211service.com
Hybrid Wing använder hälften av bränslet från ett standardflygplan
Flygingenjörer har länge vetat att om man kastar bort en konventionell rörformad flygkropp till förmån för en manta-ray-liknande hybridvinge, kan det dramatiskt minska bränsleförbrukningen. Ett team på NASA har nu demonstrerat en tillverkningsmetod som lovar att göra designen praktisk.
Höfta: NASA har byggt en fjärrstyrd prototyp av sin hybridvingdesign.
I kombination med en extremt effektiv motortyp, kallad en motor med ultrahögt bypass-förhållande, kunde hybridvingdesignen använda hälften så mycket bränsle som konventionella flygplan. Även om det kan ta 20 år för tekniken att komma ut på marknaden, kan tillverkningsmetoden som utvecklats vid NASA hjälpa till att förbättra konventionella kommersiella flygplan inom de kommande åtta till 10 åren, uppskattar Fay Collier, en NASA-programledare.
Tillverkningstekniken sänker vikten av strukturella komponenter i ett flygplan med 25 procent, vilket kan minska bränsleförbrukningen avsevärt. Framstegen är kulmen på en treårig, 300 miljoner dollar insats av NASA och partners inklusive Pratt & Whitney och Boeing.
Det finns två viktiga utmaningar med designen av flygande vingar. En är hur man styr ett sådant plan i låga hastigheter. NASA tog tidigare upp detta genom att bygga ett sex meter brett fjärrstyrt testflygplan (X-48B) för att demonstrera sätt att styra hybridvingar. Baserat på dessa tester och vindtunneltester byggde NASA ett större fjärrstyrt flygplan som startade testflygningar förra året.
Den andra utmaningen är att bygga en fullskalig version av flygplanet med tryckkabiner som är strukturellt sunda. En anledning till att rörformade flygplan har bestått är att det är relativt enkelt att bygga ett rör som kan motstå krafterna som verkar på det utifrån under flygningen samtidigt som kabintrycket bibehålls. Hybridvingdesignen innefattar en plattare, lådliknande flygkropp som smälter samman med vingarna. Den plattare strukturen, som inkluderar några nästan räta vinklar, är mycket svårare att bygga på ett sätt som är tillräckligt starkt och tillräckligt lätt för att vara praktiskt.
NASAs tillverkningsprocess börjar med förformade kolkompositstavar. Stavarna är täckta med kolfibertyg och sydda på plats. Tyget sys sedan över skumremsor för att skapa tvärbalkar. Tyget är impregnerat med en epoxi för att skapa en styv kompositstruktur.
Delar av ett flygkropp byggt med tekniken testades och visades stå emot de krafter som skulle appliceras på ett färdigt flygplan. Tester visade också att när tillräckligt tryck applicerades för att få delarna att misslyckas, stoppade sömmen som användes för att få strukturen att spricka från att spridas - en nyckel till att undvika katastrofala misslyckanden under flygning.
Forskarna bygger nu en 30 fot bred, tvånivås trycksatt struktur som kommer att användas i ett försök att validera tillverkningsmetoden. Den strukturen beräknas vara klar 2015.
För att uppnå en 50-procentig minskning av bränsleförbrukningen måste hybridvingarnas design ha en avancerad motordesign. Collier säger att motorer med ultrahög bypass är en bra matchning. I en ultrahög bypass-konstruktion är den främre fläkten på motorn mycket större än kärnan i motorn, där luft komprimeras och förbränning sker. Så stora fläktar kan vara svåra att montera under vingen, eftersom motorer är monterade i de flesta konventionella flygplan. Hybridvingdesignen innebär att motorerna monteras ovanpå planet, snarare än under vingarna. (Den toppmonterade designen minskar också ljudnivån.)
NASA har hjälpt Pratt & Whitney att utveckla prototyper av ultrahöga bypass-motorer, som kommer att användas för första gången nästa år, med start på Bombardiers C-Series-flygplan. NASA optimerar motorerna ytterligare för att dra fördel av toppmonteringsdesignen i det hybridvingade flygplanet.