Ruimte technologieën. Shape morphing en flight shaping
natuurlijke vorm
vogel morph
Onderzoekers en waarnemers hebben al lang erkend dat vogels en verschillende andere vliegende wezens de positie van hun lichaamsstructuren tijdens de vlucht veranderen om bepaalde manoeuvres uit te voeren of hun vleugelprofiel aan te passen aan veranderende vluchtomstandigheden.
Deze adelaar laat zijn benen tegen het lichaam rusten om de luchtweerstand te verminderen. Let ook op het strekken van de vleugels (meestal gebruikt om te vertragen) en het spreiden van de veren om de draaikolken van de vleugeltip die de luchtweerstand vergroten, te doorbreken.
Een ander bekend voorbeeld van de transformatie van het vliegtuigontwerp is het intrekbare landingsgestel, dat hetzelfde doel dient voor een vliegtuig als voor een vogel wanneer het zijn poten dicht bij zijn lichaam trekt tijdens de vlucht.
Dat wil zeggen, dit type transformatie vermindert de luchtweerstand dramatisch, wat op zijn beurt de energie-efficiëntie van de roofvogel verhoogt, en dit leidt ook tot brandstofbesparing in vliegtuigen.
Andere "low-tech" conversievoorbeelden zijn onder meer beweegbare stuurvlakken die worden gebruikt om krachten en koppel over te brengen op het vliegtuig voor manoeuvreren en stabiliteit, "latten", "slots" en "flappen" die uitsteken om de vleugel een nieuwe vorm te geven, waardoor er meer lift ontstaat op een lager niveau start- en landingssnelheden en geveegde vleugels waarmee het vliegtuig efficiënt kan vliegen met sterk variërende luchtsnelheden, zoals bij de overgang van subsonische naar supersonische vluchten.
Deze voorbeelden van morphing-technologieën uit het verleden waren zeker baanbrekend in hun tijd, maar nu zijn ze redelijk gewoon geworden - sommige tellen niet eens als morphing.
Metaal morphing
Sinds de mens metaal met vuur begon te smeden, is bekend dat de "toestand van metaal" veranderlijk is.
Europeanen die in de jaren dertig metaal testten op "flexibiliteit" en stress merkten op dat sommige legeringen (die aluminium bevatten) een soort pseudo-elasticiteit kunnen vertonen (dit is overigens zo).
Is metal morphing uitgevonden in de USSR?
Laten we dit onthouden omwille van de objectiviteit.
Het vormgeheugeneffect in metaallegeringen werd in de USSR ontdekt door wetenschappers GV Kurdyumov en LG Khandros en op 17 maart 1949 werd het geformaliseerd als een wetenschappelijke ontdekking, empirisch bevestigd en gerelateerd aan diffusieloze soorten fasetransformaties in metaallegeringen. Het open effect werd experimenteel ontdekt in legeringen op basis van metalen als goud, koper, kobalt, ijzer en nikkel.
Wat is het punt?
De status van deze ontdekking of verklaring erover is lager dan enig patent, zelfs Russisch, geregistreerd in bijvoorbeeld de VS.
Om nog maar te zwijgen van het feit dat de ontdekking van het "vormgeheugeneffect" als geheel teruggaat tot 1932, toen de Zweedse chemicus Arne Olander deze eigenschap voor het eerst ontdekte in goud-cadmiumlegeringen.
Momenteel regelt het huidige burgerlijk wetboek van de Russische Federatie, dat de gronden definieert voor het ontstaan en de procedure voor het uitoefenen van exclusieve rechten op de resultaten van intellectuele activiteit (intellectueel eigendom), geen juridische betrekkingen met betrekking tot wetenschappelijke ontdekkingen.
In de USSR werd voorgesteld om wetenschappelijke ontdekking te begrijpen als het vaststellen van voorheen onbekende, objectief bestaande en verifieerbare regelmatigheden, eigenschappen en verschijnselen van de materiële wereld, die fundamentele veranderingen in het kennisniveau introduceren.
Het grappige is dat aangezien de wetenschappelijke wereldgemeenschap nooit heeft deelgenomen aan de erkenning van Sovjet/Russische ontdekkingen, hun status werd bepaald door Russische experts, onder wie er nooit Nobelprijswinnaars of wetenschappers met een h-index (HI) van op tenminste 30. Dat wil zeggen, volgens de bestaande wetenschap in de wereld, volgens overeenkomsten, was geen van hen een groot wetenschapper.
