Insinyur NASA & MIT Kembangkan Sayap Polimer yang Bisa Ubah Bentuk untuk Pesawat Lebih Ringan dan Efisien
Tim insinyur dari Ames Research Center NASA (Mountain View, California, AS) dan Massachusetts Institute of Technology (MIT, Cambridge, Massachusetts, AS) telah membangun dan menguji sayap pesawat yang dirangka dari kerangka berasak comprising ratusan potongan polimer identik yang kecil. Sayap dilaporkan dapat mengubah bentuk untuk mengontrol penerbangan pesawat.
Desain sayap diuji di angin tunnel NASA dan dijelaskan dalam sebuah paper di jurnal Smart Materials and Structures, yang ditulis bersama oleh insinyur penelitian Nicholas Cramer di NASA Ames di California; insinyur NASA Ames dan alumni MIT Kenneth Cheung; mahasiswa pascasarjana MIT Benjamin Jenett dan delapan orang lainnya.
Alih-alih memerlukan permukaan yang dapat bergerak terpisah seperti aileron untuk mengontrol goyang dan pitch pesawat, seperti sayap konvensional, sistem rangka baru memungkinkan seluruh sayap, atau bagian-bagiannya, untuk berubah bentuk dengan mencampur komponen kaku dan fleksibel dalam strukturnya. Subrangka kecil, yang dibaut bersama untuk membentuk kerangka ringan terbuka, kemudian dilapisi dengan lapisan tipis material polimer yang sama dengan kerangka.
Hasilnya adalah sayap yang lebih ringan, dan oleh karena itu lebih hemat energi, daripada yang dengan desain konvensional, baik terbuat dari logam atau komposit, menurut para peneliti. Karena strukturnya, yang terdiri dari ribuan segitiga kecil berupa batang seperti korek api, sebagian besar terdiri dari ruang kosong, membentuk “metamaterial” mekanis yang menggabungkan kekakuan struktural polimer seperti karet dan kekuatan ringan serta kepadatan rendah aerogel.
Jenett menjelaskan bahwa ada satu set parameter sayap yang optimal untuk setiap fase penerbangan, untuk memberikan pendekatan terbaik dari konfigurasi untuk setiap tahap. Sistem dirancang untuk merespons secara otomatis terhadap perubahan dalam kondisi beban aerodinamisnya dengan mengubah bentuknya dengan cara tertentu.
Sayap demonstrator panjang satu meter dibuat oleh Cheung dan anggota tim lainnya beberapa tahun yang lalu. Versi baru, sekitar lima kali lebih panjang, berukuran comparable dengan sayap pesawat satu penumpang nyata dan dirancang untuk dapat dengan mudah diselesaikan oleh robot montase otonom. Desain dan pengujian sistem montase robotik adalah subjek paper mendatang, kata Jenett.
Bagian individu untuk sayap sebelumnya dipotong menggunakan sistem waterjet, dan membutuhkan beberapa menit untuk membuat setiap bagian, kata Jenett. Sistem baru menggunakan injeksi molding dengan resin polyethylene dalam cetakan 3D kompleks, dan menghasilkan setiap bagian — pada dasarnya kubus berongga yang terdiri dari batang berukuran korek api di setiap tepi — hanya dalam 17 detik, katanya, yang mendorongnya jauh lebih dekat ke level produksi skalabel.
“Sekarang kita memiliki metode manufaktur,” katanya. Meskipun ada investasi awal dalam tooling, setelah selesai, “bagian-bagiannya murah,” katanya. “Kami memiliki kotak dan kotaknya, semuanya sama.”
Kerangka yang dihasilkan, katanya, memiliki densitas 5,6 kilogram per meter kubus. Sebagai perbandingan, karet memiliki densitas sekitar 1.500 kilogram per meter kubus. “Mereka memiliki kekakuan yang sama, tetapi kami memiliki kurang dari sekitar satu seribu dari densitas,” kata Jenett.
Karena konfigurasi keseluruhan sayap atau struktur lainnya dibangun dari subunit kecil, desain keseluruhan struktur sayap dapat diubah dari bentuk tradisionalnya, kata Jenett. Studi menunjukkan bahwa struktur tubuh dan sayap terintegrasi jauh lebih efisien untuk banyak aplikasi, katanya, dan dengan sistem ini mereka dapat dengan mudah dibangun, diuji, dimodifikasi dan diuji ulang.
Sistem yang sama dapat digunakan untuk membuat struktur lain juga, kata Jenett, termasuk blader seperti sayap turbin angin, di mana kemampuan untuk montase di lokasi dapat menghindari masalah transportasi blader yang semakin panjang. Rangka serupa sedang dikembangkan untuk membangun struktur angkasa, dan akhirnya dapat digunakan untuk jembatan dan struktur berkinerja tinggi lainnya.
Tim termasuk peneliti dari Cornell University, University of California di Berkeley, University of California di Santa Cruz, NASA Langley Research Center, Kaunas University of Technology di Lithuania, dan Qualified Technical Services Inc. di Moffett Field, California, AS. Pekerjaan didukung oleh NASA ARMD Convergent Aeronautics Solutions Program (Proyek MADCAT) dan MIT Center for Bits and Atoms.
