Flygplan flaxar med vingarna

Lätt som en fjäder, stark som metall och flexibel som gummi – ingenjörer har utvecklat en ny flygplansvinge som är böjlig och kan styras helt utan mekaniska delar. Detta kan ge en helt ny flygplanstyp som flyger som fåglar.

Lätt som en fjäder, stark som metall och flexibel som gummi – ingenjörer har utvecklat en ny flygplansvinge som är böjlig och kan styras helt utan mekaniska delar. Detta kan ge en helt ny flygplanstyp som flyger som fåglar.

Det plingar till och lampikonen med säkerhetsbältet tänds.

Du blickar ut genom fönstret mot New Yorks skyline och när du landar ser du hur vingspetsen vrids uppåt och nedåt i takt med planets rörelser.

Vingen böjs naturligt efter luftströmmarna, som om den satt på en fågel som elegant gled genom luften.

Flygplan med vingar som kan ändra form i följsamma rörelser håller nu på att få luft under vingarna.

En grupp forskare från Nasa och MIT har nyligen testat en ny typ av vinge som kan böjas och vridas i princip utan hjälp från motorer och mekaniska delar.

Det ger vingar som är lättare och mer aerodynamiska.

Till en början ska tekniken användas i drönare och små flygplan, men på längre sikt kan den nya vingen bana väg för en helt ny typ av flygplan som flaxar med vingarna och i vissa fall kanske helt kan klara sig utan propeller eller jetmotor.

Prototypen monterades manuellt. I framtiden ska vingen byggas av robotar.

Perfekta vingar finns inte

Det är omöjligt att konstruera en perfekt flygplansvinge med de material och den teknik som flygplanstillverkarna använder i dag.

Den idealiska formen på en vinge beror på om flygplanet lyfter, cruisar eller landar.

Flygplanet behöver mycket lyftkraft och framdrift när det ska lyfta medan farten måste sänkas när det är dags att landa.

Flygplan har därför en rad rörliga klaffar, så kallade flaps, som sitter längs vingens bakkant.

De viks nedåt för ökad framdrift och lyftkraft när planet ska lyfta.

Vid landning fälls de ut helt för att ge maximalt luftmotstånd och därmed bromsa flygplanet.

En modern flygplansvinge är fylld med motorer, kablar och hydraulik som gör det möjligt att köra klaffarna ut och in.

Utrustningen är tung: En Boeing 747-vinge väger exempelvis upp till 43 000 kilo, ungefär en tiondel av hela flygplanets totalvikt.

Ju fler kilon som måste lyftas från marken och hållas i luften, desto mer bränsle krävs det.

Dessutom är det både komplicerat och dyrt att konstruera och underhålla vingen.

1903 hade Wright-brödernas flygplan inga klaffar, men vingarna var gjorda av trä och textil och var därför flexibla. Piloten låg på magen och styrde planet genom att dra i rep, som fick vingarna att vridas. Så här såg planet ut framifrån: Om piloten ville luta planet mot vänster, så drog han i repen så att den bakre delen av höger vinge böjdes uppåt. På så sätt ökades lyftkraften på höger sida och minskades på vänster, så att planet rullade runt.

Ny vinge lånar från historien

I flygningens barndom för över 100 år sedan var vingarna konstruerade av trä och textil.

Det gjorde dem mer flexibla än moderna vingar och piloten kunde manövrera genom att dra i snören för att böja vingarna.

Efter hand som vi flög längre, högre och snabbare behövdes mer slitstarka material som kunde tåla påverkan från vind och väder på många kilometers höjd.

Därför är moderna vingar konstruerade av metaller som aluminium och titan eller kompositmaterial som glas- och kolfiber.

Materialen är dock styva och de kan inte böjas.

Den heliga graalen inom vingdesign är en konstruktion som förenar moderna vingars styrka med textil- och trävingarnas flexibilitet.

Nu kan forskarna ha hittat graalen: En stark flygplansvinge som är lättare och mer flexibel än en konventionell vinge och nästan lika fri från rörliga delar som ett gammaldags flygplan.

Forskare från Nasa och MIT har byggt en flexibel vinge med ett skelett som består av tusentals små stänger tunna som tändstickor.