Dit is een opmerking voor degenen die de inhoud van het artikel op de Russische Wikipedia of op de artikelen van Russische wetenschappers willen verduidelijken, waaronder het hoofd van de Commissie "on pseudowetenschap" (de Commissie ter bestrijding van pseudowetenschap - een wetenschappelijke coördinerende organisatie onder de Presidium van de Russische Academie van Wetenschappen), "academicus zonder toelating", wiens IM ook geen 20 haalt, maar die "alles weet" en alles beoordeelt.
Er bestaat geen puur metaal met vormgeheugen (SMA). Het zijn altijd legeringen.
De meest algemene definitie.
SPF is een groep metaallegeringen die kunnen terugkeren naar hun oorspronkelijke staat.
Morphing van de XNUMXe eeuw
In tegenstelling tot de "low-tech" transformatieontwerpen uit het verleden, wordt het transformerende vliegtuig tegenwoordig gedefinieerd als "een die innovatieve actuatoren, actuatoren en andere mechanismen gebruikt om zijn toestand aan te passen om het gedrag en de prestaties te verbeteren bij het vliegen in meerdere omgevingen of onder verschillende omstandigheden".
Ondanks de afgelopen eeuwen van innovatie in luchtvaart technologieën blijft de veelzijdigheid van moderne vliegtuigen veel slechter dan die van biologische prototypes en analogen.
En nu blijft onderzoek op het gebied van luchtvaarttechnologie en -ontwerp ideeën en inspiratie halen uit de natuur. Maar het is ook duidelijk dat onze technische mogelijkheden ernstig achterblijven bij de natuurlijke mogelijkheden van goddelijke creaties.
Bereikte kenmerken, eigenschappen en effecten, praktische implicaties
vormgeheugen effect. Het materiaal kan worden gebruikt als een aandrijfmechanisme om een kracht te leveren om de vorm te herstellen.
Pseudo-asticiteit. Het materiaal kan worden belast om grote herstelbare spanningen te bieden bij relatief constante spanningsniveaus.
Hysterese. Zorgt ervoor dat energie kan worden afgevoerd tijdens pseudo-elastische respons.
Hoge activeringsspanning (400-700 MPa). Componenten met een kleine doorsnede kunnen aanzienlijke krachten genereren.
Hoge bedieningsbelasting (ca. 8%). Componenten met een korte lengte kunnen zorgen voor grote bewegingen.
Hoge energiedichtheid (ongeveer 1200 J/kg). Een kleine hoeveelheid materiaal die nodig is voor een significante bediening.
XNUMXD-bediening. Polykristallijne SMA-componenten vervaardigd in verschillende vormen die veel bruikbare geometrieën bieden.
Operatie frequentie:. De moeilijkheid om hoge koelsnelheden van componenten te bereiken, beperkt het gebruik in hoogfrequente toepassingen.
Energie-efficiëntie (10-15%). De hoeveelheid thermische energie die nodig is voor de werking is veel groter dan de kracht van mechanisch werk.
Transformatie-geïnduceerde plasticiteit. De accumulatie van plasticiteit tijdens cyclische respons leidt uiteindelijk tot materiaalfalen en falen.
Enkele moderne SPF's en hun kenmerken
ruimte vormen
De toepassingsgebieden van legeringen met vormgeheugen zijn divers.
Hun prioritaire implementatie wordt uitgevoerd in gebieden met hoge vergoedingen voor de functionaliteit van nieuwe producten: geneeskunde, luchtvaart en ruimtevaart; brandbestrijding en olie- en gasindustrie. Ook in het circus...
Rekening houdend met de belangen van het publiek, zullen we alleen de luchtvaart-militaire-ruimtetoepassing overwegen.
Voor lucht- en ruimtevaarttoepassingen is gewichtsbesparing erg belangrijk. Vormgeheugenlegeringen zijn speciale materialen die zorgen voor een hoger koppel en massaoutput, minder totale onderdelen vereisen en minder onderhoud vergen dan conventionele hydraulische actuatoren die nodig zijn voor vlucht- en motorbesturing.
Dit wordt bereikt door het vormgeheugeneffect. Wanneer de SMA wordt verwarmd of gekoeld, ondergaat deze een omkeerbare faseverandering en wordt de oorspronkelijke vorm hersteld, zelfs onder de tegenovergestelde belasting.
Dit geeft deze materialen de eigenschappen die ze nodig hebben om een levensvatbare materiaalvervanging te worden voor een verscheidenheid aan ontwerpen in de lucht- en ruimtevaartindustrie.
