هواپیمای بال متغیر ناسا و ام آی تی؛ انقلابی دیگر در عرصه هوانوردی

علم هوانوردی سرشار از شگفتی‌ها و طرح‌های نوآورانه‌ای است که می‌توانند انقلابی در این عرصه به پا کنند. یکی از جدیدترین طرح‌های ارائه شده هواپیمای بال متغیر ناسا و ام آی تی است که می‌تواند حین پرواز شکل و ساختار بال خود را عوض کند.

هواپیماها بال‌های مختلفی با پیکربندی و اشکال گوناگونی دارند و بسته به سرعت، ارتفاع پروازی و نوع ماموریت هواگرد، نوع بال انتخاب تا بیشترین بهره‌وری بدست آید. حال چه می‌شود اگر بالی با قابلیت تغییر شکل داشته باشیم تا بدین ترتیب هواگرد بتواند در هر سرعت و ارتفاعی، بهینه‌ترین فرم بال را داشته و ماموریت خود را به بهترین شکل انجام دهد. هواپیمای بال متغیر ناسا و دانشگاه ام آی تی راهکاری برای دستیابی به این قابلیت است تا هواپیما بتواند بال خود را بسته به شرایط پروازی خود تغییر دهد.

آزمایش پیش نمونه F-14 با بال‌هایی در حالت مختلف

در همین ابتدا یادآوری کنیم که بال متغیری که در اینجا مورد بحث است با بال متغیری که در آن زاویه بال‌ها تغییر می‌کند فرق دارد. برای مثال در هواپیمایی همچون F-14 تامکت بال‌ها با توجه به سرعت پرواز، زاویه خود را تغییر می‌دهند ولی شکلشان ثابت است، اما در موضوع مورد بحث شکل ظاهری و ساختار فیزیکی بال تغییر می‌کند.

XB-70 با بال‌های رو به پایین

و اما به موضوع اصلی یعنی هواپیمای بال متغیر ناسا و ام آی تی بازگردیم. ایده ساخت هواپیماهایی با بال‌های تغییر شکل دهنده چند سالی است که مطرح شده و ناسا اولین هواپیمایی که توان تغییر شکل بال را داشت در سال ۲۰۱۵ آزمایش کرد که البته طرز کار آن با طرح فعلی تفاوت دارد و شباهت‌هایی به مکانیزم تغییر حالت بال بمب افکن راهبری فراصوت XB-70 ولکری داشت که در اوایل دهه ۱۹۶۰ توسط کمپانی هوافضای آمریکایی North American ساخته شد؛ منتها با این تفاوت که هواپیمای ناسا در بال خود مواد منعطف داشت و خبری از مفصل نبود، اما در ولکری بال از مواد خشک ساخته شده بود و برای تغییر حالت مفصل داشت. ناگفته نماند در همان موقع (حدود ۲۰۱۴) کمپانی‌های هوافضای و دفاعی آمریکایی همچون لاکهید مارتین نیز به طرح هواپیمایی با قابلیت تغییر شکل بال اشاره‌هایی داشتند، با این حال تاکنون هواپیمایی با این قابلیت از سوی آن‌ها معرفی نشده است.

و اما ناسا که با ساخت چنین هواپیماهایی غریبه نیست، دست در دست دانشگاهی که نامش مترادف نوآوری و فناوری شده است، مشغول ساخت هواپیمایی جدید هستند که می‌توان شکل فیزیکی بال خود را تغییر دهد. برای دستیابی به چنین قابلیتی، سازندگان بال‌هایی می‌سازند که از صدها و یا هزاران قطعه مشابه تشکیل شده و با جابه‌جا کردن این بخش‌ها و تغییر چگونگی چینش آن‌ها، می‌توان در هر لحظه از پرواز به صورت خودکار ایده‌آل ترین شکل بال را داشت. همچنین از این فناوری علاوه بر هواپیماهای نیروی هوایی آمریکا و البته نیروی دریایی این کشور و یا هواپیماهای غیرنظامی، می‌توان در ساخت تجهیزات دیگر همچون پره‌های توربین بادی نیز استفاده کرد تا بسته به شدت و جهت باد، بهینه ترین شکل ممکن را به خود بگیرند.

