用这种神奇的记忆金属做变形机翼,航空母舰上能容纳更多战斗机

  • 日期:08-20
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人类可能对许多问题有不同的看法,但大多数人都认为由变形金属制成的飞机机翼非常酷。机翼非常脆弱,几何特征几乎影响飞行的各个方面。使用在半空中改变形状的金属制造机翼可以使您的旅程更加平稳,安全和高效。

变形的翼不是新的。

,副翼,扰流板,升降舵和方向舵实现相同的效果。肯定更好。

“传统飞机有许多活动部件,”美国宇航局格伦研究中心的工程师奥斯曼本纳凡说。那些活动部件是必不可少的,飞行员依靠它们飞行,减少干扰,起飞,着陆,基本上一切都取决于它们除了滑行。但是,执行器,电缆,发动机,润滑剂,液压传动装置以及移动这些部件所需的其他部件会占用重量和空间,而对于任何飞机而言,重量和空间都是宝贵的资源。

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另一种方法是使用变形金属来移动那些机翼部件。变形金属也被工程师称为形状记忆合金。

“用形状记忆合金制造的零件通常是传统零件尺寸和重量的10%到20%,”波音公司的形状记忆合金专家Jim Mabe说。对于去年石油成本达到1330亿美元的航空业来说,任何更小更轻的东西都是令人振奋的消息。

形状记忆合金就像可逆玻璃冰。当加热到一定温度时,它们会收缩,扭曲和弯曲。一旦冷却,它们将恢复到原始状态。加热,冷却和加热,形状记忆合金可以来回循环数百万次而不会磨损。所有需要做的就是从飞机的某些其他热部件(例如发动机)产生热量或提取热量。

件。

什么是形状记忆合金

形状记忆合金诞生于航空航天工业,但最初并非为飞机开发。

1959年,研究员威廉比勒(William Buehler)研究了美国海军Ordnance1实验室能够承受极端温度和压力的洲际弹道导弹弹头材料。 Biller发明了一种镍钛合金,它不仅耐用且耐疲劳,而且在高温下也具有极强的延展性。他故意让散装的镍钛合金掉落,听听落在地上的声音,并发现了这种合金最惊人的特性。

下面。令所有人惊讶的是,它完全展开,表明加热的镍钛诺分子不仅会升温而且会完全改变分子键的方向。这些合金可以是定相的,但不是从固体到液体。它们从一个固相转变为另一个固相,就像冰变成另一个冰。

从那时起,工程师一直非常擅长训练形状记忆结构,以便在精确温度下进行可预测的变化。他们发明了各种形状记忆材料,甚至一些塑料。然而,最初由Biller发明的镍钛形状记忆合金(称为“Nitinol”)仍然非常受欢迎。今天的大部分材料创新都集中在提高镍钛诺的抗疲劳性和改变Ni-Ti比重,以更好地控制该合金的温度响应范围。

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这个原型机翼使用形状记忆合金来改变机翼的外倾角,或机翼顶部和底部之间的相对曲率。

例如,Benafan生产了长空心镍钛诺管来代替机翼各种运动部件的铰链。他正在测试小翼上的镍钛诺管。 Benafan说,这些执行器应该能够将136千克的小翼向上或向下旋转180度,当飞机遇到气流时,为飞行员提供另一个平滑的工具。今年10月,Benafan开始将他的形状记忆管安装到空心F/A-18喷气式战斗机机翼中,这是对镍钛合金机翼在各种飞行环境中的表现的长期测试。一部分。

应用范围不仅仅是机翼。几年前,Meb及其同事发明了一种降低涡轮发动机噪音的系统,称为“可变几何V形”,其基本上包括围绕发动机排气口的大量额外整流罩。整流罩形状呈锯齿状,如卡通人物Charlie Brown(Charlie形状记忆合金固定。加热时,形状记忆合金会弯曲,这些V的末端将延伸到排气流中,加入适量的热空气减少噪音的湍流。“形状记忆合金的温度越高,弯曲程度越大,因此在不同的飞行环境中,我们可以使V具有不同的弯曲度。”

噪音是一个特别恼人的航空问题,特别是对于超音速飞行。德克萨斯A&M大学的航空工程师Darren Hartl说:“超音速飞行的飞机表面会产生冲击波。”冲击波开始从鼻子出现,并且飞机表面的任何断裂将再次发生。大量的冲击波最初是分开的,但在扩散到地面的过程中逐渐融合。结合所有这些冲击波的能量是音爆。