Bijvoorbeeld:
• Materialen van de hoofdconstructies;
• zelfontplooiende constructies (antennes, zonnepanelen, enz.);
• mechanismen voor oriëntatie van zonnepanelen;
• gereedschap voor installatiewerkzaamheden (moeraanzetters, zelfspannende clips en koppelingen; klemmen, fakkels etc.);
• aandrijvingen van draaimechanismen (roeren, luiken, luiken, etc.);
• manipulatoren, enz.
De eigenschappen van de SMA maken het mogelijk om apparaten te maken die de complexe kinematica van vervormingsbewegingen van structurele elementen implementeren met het maximale gewichtsrendement van apparaten, hun structurele eenvoud en locatie in een minimaal volume.
Примеры
In 1993 werd op het Mir-station in de open ruimte de Sophora oriëntatiethruster truss gemonteerd.
Koppelingen in de vorm van bussen werden in gekoelde toestand vervormd om hun binnendiameter te vergroten. Nadat de uiteinden van de buisvormige elementen in de huls waren gebracht en deze waren verwarmd tot boven de temperatuur van de omgekeerde martensiettransformatie, verkleinde de huls de binnendiameter, waardoor een betrouwbare vervormingsverbinding werd verkregen.
Op het Mir-station werd met behulp van een SPF-aandrijving (in de vorm van een draad waardoor een elektrische stroom werd geleid om deze op te warmen) de Rapana-boerderij ingezet en werden twee antennes met een diameter van elk 40 m ingezet op de Progress-20 ruimtevrachtwagen.
Er waren natuurlijk latere toepassingen.
NASA
NASA verbetert vormherstellende metalen als intelligente adaptieve materialen voor ruimtevaartuigen.
NASA's Langley Research Center in Virginia speelt een sleutelrol in dit streven. Het Materials Centre of Excellence werkt koortsachtig aan vormveranderende vliegtuigen.
Dr. Anna McGowan - Directeur van het NASA Material Morphing Program
Anna McGowan, lezing in het NASA Research Center in Langley.
Om licht te werpen op wat een complex systeem is, maakte McGowan een vergelijking met de traditionele techniek die ze op school studeerde.
Met behulp van deze al lang bestaande aanpak, "nam u een zeer complex systeem en bleef het afbreken totdat u de details doorhad", zei ze.
"Vervolgens analyseerde je de onderdelen afzonderlijk en zodra je de onderdelen begreep, heb je die weer aangesloten om het hele systeem te begrijpen."
Met behulp van deze al lang bestaande aanpak, "nam u een zeer complex systeem en bleef het afbreken totdat u de details doorhad", zei ze.
"Vervolgens analyseerde je de onderdelen afzonderlijk en zodra je de onderdelen begreep, heb je die weer aangesloten om het hele systeem te begrijpen."
Bij complexe systemen werkt deze lineaire reductionistische benadering echter niet.
"Complexe systemen zijn een functie van het leren van kruispunten," zei McGowan. "Nu zijn de grenzen tussen de verschillende componenten vaag."
Of anders gezegd: "Complexe systemen in engineering zijn meer afhankelijk van de interactie van componenten dan van de componenten zelf."
Daarom is het noodzakelijk om op een complexe manier na te denken over het creëren van morfische materialen, dat wil zeggen over het creëren van slimme morfische systemen.
Deze aanpak kan echt van pas komen bij de ontwikkeling van veelbelovende ruimtevaartuigen.
Met een vormveranderend schip is het mogelijk om weerstandsreductie, belastingsreductie, geluidsreductie, evenals de coördinatie van sensoren en actuatoren met een dergelijk materiaal te regelen.
Het belangrijkste is dat een dergelijk materiaal op een dag kan worden gebruikt als basis voor een "zelfherstellende ruimtevaartuigschil" die zichzelf kan genezen.
Door deze conversie kan de machine eerdere configuraties "onthouden" of zichzelf "herinneren" voor toekomstige functies.
Wanneer het materiaal kan transformeren, kan de vorm van het schip worden aangepast aan de omgeving waarin het beweegt. En dergelijk materiaal kan vliegtuigen en ruimtevaartuigen "vermommen", wat kijkers zal "verwarren".
Zachte robotica
Terminator #2 is een typische zachte robot
De Terminator is een van de meest iconische personages in sciencefictionfilms.
Maar dergelijke technologie is waarschijnlijk nog vele decennia verwijderd, nietwaar?
Waarschijnlijk nee.
Vloeibaar metaal
De elektrische velden die worden gebruikt om de vloeistof te vormen, worden door de computer gegenereerd, wat betekent dat de positie en vorm van het vloeibare metaal kan dynamisch worden geprogrammeerd en gecontroleerd.