Alla som har provat att bygga med tändstickor och klister vet att även den mest rangliga bron kan stabiliseras med tvärgående stag.

Det är just ett gitter konstruerat med hundratals små stag kors och tvärs som gör den nya vingen stark som metall trots att den mest består av luft.

Nasas nya böjbara vinge består av hundratals små element som liknar åttasidiga tändsticks­diamanter. När diamanterna kombineras bildar de ett tätt gitter som är böjbart och kan vridas för att ge optimala aerodynamiska egenskaper.

©

Vingen vrider och böjer sig

Vingen väger 5,6 kilo per kubikmeter – inte mycket mer än aerogel som är världens lättaste material. Vingen har inga rörliga delar, men piloten kan aktivera motorer längs vingens kant, som via tunna kolfiberrör kan vrida och böja vingens bakkant och spets.

©

Böjbart gitter är en rörlig yta

Vingen består av hundratals ihåliga grundelement som sitter ihop i ett gitter. Forskare placerar stela och mjuka element i ett mönster som gör vingen stabil, men ändå flexibel när luftströmmar påverkar den så att aerodynamiken alltid ger optimal lyftkraft.

©

Flexibla diamanter bildar gittret

Grundelementen är fem centimeter breda, åttakantiga ”diamanter” av polyeterimid – en flexibel plast. Diamantstrukturen gör den så robust som möjligt med så få fästpunkter som möjligt. Några av elementen förstärks med glasfiber som gör att de inte är böjbara.

Vingen är en stor klaff

Gittret i den nya flexibla vingen består av hundratals diamantformiga, ihåliga ”byggklossar” – de flesta i en flexibel plast medan andra förstärkts med glasfiber så att de är stela.

Vingen kan jämföras med ett vindskydd där de flexibla byggklossarna är själva duken medan de stela byggklossarna är stängerna.

När vindskyddet är rest kan duken fladdra i vinden, men stängerna säkerställer att duken håller formen.

Tack vare systemet med byggklossar kan forskarna styra graden av flexibilitet.

De stela byggklossarna är placerade inne vid flygplanets skrov och längs vingens framkant eftersom de delarna bär vingens vikt.

De flesta flexibla byggklossarna finns i vingens bakkant och spets, och de är böjliga.

Därmed kan vingen böjas som ett rö för vinden. Det ger bättre bränsleekonomi eftersom luftmotståndet minskar.

Till skillnad från vanliga vingar styrs vingen inte via motorer och hydraulik inne i själva vingen utan med hjälp av motorer som sitter monterade ända inne vid vingens inre kant längs flygplansskrovet.

Motorerna är kopplade via tunna kolfiberrör till vingens spets och bakkant.

Piloten kan via rören dra i dessa delar av vingen och få dem att böja eller vrida sig.

Därmed blir hela vingen till en stor och flexibel klaff.

Det gör vingen både lättare och mer aerodynamisk än de stela vingarna med hydrauliskt styrda klaffar som används i dag.

Forskarnas nya böjbara vinge väger mindre än en hundradel av en vanlig vinge i samma storlek.

Mindre vikt betyder också en lägre bränsleförbrukning, vilket gör att framtidens flygplan kan komma mycket längre på samma mängd bränsle och på så sätt ha mindre bränsletankar.

Samtidigt är vingen enklare att bygga eftersom de flesta av de maskiner man brukar använda inte behövs.

Forskarnas prototyp har ett vingspann ungefär lika stort som på små propellerplan.

Deras vision är att ultralätta drönare som exempelvis fraktar medicin till isolerade katastrofområden ska bli de första farkosterna som använder den nya vingen.

Lättviktsdrönare och små privatplan är dock bara början. Om 30–40 år kan vi få se stora trafikflygplan med böjbara vingar.

Den flexibla vingen kan på sikt förändra flygningen helt och bana väg för nya flygplanstyper som flaxar med vingarna och nästan helt flyger utan motorkraft.

Forskarna menar att vingen kan bli en viktig komponent i framtida rymdfärder.

Den flexibla gitterkonstruktionens låga vikt är perfekt för ändamålet. Gittret ska kunna användas för allt från rymdstationer till drönare som letar efter liv.