NASAとMITのエンジニアが形状変化ポリマー翼を開発、より軽量で効率的な航空機へ

NASAエイムズ研究センター（カリフォルニア州マウンテンビュー）とマサチューセッツ工科大学（MIT、マサチューセッツ州ケンブリッジ）のエンジニアチームが、数百個の微小な同一ポリマー部品で構成される格子から組み立てられた飛行機の翼を構築し、試験しました。この翼は形状を変化させて飛行機の飛行を制御できると報告されています。

風洞試験と論文発表

この翼の設計はNASAの風洞で試験され、研究成果は学術誌『Smart Materials and Structures』に掲載された論文で詳述されています。共著者はNASAエイムズの研究エンジニア、ニコラス・クレーマー；NASAエイムズのエンジニアでMIT卒業生のケネス・チュン；MIT大学院生のベンジャミン・ジェネットら8名です。

従来の翼とは異なる制御方式

従来の翼では、エルロンなどの別個の可動面を必要としてロールとピッチを制御しますが、この新しい組み立てシステムでは、剛性と柔軟性の部材を構造に組み込むことで、翼全体または一部を変形させることが可能です。ボルトで連結された微小なサブアセンブリが開いた軽量な格子フレームワークを形成し、その上をフレームワークと同種の薄いポリマー層で覆っています。

軽量化とエネルギー効率の向上

研究者らによれば、この翼は金属製や複合材製の従来設計よりも軽量で、したがってエネルギー効率に優れています。マッチ棒のような支柱で構成される数千個の微小三角形からなる構造は、大部分が空隙であるため、ゴムのようなポリマーの構造的剛性とエアロゲルの極めて軽量で低密度な特性を兼ね備えた機械的「メタマテリアル」を形成しています。

飛行フェーズごとの最適形状へ自動適応

ジェネット氏は、飛行の各フェーズごとに異なる最適な翼パラメータセットが存在し、各段階で最良の構成をより良く近似できると説明します。このシステムは、空力負荷条件の変化に応じて特定の方法で形状を変化させ、自動的に対応するように設計されています。

実用サイズへのスケールアップと自動組み立て

数年前、チュン氏らによって1メートル長のデモンストレーター翼が作成されました。新バージョンは約5倍の長さで、実物大の単座機の翼と同程度のサイズであり、自律組み立てロボットによって容易に組み立てられるよう設計されています。ロボット組み立てシステムの設計と試験は、今後発表予定の論文で扱われる予定です。

製造プロセスの革新：射出成形で17秒/部品

前回の翼ではウォータージェットで部品を切り出し、1部品あたり数分を要していました。新システムでは、複雑な3D金型を用いたポリエチレン樹脂の射出成形により、各部品（マッチ棒サイズの支柱で縁を構成する中空立方体）をわずか17秒で製造可能となり、スケーラブルな生産レベルに大きく近づきました。

「これで製造方法が確立された」とジェネット氏は語ります。「初期の工具投資は必要だが、一度それを済ませれば『部品は安価だ』と。同じ部品が箱いっぱいにある」と述べています。

驚異的な低密度と同等の剛性

その結果得られる格子の密度は5.6kg/m³です。比較として、ゴムの密度は約1,500kg/m³です。「剛性は同等だが、密度はおよそ1000分の1以下だ」とジェネット氏は強調します。

設計の自由度と多用途展開

微小サブユニットから全体構成を構築するため、翼の伝統的形状からの変更も容易です。ジェネット氏によれば、胴体と翼を一体化した構造が多くの用途でより効率的であることが研究で示されており、このシステムならそれらを容易に構築、試験、改修、再試験できます。

同じシステムは風力タービンの翼状ブレードなど他の構造物にも応用可能です。現地組み立てが可能になれば、ますます長大化するブレードの輸送問題を解決できます。類似の組み立て技術は宇宙構造物の建設にも開発されており、将来的には橋梁や他の高性能構造物への利用も期待されています。

共同研究体制と資金源

研究チームにはコーネル大学、カリフォルニア大学バークレー校、カリフォルニア大学サンタクルーズ校、NASAラングレー研究センター、リトアニアのカウナス工科大学、カリフォルニア州モフェットフィールドのQualified Technical Services Inc.の研究者が参加しています。研究資金はNASA ARMD収斂航空ソリューションプログラム（MADCATプロジェクト）とMITビッツ・アンド・アトムズセンターによって提供されました。