“Vloeibare metalen zijn een zeer veelbelovende materiaalklasse voor vervormbare toepassingen; hun unieke eigenschappen zijn onder meer spanningsgecontroleerde oppervlaktespanning, hoge geleidbaarheid in vloeibare toestand en fase-overgang tussen vloeistof en vaste stof bij kamertemperatuur.
zei professor Sriram Subramanian, hoofd van het INTERACT-laboratorium aan de Universiteit van Sussex.
“Een van de langetermijnvisies van ons en vele andere onderzoekers is het veranderen van de fysieke vorm, het uiterlijk en de functionaliteit van elk object door middel van digitale controle om intelligente, behendige en nuttige objecten te creëren die de functionaliteit van elk huidig display of de robot.
zei professor Sriram Subramanian, hoofd van het INTERACT-laboratorium aan de Universiteit van Sussex.
“Een van de langetermijnvisies van ons en vele andere onderzoekers is het veranderen van de fysieke vorm, het uiterlijk en de functionaliteit van elk object door middel van digitale controle om intelligente, behendige en nuttige objecten te creëren die de functionaliteit van elk huidig display of de robot.
Programmeerbare vloeibare metalen
"Dit is een nieuwe klasse van programmeerbare materialen in vloeibare toestand die op een gecontroleerde manier dynamisch kunnen transformeren van een eenvoudige druppelvorm naar vele andere complexe geometrieën,"
zei Yutaka Tokuda, projectonderzoeker aan de Universiteit van Sussex.
zei Yutaka Tokuda, projectonderzoeker aan de Universiteit van Sussex.
Hoewel het onderzoek van de Tokuda-groep nog in de kinderschoenen staat, heeft het verzamelde bewijs hen geïnspireerd om mogelijke toepassingen te onderzoeken, waaronder zachte robotica en slimme elektronica.
Digitale bediening
Dit onderzoek maakte het mogelijk om computergestuurde elektrische velden te gebruiken om niet alleen de vorm van vloeibaar metaal te veranderen, maar het ook in de ruimte te verplaatsen.
De onderzoekers hebben een langetermijnvisie om op een dag de digitale besturing van flexibele objecten te gebruiken om "intelligente, behendige en bruikbare objecten te creëren die de functionaliteit van elk modern display of robot overtreffen".
Nieuw vormveranderend slim materiaal, zelfherstellend, ontworpen voor zachte robotica
Vooruitgang in zachte robotica, draagbare technologie en mens-machine-interactie vereisen een nieuwe klasse van trekmaterialen die adaptief van vorm kunnen veranderen en alleen vertrouwen op draagbare elektronica als stroombron.
Onderzoekers van de Carnegie Mellon University hebben een materiaal ontwikkeld dat een unieke combinatie vertoont van hoge elektrische en thermische geleidbaarheid met bedieningsmogelijkheden.
Een ander belangrijk kenmerk van het materiaal is de weerstand tegen aanzienlijke schade.
"We hebben elektrische zelfherstellende en schadedetectiemogelijkheden waargenomen voor dit composiet, maar schadedetectie is een stap verder gegaan dan eerdere vloeibare metaalcomposieten."
legde Michael Ford uit, een onderzoeker bij het Soft Machines Lab en hoofdauteur van de studie.
"Omdat schade nieuwe geleidende sporen creëert die vormverandering kunnen activeren, reageert de composiet uniek op schade."
legde Michael Ford uit, een onderzoeker bij het Soft Machines Lab en hoofdauteur van de studie.
"Omdat schade nieuwe geleidende sporen creëert die vormverandering kunnen activeren, reageert de composiet uniek op schade."
Door de hoge elektrische geleidbaarheid van het materiaal kan de composiet interageren met traditionele elektronica, dynamisch reageren op aanraking en omkeerbaar van vorm veranderen. Het kan worden gebruikt in elke toepassing die rekbare elektronica vereist: gezondheidszorg, kleding, draagbare computers, hulpmiddelen en robots, en ruimtevaart.
Het werk werd gefinancierd door een subsidie van het Office of Army Research.
Nitinol
Nitinol of titaannikkelide - intermetallische verbinding (chemische verbinding van metalen met een vaste verhouding tussen de componenten).
Nitinol in de ruimte
NASA heeft een lange geschiedenis het uitvoeren van materiaalwetenschappelijke en technische experimenten in de ruimte. Veel van deze studies blijven geclassificeerd.
Er is informatie dat NASA nitinol de ruimte in heeft gestuurd voor geheime experimenten. Opkomende informatie geeft aan dat het in gespecialiseerde testkamers is geplaatst tijdens vluchten van spaceshuttles en ruimtestations in de jaren negentig. En in 1990 zelfs op "ons ISS".