飞机工程师试图设计最小化音爆的超音速飞机,但由于温度,湿度和大气压力的变化,冲击波的性能发生了变化,因此没有一种通用的解决方案。形状记忆合金允许工程师设计具有根据环境因素而变化的轮廓的飞行器,在冲击波之间增加毫秒。 “没有音爆,只有一些轻微的声音,”哈特尔说。

是的,传统的执行器可以达到同样的效果,但它们太麻烦,弊大于利。 “关于形状记忆合金,要记住的一点是它们具有所有执行器的最高单位体积工作密度,”Hartle说。形状记忆合金在每单位重量可达到的功率方面是无与伦比的。

冷热

既然如此,是什么阻止这些神奇的材料改革航空业,或重振超音速客机?你猜对了:政府的阴谋。

开玩笑。航空管理机构对飞机制造有严格的要求,从而创造了近乎完美的航空安全记录,但也导致变化非常缓慢。直到最近,航空监管机构还没有认证形状记忆合金。但几年前,Meb和Hartle组织了一组来自NASA,军队,学术界和商界的形状记忆材料爱好者。他们为形状记忆合金的每个可能方面设定了测试标准,并于今年获得批准。

当然,技术挑战仍然存在,主要是温度。形状记忆合金的温度范围相对有限,但飞行环境复杂多变。 件下将形状记忆合金保持在合适温度的方法。

另一个与温度有关的问题是控制形状记忆合金的加热和冷却所需的时间。想想你的家用金属锅加热和冷却需要多长时间。 “这应该能让你直观地了解问题的难度,”哈特尔说。除非工程师解决了这个热力学问题,否则形状记忆合金不能用于主控制系统。在诸如起飞和着陆的复杂飞行操作期间,飞行员依靠主控制系统进行即时反馈。

件改变机翼的形状以减少阻力,以及用于其他二次控制。哈特尔和其他专家认为,通过相关机构的合规审查,第一批形状记忆合金控制将在十年内用于真实飞机。当然,形状记忆合金可能永远不会使飞机成为变形器,为人类的命运而战。但人类已经面临许多非机器人的挑战,拥有更小更轻的机翼是件好事。不要满足。

译文:于波

有线

创建:一个发现创造力的剧院式离线语音平台

本文为第一作者的原创,未经授权不得转载

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人类可能对许多问题有不同的看法,但大多数人都认为由变形金属制成的飞机机翼非常酷。机翼非常脆弱,几何特征几乎影响飞行的各个方面。使用在半空中改变形状的金属制造机翼可以使您的旅程更加平稳,安全和高效。

变形的翼不是新的。

,副翼,扰流板,升降舵和方向舵实现相同的效果。肯定更好。

“传统飞机有许多活动部件,”美国宇航局格伦研究中心的工程师奥斯曼本纳凡说。那些活动部件是必不可少的,飞行员依靠它们飞行,减少干扰,起飞,着陆,基本上一切都取决于它们除了滑行。但是,执行器,电缆,发动机,润滑剂,液压传动装置以及移动这些部件所需的其他部件会占用重量和空间,而对于任何飞机而言,重量和空间都是宝贵的资源。

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另一种方法是使用变形金属来移动那些机翼部件。变形金属也被工程师称为形状记忆合金。

“用形状记忆合金制造的零件通常是传统零件尺寸和重量的10%到20%,”波音公司的形状记忆合金专家Jim Mabe说。对于去年石油成本达到1330亿美元的航空业来说,任何更小更轻的东西都是令人振奋的消息。

形状记忆合金就像可逆玻璃冰。当加热到一定温度时,它们会收缩,扭曲和弯曲。一旦冷却,它们将恢复到原始状态。加热,冷却和加热,形状记忆合金可以来回循环数百万次而不会磨损。所有需要做的就是从飞机的某些其他热部件(例如发动机)产生热量或提取热量。

件。

什么是形状记忆合金

形状记忆合金诞生于航空航天工业,但最初并非为飞机开发。

1959年,研究员威廉比勒(William Buehler)研究了美国海军Ordnance1实验室能够承受极端温度和压力的洲际弹道导弹弹头材料。 Biller发明了一种镍钛合金,它不仅耐用且耐疲劳,而且在高温下也具有极强的延展性。他故意让散装的镍钛合金掉落,听听落在地上的声音,并发现了这种合金最惊人的特性。