محققان ناسا و ام آی تی در طرح خود برای ساخت سطح بال مجموعه‌ای از سازه‌های توخالی از جنس رزین پلی اتیلین با پوششی از مواد پلیمری استفاده کرده‌اند که روش قالب‌گیری تزریقی ساخته شده‌اند. بدین ترتیب این بال نه تنها بسیار سبک وزن است، بلکه انعطاف پذیر نیز بوده و می‌تواند هنگام پرواز شکل خود را عوض کند. در این سازه با اعمال خمش به نقاط خاصی از بال، می‌توان آن را منعطف کرد و سبب شد تا بال بسته به شرایط جریان هوا، به صورت خودکار تغییر شکل داده و بهینه‌ترین حالت آیرودینامیکی را برای مراحل مختلف پرواز همچون برخاستن و پیمایش افقی را به خود بگیرد.

به گفته محققان ناسا با این روش می‌توان بهینه‌ترین حالت بال نسبت به بارگزاری را در زوایای مختلف حمله را داشت. همچنین می‌توان بهترین فرم بال که برای انجام ماموریت هواگرد در آن بازه زمانی مورد نیاز است دست یافت تا هواپیما ماموریت خود را به بهترین شکل انجام دهد. همچنین می‌توان اجزای متحرک همچون شهپر و برآافزا را از بال حذف و یک بال تمام تغییر شکل دهنده داشت که تماما متحرک باشد و هنگام چرخیدن هواپیما به جای تکان دادن بخش‌های متحرک، کل بال تحرک یابد و هواپیما بتواند مسیر خود را در هوا عوض کرده و مانور دهد.

نمونه دست‌ساز که ساختار بال پرنده داشته و هر بال آن از ۲۰۰۰ قطعه تشکیل شده است

نمونه‌های دست ساز این بال‌ها در تونل‌های باد آزمایشی ناسا واقع در مرکز تحقیقاتی لنگلی (در ایالت ویرجینیا) مورد آزمایش و بررسی قرار گرفته و ساخت نمونه بزرگ و واقعی آن نیز به صورت مکانیزه توسط ربات‌های صنعتی انجام خواهد شد. با توجه به اینکه هواپیمای بال متغیر ناسا و ام آی تی دارای بالی ماژولار بوده و قطعات تشکیل دهنده آن ارزان قیمت هستند، پس ساخت آن کم هزینه و آسان است و می‌توان هواپیماهایی با ظاهر غیرمرسوم و البته بسیار بهینه با آیرودینامیک بسیار بالا ساخت. دستیابی به بهینه‌ترین حالت بال سبب می‌شود تا سوخت کمتری مصرف و برد هواپیما افزایش یابد. ضمن اینکه می‌تواند مزایای دیگری همچون کاهش سطح مقطع راداری، افزایش سرعت و مانوردهی و همچنین افزایش توان حمل بار نیز داشته باشد.

نمونه آزمایشی هواپیمای بال متغیر ناسا که در سال ۲۰۱۵ پرواز کرد؛ انتهای بال‌ها منعطف بوده و به سمت بالا مایل شده است.

در همین حال استفاده از مواد منعطف در ساختار بال هواپیماها مشابه نمونه آزمایشی هواپیمای بال متغیر ناسا که در سال ۲۰۱۵ آزمایش شد نیز در حال مرسوم شدن است. در این روش انتهای بال هواپیما که پیشتر از مواد سخت ساخته می‌شد، از مواد منعطف فاقد مفصل ساخته که سبب به افزایش اعتمادپذیری و طول عمر سازه می‌شود؛ زیرا فشار وارده را در تمام سطح به طور یکسان پخش می‌کند.