De gewichtloosheid en zwaartekrachtvrije omgeving van de ruimte kunnen aanwijzingen hebben gegeven voor de "rare fabricage en verwerking" en hoe en waarom materiaal kan "transformeren".
Het werd ook bekend dat het Wright-Patterson Air Force Research Laboratory (AFRL) ruimtevaartuigcomponenten ontwikkelde die bestonden uit geheugenmetaal (nitinol) en deze unieke morphing-systemen de ruimte in lanceerde. Al tientallen jaren ontwikkelt Wright-Patterson AFRL ruimtevaartuigsystemen op basis van geheugenmetaal.
De basis zelf, die geheugenmetaal van Roswell ontving en onderzocht, heeft de technologie in zijn voordeel gebruikt bij ten minste drie demo-gelegenheden met drie weinig besproken lanceringsruimtevaartuigen:
• MIghtSat/FalconSat is een kleine satelliet ontworpen door AFRL om geavanceerde beeldvorming, communicatie en "buscomponenten" van ruimtevaartuigen in de ruimte te testen, gelanceerd in 2000 voor een missie van twee jaar. Een diepgaand onderzoek van de technische literatuur onthult verwijzingen naar een MightSat die met behulp van geheugenmetaal de ruimte in is gelanceerd. Het apparaat wordt "AFRL Shape Memory Release Device" genoemd en de afkorting is SMARD (of Shape Memory Alloy Release Device).
• In juli 1997 werd Wright's AFRL Lightweight Flexible Solar Array (LFSA) de ruimte in gelanceerd. De technische verwijzing is naar het ontwerp van het "vormgeheugenlegeringsscharnier" en naar AFRL's creatie van een metalen geheugenapparaat met NASA, DARPA en Lockheed Martin. Het bevat hele dunne stukjes nitinol. Deze strips dienden als superflexibele apparaten waarop de bevestigde delen van het schip konden draaien, wiebelen of vergrendelen.
• Lab's huidige missie in de ruimte is een ruimteschip Rozetta. De onderzoekslaboratoria van Wright hebben samen met de European Space Agency gewerkt aan een ruimtevaartuig dat is ontworpen om als eerste in een baan om een komeet te landen. Het "komeet-jagende" schip is uitgerust met een "vormgeheugen-gasontgrendelingsmechanisme", een gespecialiseerde metalen geheugenklep.
Rosetta is een automatisch interplanetair station dat is ontworpen om een komeet te bestuderen. Ontworpen en vervaardigd door de European Space Agency in samenwerking met NASA.
Het ruimtevaartuig werd in maart 2004 gelanceerd naar komeet 67P/Churyumov-Gerasimenko. Als onderdeel van het programma vond op 12 november 2014 's werelds eerste zachte landing van een afdalingsvoertuig op het oppervlak van een komeet plaats.
Het ruimtevaartuig werd in maart 2004 gelanceerd naar komeet 67P/Churyumov-Gerasimenko. Als onderdeel van het programma vond op 12 november 2014 's werelds eerste zachte landing van een afdalingsvoertuig op het oppervlak van een komeet plaats.
Materialen en technologieën van SPF in de luchtvaart
In het verleden hebben vliegtuigen variabele zwaai, intrekbaar landingsgestel, intrekbare kleppen en lamellen en "variabele neuzen" gebruikt.
De terugkeer van ontwerpgedachte naar de principes van vliegtuigbesturing die aan het begin van de luchtvaart werden gebruikt, bevestigt dat alles wat nieuw is, goed vergeten is. Het morfische concept in de moderne luchtvaart gaat terug op de principes van vliegtuigbesturing ontwikkeld door Otto Lilienthal.
Het concept van een flexibele of morfische vleugel is bijvoorbeeld om vele redenen veelbelovend. Vliegtuigsnelheden nemen toe, en dit leidt ertoe dat de aerodynamische belasting van de vleugel toeneemt, en elke naad of uitsteeksel heeft natuurlijk invloed op het brandstofverbruik. De strijd om de "soepelheid" van aerodynamische vormen wordt een dringende taak.
Gerealiseerde en mogelijke toepassingen
Dit is dubbel belangrijk voor het leger - hun morfische aerodynamische oppervlakken trekken aan met het vermogen om het effectieve reflecterende oppervlak van het vliegtuig in het radiobereik te verminderen, het gewicht van mechanische aandrijvingen te verminderen - en daardoor reserves te krijgen om het bereik, de manoeuvreerbaarheid en de overlevingskansen van vliegtuigen te vergroten. het vliegtuig tijdens gevechtsbotsingen.
