Un equipo de ingenieros ha construido y probado un tipo de ala de avión radicalmente nueva, ensamblada a partir de cientos de diminutas piezas idénticas. El ala puede cambiar de forma para controlar el vuelo del avión, y podría proporcionar un aumento significativo en la producción de aeronaves, el vuelo y la eficiencia de mantenimiento, según los investigadores.

El nuevo enfoque de la construcción del ala podría permitir una mayor flexibilidad en el diseño y la fabricación de futuros aviones. El nuevo diseño del ala se probó en un túnel de viento de la NASA.

Alas rígidas y flexibles a la vez

En lugar de requerir superficies móviles separadas, como alerones, para controlar el giro y la inclinación del avión, como hacen las alas convencionales, el nuevo sistema de ensamblaje permite deformar toda la ala, o partes de ella, incorporando una mezcla de rígido y flexible. Los 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, según los investigadores. Debido a que la estructura, compuesta por miles de pequeños triángulos de puntales de cerillas, está compuesta principalmente de espacio vacío, formando 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.

El ensamblaje del ala se ve en construcción, ensamblado a partir de cientos de subunidades idénticas. El ala fue probada en un túnel de viento de la NASA. Crédito: Kenny Cheung, NASA Ames Research Center

Los investigadores explican que para cada una de las fases de vuelo: despegue y aterrizaje, crucero, maniobras, etc., cada uno tiene su propio conjunto de parámetros óptimos de ala, por lo que un ala convencional es necesariamente un compromiso que no está optimizado para ninguno de estos, y por lo tanto, sacrifican 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 y ha diseñado un sistema que responde automáticamente a los cambios en sus condiciones de carga aerodinámica cambiando su forma, una especie de proceso autoajustable o de reconfiguración pasiva del ala.

Los investigadores dijeron en un comunicado:

Podemos ganar eficiencia al hacer coincidir la forma con las cargas en diferentes ángulos de ataque. Podemos producir exactamente el mismo comportamiento que harías activamente, pero lo hicimos de forma pasiva”.

Para propósitos de prueba, esta ala inicial fue ensamblada a mano, pero las versiones futuras podrían ser ensambladas por robots miniatura especializados. Crédito: Kenny Cheung, NASA Ames Research Center

Cuidadoso diseño

Todo esto se logra mediante el diseño cuidadoso de las posiciones relativas de los puntales con diferentes cantidades de flexibilidad o rigidez, diseñados para que el ala, o secciones de ella, se doblen de maneras específicas en respuesta a tipos particulares de tensiones.

Los investigadores demostraron el principio básico subyacente hace unos años, produciendo 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.

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. El diseño y las pruebas del sistema de ensamblaje robótico son el tema de un próximo artículo, dicen los investigadores.

Representación artística muestra aeronaves de cuerpo de ala integradas, habilitadas por el nuevo método de construcción ensamblado por un grupo de robots especializados, que se muestran en naranja. Crédito: Eli Gershenfeld, NASA Ames Research Center

La celosía resultante, dice, 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.

Los investigadores dijeron:

Tienen la misma rigidez, pero la nuestra tiene menos de aproximadamente una milésima parte de la densidad”.

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. Pero las inversiones masivas en diseño, herramientas y procesos de producción hacen que sea más fácil quedarse con configuraciones establecidas hace mucho tiempo.

El estudio científico ha sido publicado en Smart Materials and Structures.