Na letošním Mezinárodním strojírenském veletrhu v Brně představí odborníci z Fakulty strojního inženýrství VUT nový exponát – morfovatelný segment křídla s využitím metamateriálů. Jde o výsledek mezinárodního projektu BAANG, na němž VUT spolupracovalo s trojicí špičkových evropských univerzit: TU Wien, TU Delft a Imperial College. Prototyp ukazuje možnosti odlehčení struktury a zlepšení letových vlastností křídla za využití inspirace přírodou, konkrétně světem ptáků.

Morfování znamená schopnost křídla měnit svůj tvar v závislosti na letovém režimu tak, aby dosahovalo optimální výkonnosti. Běžně se k tomu využívají pohyblivé řídicí plochy – například křidélka nebo klapky. Nový přístup založený na metamateriálových strukturách umožňuje plynulou změnu tvaru křídla bez klasických závěsů.

Demonstrátor ukazuje dva odlišné způsoby aplikace metamateriálů – na náběžné i odtokové hraně křídla. Tyto struktury jsou navrženy tak, aby byly flexibilní v požadovaném směru, ale zároveň dostatečně tuhé, aby přenesly vztlak, který drží letadlo ve vzduchu. Řešení na odtokové hraně bylo vytvořeno metodou multidisciplinární návrhové optimalizace, což znamená, že se do řešení musely promítnout poznatky hned několika technických oborů.

Vývoj nebyl jednoduchý. „Výzev bylo několik, ať už z technického pohledu, nebo z pohledu managementu,“ vzpomíná výzkumník Jan Navrátil z Leteckého ústavu FSI, který měl na starosti organizaci práce, která probíhala doslova napříč Evropou. „Z prototypu se nakonec stal finální kus, naštěstí celkově povedený. Velkou výzvou byla zejména odtoková hrana, kde jsme potřebovali navrhnout a optimalizovat morfovatelný kloub pomocí multidisciplinární optimalizace,“ dodává.

Podobnou zkušenost popisuje i další odborník na letectví, Pavel Zikmund: „Rozhodně největší výzvou byl návrh. Samotná výroba už probíhala vcelku běžnými modelářskými a inženýrskými technikami, ale návrh byl velmi komplexní a zabral nám mnohem déle, než jsme čekali.“

Na projektu se kromě Leteckého ústavu podílely také další ústavy Fakulty strojního inženýrství VUT – konkrétně Ústav konstruování, Ústav automatizace a informatiky a Ústav mechaniky těles, mechatroniky a biomechaniky. „Na samotném návrhu demonstrátoru se pak podíleli i zahraniční partneři, zejména Michael Kofler z TU Wien na optimalizaci a také Erik-Jan Van Kampen z TU Delft v roli supervizora,“ doplňuje Zikmund.

Spolupráce otevírá obzory

Plynulé morfování křídla přináší možnost snížit aerodynamický odpor a tím i spotřebu paliva. „Zlepšení jsou řádově do tří procent, což se nezdá mnoho, ale například z pohledu flotily letadel, každé procento znamená významnou úsporu,“ vysvětluje Navrátil.

Zároveň technologie nabízí potenciál i mimo oblast letectví. Morfovatelné komponenty by mohly najít využití například u satelitů nebo jiných vesmírných aplikací, kde je potřeba kombinovat pevnost a flexibilitu při co nejnižší hmotnosti.

Demonstrátor byl navržen zejména s ohledem na drony, ale jeho principy lze v budoucnu adaptovat i na jiné typy letadel. „Pro laiky bude na našem demonstrátoru asi nejzajímavější už samotné seznámit s metamateriály a jejich využitím. Jednoduchou mřížkou vytištěnou na 3D tiskárně jsme vlastně nahradili několik částí konstrukce a tím jsme křídlo odlehčili i zjednodušili,“ popisuje Zikmund. A druhým dechem dodává, že demonstrátor je skutečně jen ukázkový prototyp a k reálnému využití v letectví by vedla ještě dlouhá cesta. „Zatím jsme neřešili například únavu materiálu, což je v letectví naprosto kritické. Proto je využití u dopravních letadel zatím vzdálené. Ale u dronů by se technologie mohla teoreticky uplatnit relativně brzy,“ dodává.

Metamateriál je uměle vytvořený materiál s vlastnostmi, které se v přírodě běžně nevyskytují. Takový materiál vzniká v laboratoři a unikátní elektrické, magnetické, optické či mechanické vlastnosti získává díky speciální vnitřní struktuře.

Pro oba výzkumníky byla největším přínosem mezinárodní a mezioborová spolupráce, což byl i jeden z hlavních cílů celého projektu. „Nejzajímavější byla interakce s odborníky z jiných oborů, kteří do problému vnášejí svůj pohled. Otevřelo nám to oči,“ říká Navrátil. Podle Zikmunda navíc projekt ukázal, že klíčem k úspěchu není jen technické řešení, ale i schopnost efektivní spolupráce. Do výzkumu se zapojili odborníci na letectví, mechatroniku, mechaniku materiálů, aditivní technologie i inteligentních materiály. Šest studentů doktorského studia a tři asistenti z VUT dostali šanci nastartovat svoji vědeckou kariéru půlroční stáží na jedné ze zmíněných prestižních univerzit.

Více o projektu na baang.eu

Projekt je financován Evropskou unií v rámci programu Horizont Evropa, reg. č. 101079091.