Meer significante vormveranderingen zijn ook van belang, met name veranderingen in het oppervlak van de vleugel en gecontroleerde welving van het vleugelprofiel.
Dat wil zeggen, we hebben het niet over morphing als een abstracte technologie, maar over constructieve oplossingen met behulp van metamaterialen met voorheen onbereikbare "morfische" eigenschappen.
Ruimtevaartvoertuig van de XNUMXe eeuw
Dit is een vrij oud project, zij het uit de 2001e eeuw. In feite streeft NASA sinds XNUMX naar het creëren van het concept van een transformerend vliegtuig.
Maar op de lange termijn hoopt NASA een transformerend vliegtuig te ontwerpen.
Dit concept, bekend als het "Aerospacecraft of the XNUMXst Century" en soms ook wel het "Morphing Aircraft" genoemd, omvat veel intelligente technologieën die herconfiguratie tijdens de vlucht mogelijk maken om optimale vluchtprestaties te bereiken, en is een voorbeeld van biomimetische technologie.
In dit geval wordt het biologische ontwerp van de vogel nagebootst.
Door het gebruik van intelligente materialen die flexibel zijn en op commando van vorm kunnen veranderen, kan het lucht- en ruimtevaartuig van de XNUMXe eeuw zijn vleugels vormgeven door de uiteinden naar buiten en iets omhoog te steken om het een optimale lift te geven.
Maar na het opstijgen heeft een vliegtuig een vleugel nodig die minder luchtweerstand kan bieden terwijl de lift behouden blijft. Dit is de reden waarom vleugels op een hoogte van meer dan 3000 meter naar binnen klappen en naar achteren draaien om de luchtweerstand te minimaliseren en de vliegsnelheid te verhogen.
Hoewel dit programma nog geen vruchten afwerpt, is het een opwindend voorstel dat een blik in de toekomst werpt.
Tot nu toe worden meer technologisch geavanceerde ideeën voor moderne wetenschap en technologie geïmplementeerd.
Vrachtvliegtuig GIGAbay
Dit is een conceptontwerp dat geavanceerde keramiek, vezels en koolstofnanobuisjes zal gebruiken om een enorme vliegende bovenbouw te creëren.
Het draagvermogen zal zo groot zijn dat het vliegtuig na de landing kan worden omgebouwd tot een mobiele energiecentrale, een waterzuiveringsinstallatie of zelfs een autonoom ziekenhuis van drie verdiepingen.
Om de integriteit van deze "grote structuur" te behouden en geen gemeenschappelijke romp te hebben met constante drukveranderingen erover tijdens de vlucht, kan deze worden uitgerust met een interne actieve AFS onder de romp die de druk verdeelt voor de beste prestaties en schade aan de romp voorkomt. de romp.
De AFS bestaat uit een koolstofvezelstructuur met meerdere mobiele secties met honderden sensoren over de gehele lengte en een elektrisch luchtpompsysteem met twee externe luchtinlaten die lucht onder hoge druk duwen of trekken;
AFS past zijn vorm op deze manier opnieuw aan en het wordt allemaal bestuurd door verschillende computers die de situatie elke milliseconde analyseren.
Vlucht morph
Flight morphing is een voorbeeld van een vaardigheid die veel meer omvat dan alleen de structurele configuraties die dieren zoals vleermuizen, vogels en vlinders de mogelijkheid geven om te vliegen.
Morfvluchten zijn inderdaad een zeer veelzijdige vaardigheid.
De verschillende disciplinaire aspecten van morphing kunnen als volgt worden onderverdeeld:
Afstandsbediening: prikkels voor vormverandering.
De belangrijkste invloed op de mogelijke toepassing en ontwikkeling van "responsieve" materialen is natuurlijk hoe ze in gang kunnen worden gezet. Nogmaals, natuurlijke systemen werken met een beperkt palet aan prikkels.
In de kunstmatige wereld maken de vooruitzichten voor afstandsbediening en integratie met bestaande systemen licht, elektrische en magnetische velden aantrekkelijke kandidaten voor het beheersen van de respons en het vergroten van de mogelijkheid om de natuurlijke grenzen te overschrijden.
Opneembaarheid.
Hydrogels zijn het prototypemateriaal voor een hygroscopische respons die meer dan 1100 keer in grootte verandert wanneer oplosmiddeldeeltjes hun polymeernetwerken volledig binnendringen en uitzetting veroorzaken als gevolg van hydrofiele effecten.
Chemie.
De aanwezigheid van chemicaliën is een alomtegenwoordige natuurlijke trigger, of het nu gaat om een ionenconcentratie, een verandering in pH of de aanwezigheid van een bepaald antigeen. De volumeverandering als gevolg van chemische triggers van hydrogels kan tot 350 keer zijn.