下面。令所有人惊讶的是,它完全展开,表明加热的镍钛诺分子不仅会升温而且会完全改变分子键的方向。这些合金可以是定相的,但不是从固体到液体。它们从一个固相转变为另一个固相,就像冰变成另一个冰。

从那时起,工程师一直非常擅长训练形状记忆结构,以便在精确温度下进行可预测的变化。他们发明了各种形状记忆材料,甚至一些塑料。然而,最初由Biller发明的镍钛形状记忆合金(称为“Nitinol”)仍然非常受欢迎。今天的大部分材料创新都集中在提高镍钛诺的抗疲劳性和改变Ni-Ti比重,以更好地控制该合金的温度响应范围。

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这个原型机翼使用形状记忆合金来改变机翼的外倾角,或机翼顶部和底部之间的相对曲率。

例如,Benafan生产了长空心镍钛诺管来代替机翼各种运动部件的铰链。他正在测试小翼上的镍钛诺管。 Benafan说,这些执行器应该能够将136千克的小翼向上或向下旋转180度,当飞机遇到气流时,为飞行员提供另一个平滑的工具。今年10月,Benafan开始将他的形状记忆管安装到空心F/A-18喷气式战斗机机翼中,这是对镍钛合金机翼在各种飞行环境中的表现的长期测试。一部分。

应用范围不仅仅是机翼。几年前,Meb及其同事发明了一种降低涡轮发动机噪音的系统,称为“可变几何V形”,其基本上包括围绕发动机排气口的大量额外整流罩。整流罩形状呈锯齿状,如卡通人物Charlie Brown(Charlie形状记忆合金固定。加热时,形状记忆合金会弯曲,这些V的末端将延伸到排气流中,加入适量的热空气减少噪音的湍流。“形状记忆合金的温度越高,弯曲程度越大,因此在不同的飞行环境中,我们可以使V具有不同的弯曲度。”

噪音是一个特别恼人的航空问题,特别是对于超音速飞行。德克萨斯A&M大学的航空工程师Darren Hartl说:“超音速飞行的飞机表面会产生冲击波。”冲击波开始从鼻子出现,并且飞机表面的任何断裂将再次发生。大量的冲击波最初是分开的,但在扩散到地面的过程中逐渐融合。结合所有这些冲击波的能量是音爆。

飞机工程师试图设计最小化音爆的超音速飞机,但由于温度,湿度和大气压力的变化,冲击波的性能发生了变化,因此没有一种通用的解决方案。形状记忆合金允许工程师设计具有根据环境因素而变化的轮廓的飞行器,在冲击波之间增加毫秒。 “没有音爆,只有一些轻微的声音,”哈特尔说。

是的,传统的执行器可以达到同样的效果,但它们太麻烦,弊大于利。 “关于形状记忆合金,要记住的一点是它们具有所有执行器的最高单位体积工作密度,”Hartle说。形状记忆合金在每单位重量可达到的功率方面是无与伦比的。

冷热

既然如此,是什么阻止这些神奇的材料改革航空业,或重振超音速客机?你猜对了:政府的阴谋。

开玩笑。航空管理机构对飞机制造有严格的要求,从而创造了近乎完美的航空安全记录,但也导致变化非常缓慢。直到最近,航空监管机构还没有认证形状记忆合金。但几年前,Meb和Hartle组织了一组来自NASA,军队,学术界和商界的形状记忆材料爱好者。他们为形状记忆合金的每个可能方面设定了测试标准,并于今年获得批准。

当然,技术挑战仍然存在,主要是温度。形状记忆合金的温度范围相对有限,但飞行环境复杂多变。 件下将形状记忆合金保持在合适温度的方法。

另一个与温度有关的问题是控制形状记忆合金的加热和冷却所需的时间。想想你的家用金属锅加热和冷却需要多长时间。 “这应该能让你直观地了解问题的难度,”哈特尔说。除非工程师解决了这个热力学问题,否则形状记忆合金不能用于主控制系统。在诸如起飞和着陆的复杂飞行操作期间,飞行员依靠主控制系统进行即时反馈。

件改变机翼的形状以减少阻力,以及用于其他二次控制。哈特尔和其他专家认为,通过相关机构的合规审查,第一批形状记忆合金控制将在十年内用于真实飞机。当然,形状记忆合金可能永远不会使飞机成为变形器,为人类的命运而战。但人类已经面临许多非机器人的挑战,拥有更小更轻的机翼是件好事。不要满足。

译文:于波

有线

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本文为第一作者的原创,未经授权不得转载