vuelo para controlar las maniobras de la aeronave, y hacer más eficiente la producción y el mantenimiento, según los investigadores.
Las alas de la NASA en lugar de requerir superficies móviles separadas, como alerones, para controlar el giro y la inclinación del avión, como hacen las alas convencionales, con su nuevo sistema de ensamblaje permite deformar toda el ala, o partes de ella, incorporando una mezcla de componentes rígidos y flexibles en su estructura. Estos pequeños subconjuntos, que se atornillan entre sí para formar una estructura de celosía abierta y liviana, se cubren con una capa delgada de material de polímero similar a la estructura.
El resultado es un ala que es mucho más ligera y, por lo tanto, mucho más eficiente en el uso de la energía, que las que tienen diseños convencionales, ya sean de metal o composites (fibras de vidrio, carbono, boro o cerámica). Debido a que la estructura, compuesta por miles de pequeños triángulos como puntas de cerillas, permite que la mayoría de la superficie sea espacio vacío, se forma un “metamaterial” mecánico que combina la rigidez estructural de un polímero similar a la goma y la extrema ligereza y baja densidad de un aerogel, indican sus creadores. El nuevo enfoque de la construcción del ala podría permitir una mayor flexibilidad en el diseño y la fabricación de futuros aviones, y ya se probó en un túnel de viento de la NASA.
Adaptable al despegue y aterrizaje
Benjamin Jenett, uno de los autores de la investigación como estudiante graduado en el Center for Bits and Atoms del MIT, explica en un comunicado que cada una de las fases de un vuelo (despegue y aterrizaje, crucero, maniobras, etcétera), tiene su propio conjunto de parámetros óptimos de ala, por lo que un ala convencional es necesariamente un diseño general que no está optimizado para ninguna de las fases de vuelo, y por lo tanto, sacrifica la eficiencia. Un ala que es constantemente deformable podría proporcionar una mejor aproximación de la mejor configuración para cada etapa.
Si bien sería posible incluir motores y cables para producir las fuerzas necesarias para deformar las alas, el equipo ha dado un paso más allá y ha diseñado un sistema que responde automáticamente a los cambios en sus condiciones de carga aerodinámica modificando su forma, en un proceso autoajustable de reconfiguración pasiva del ala.
“Podemos ganar eficiencia al hacer coincidir la forma con las cargas en diferentes ángulos de ataque”, dice Nicholas Cramer de la NASA, y autor principal del artículo publicado en la revista Smart Materials and Structures.
La versión anterior
Kenneth Cheung, alumno del MIT y otro autor del artículo, estuvo ya implicado hace unos años en la producción de un ala de aproximadamente un metro de largo, comparable al tamaño de un modelo de avión a control remoto típico. La nueva versión, unas cinco veces más larga, es comparable en tamaño al ala de un avión monoplaza real y podría ser fácil de fabricar, según los investigadores.
Si bien esta versión fue ensamblada a mano por un equipo de estudiantes graduados, el proceso repetitivo está diseñado para ser fácilmente realizado por un enjambre de robots de ensamblaje, autónomos, pequeños y simples.
Las partes individuales para el ala anterior se cortaron utilizando un sistema de chorro de agua, y se tardó varios minutos en hacer cada parte. El nuevo sistema utiliza moldeo por inyección con resina de polietileno en un complejo molde tridimensional, y produce cada parte, esencialmente un cubo hueco formado por puntas del tamaño de una cerilla a lo largo de cada borde, en solo 17 segundos.
La celosía resultante tiene una densidad de 5,6 kilogramos por metro cúbico. A modo de comparación, el caucho tiene una densidad de alrededor de 1.500 kilogramos por metro cúbico. “Tienen la misma rigidez, pero la nuestra tiene menos de aproximadamente una milésima parte de la densidad”, dice Jenett.
Debido a que la configuración general del ala u otra estructura se construye a partir de pequeñas subunidades, realmente no importa cuál sea la forma. “Puedes hacer cualquier geometría que quieras. El hecho de que la mayoría de los aviones tengan la misma forma, esencialmente un tubo con alas, “se debe a los gastos. No siempre es la forma más eficiente”, añade.
La nueva ala fue diseñada para ser tan grande como la que pudiese acomodarse en el túnel de viento de alta velocidad de la NASA en el Centro de Investigación de Langley, donde tuvo unos resultados un poco mejores incluso de lo previsto, dice Jenett. El mismo sistema podría usarse para hacer otras estructuras también, incluidas las palas de aerogeneradores similares a las alas, donde la capacidad de hacer el ensamblaje en el sitio podría evitar los problemas de transporte de palas cada vez más largas. Se están desarrollando ensamblajes similares para construir estructuras espaciales, y eventualmente podrían ser útiles para puentes y otras estructuras de alto rendimiento.
El equipo incluyó investigadores de la Universidad de Cornell, la Universidad de California en Berkeley, la Universidad de California en Santa Cruz, el Centro de Investigación Langley de la NASA, la Universidad de Tecnología de Kaunas en Lituania y los servicios técnicos en Moffett Field, California. El trabajo fue apoyado por el Programa de Soluciones Aeronáuticas Convergentes de la ARMD de la NASA (Proyecto MADCAT) y el Centro MIT para Bits y Átomos.