De verwarming.
Temperatuurrespons is misschien wel de bekendste passieve bewegingstrigger in de kunstmatige wereld. Veranderende thermische coëfficiënten zijn gemakkelijk waar te nemen, en stripgebaseerde bimetaalregelsystemen hebben deze benadering sinds de XNUMXe eeuw gevolgd. Veel commerciële kunststoffen, zoals polyesters en polyurethaan, zijn thermoplasten met vormgeheugen vanwege hun verwerkingsgemak. Het gebruik ervan in toepassingen voor het omvormen van post-productie is momenteel echter een noviteit.
Licht.
Het gebruik van elektromagnetisch of stralingsgevoelige materialen opent mogelijkheden voor activering op afstand en geleidelijke stimulatie die compatibel is met bestaande besturingssystemen. Vloeibaar-kristalsystemen staan bekend om hun lichtrespons die de eerder besproken trans-isomeeromschakeling in gang zet. Voor LCE's, polymeersystemen en hydrogels is aangetoond dat de toevoeging van nanodeeltjescomposieten met afgestemde plasmonresonanties de fotorespons verhoogt door verhitting teweeg te brengen.
elektriciteit en magnetisme.
De elektrische impuls van het actiepotentiaal is een belangrijke stimulans voor activering en vorming in de natuurlijke wereld, waar spiercontractie plaatsvindt door ionenkanalen die worden geopend door spanningen in de orde van grootte van 10 mV. Er zijn synthetisch meerdere vormveranderende elektroactieve polymeren bekend, die geen van allen grote winsten in spierinteractie vertonen: inderdaad, veel van hen hebben kilovolts nodig om een matige spiercontractie van 20 procent te evenaren.
Filosofie van morphing
gevoeligheid
Vliegende wezens en machines moeten de toestand van de atmosfeer om hen heen kunnen detecteren of voelen, evenals hun eigen positie en structurele configuratie, om in een bepaalde omgeving te kunnen vliegen.
Voorbeelden van de soorten gegevens die moeten worden verzameld, zijn onder meer luchtsnelheid, hoogte, luchtdruk, positie ten opzichte van andere objecten en de positie en vorm van hun vleugels op een bepaald moment (dit is met name het geval als morphing wordt gebruikt).
Deze mogelijkheid kan zeer gespecialiseerde sensoren in vliegtuigen omvatten, zoals hoeksnelheidsgyroscopen voor het meten van de stand en openingen langs de vleugel voor het meten van de luchtdruk.
Berekening
Sensorische signalen van de ogen, oren, enz., evenals van gespecialiseerde sensorische systemen, moeten worden geïntegreerd en verwerkt in de hersenen van biologische piloten, of als alternatief in de boordcomputer als sensorische systemen van vliegtuigen worden overwogen. De uit te voeren verwerking omvat gespecialiseerde algoritmen voor vluchtstabiliteit, begeleiding, navigatie en besturing.
Vluchtstabiliteit is misschien wel de belangrijkste van deze functies, want zonder stabiliteit is het onmogelijk om in de vlucht te blijven en het gebrek aan stabiliteit tijdens de vlucht kan gemakkelijk tot tragische gevolgen leiden.
In vliegtuigen werken vluchtstabiliteitsalgoritmen met de hoogst mogelijke verwerkingssnelheid en hebben ze de hoogste prioriteit voor processorgebruik.
Navigatie
Hover is een functie die zo nauwkeurig mogelijk bepaalt waar de flyer zich op dat moment bevindt, met name waar hij naartoe moet vliegen.
Bij biologische vliegers zijn deze commando's elektrische impulsen van de hersenen die specifieke spieren en organen stimuleren. In vliegtuigen zijn commando's ook elektrische signalen die elektromotoren activeren of hydraulische bediening activeren.
drives
Morphing flight vereist zeer gespecialiseerde structuren, maar vereist ook gespecialiseerde actuatoren om deze structuren te verplaatsen en te positioneren.
Vlucht morph
Elk van deze "subsystemen" heeft dus gespecialiseerde componenten nodig om hun rol te vervullen bij het bieden van de wonderen van vluchtmorphing.
De manier waarop deze subsystemen op elkaar inwerken is echter net zo belangrijk voor het succes van de transformatie en voor het leveren van een positieve bijdrage aan het vliegvermogen.
Sensorische outputs moeten specifieke informatie leveren om bruikbaar te zijn voor stabiliteit, controle en navigatie, en computercapaciteiten moeten voldoende verwerkingskracht hebben en zodanig "bedraad" zijn dat ze effectief met deze informatie werken.
Evenzo moet de berekeningsfunctie informatie hebben over de configuratie en dynamiek van de actuator om de juiste commandosignalen uit te voeren om het doel van vluchtstabiliteit te bereiken en de gewenste beweging met succes te voltooien.
Dit blokdiagram illustreert de onderlinge relatie en onderlinge afhankelijkheid van de belangrijkste subsystemen die betrokken zijn bij het bereiken van verbeterde vliegprestaties.
Wanneer deze fysieke componenten echter in een systemische context worden beschouwd, worden complexiteitsargumenten naar een geheel nieuw niveau getild.
Het functionele concept van een morfisch systeem dat verschillende klassen van structuren combineert, wordt weergegeven vanuit het oogpunt van technologie.
De hersenen van een vogel moeten voldoende capaciteit hebben om de berekeningen uit te voeren die nodig zijn voor het leven en de dagelijkse activiteiten. En daarnaast moet het vliegtuig ook raketten lanceren, schieten en de levensvatbaarheid van de piloot of bemanning behouden.
Conclusie
Deze discussie laat zien dat het nauwelijks mogelijk is om alle aspecten van het belangrijke interdisciplinaire probleem van vormvervorming in aanmerking te nemen, en nog meer de synergetische uitwerking ervan.
Er is nog een verklaring.
Het bereiken van "vogelvaardigheid" in vliegtuigen, zelfs met aanzienlijke middelen geconcentreerd in een aanzienlijke onderzoeksinspanning, is onmogelijk, aangezien vogels niet alleen het product zijn van ontwerp, maar van een ongelooflijk capabele ontwerper met een ongeëvenaard begrip van de interdisciplinaire aard van het probleem.
(Hoewel een persoon nog gecompliceerder is, is het vermogen van "autonoom vliegen" van nature niet inherent aan hem. We moeten onszelf verzoenen en naar andere kansen zoeken, met behulp van een krachtiger intellect dan de meeste vogels).
(Hoewel een persoon nog gecompliceerder is, is het vermogen van "autonoom vliegen" van nature niet inherent aan hem. We moeten onszelf verzoenen en naar andere kansen zoeken, met behulp van een krachtiger intellect dan de meeste vogels).
Maar het is één ding om de functionaliteit en activeringsmechanismen van synthetische vormveranderende materialen te fantaseren of zelfs te onderzoeken, het is iets anders om onze huidige kennis van zelfvormende materialen te vergelijken met strategieën die in de natuur worden gevonden.
De conclusie is onvermijdelijk: in de nabije toekomst zal er geen enkel materiaal en productiemethode zijn die de volledige zelfvorming van een apparaat of vliegtuig mogelijk zou maken in overeenstemming met de wensen van zelfs zeer charismatische heersers, technische en wetenschappelijke gemeenschappen.
Resultaten van
In tegenstelling tot mensen, "oorspronkelijk niet bedoeld om te vliegen", hebben vogels vanaf hun geboorte hun hele "vliegapparaat" en het bijbehorende ondersteuningssysteem, en bovendien zijn ze genetisch getraind om dit allemaal te gebruiken.
Het realiseren van vogelvervorming in een vliegtuig kan alleen worden bereikt door materialen en systemen te creëren die direct reageren op de gedachte van de piloot.
En wat zijn de gedachten van bijvoorbeeld een piloot, een militair die commentaren schrijft op het VO-forum?
En waar vliegen we heen met zulke gedachten, zelfs met de meest geavanceerde kosmische metamaterialen?
Zo'n symbiose van mens en vliegtuig (ruimtevaartuig) in de nabije toekomst voor de aardse mensheid is onbereikbaar, hoewel er hypothetische prototypen van dit project zijn ...
Maar tot deze mooie tijd kun je de term 'smart metal' beter niet gebruiken.
***
Dit artikel is slechts een inleiding tot een deductief wetenschappelijk onderzoek naar Amerika's best bewaarde geheimen op het gebied van baanbrekende wetenschappelijke ontwikkeling van "slimme" materialen, "erg slim" in vergelijking met al het bovenstaande.
Wat volgt is een verhaal (of liever een onderzoek) van waarom en hoe de fragmenten van "geheugenmetaal" die in 1947 op de crashlocatie van een UFO in Roswell werden gevonden, zowel een conceptuele als een technische impuls werden voor de huidige "vormgeheugenlegeringen" of "transformerende metalen" zoals nitinol.
Wordt vervolgd ...
- Sergej Ivanov ([e-mail beveiligd])
- www.nasa.gov
informatie