Lentokone matkii lintuja ja joulukoristeita

Tulevaisuudessa lentokoneen siivet voivat olla kevyitä kuin höyhen, lujia kuin metalli ja taipuisia kuin kumi – eikä niissä juuri ole mekaanisia osia. Siiven rakenne muistuttaa himmeliä, ja sen liike tuo mieleen räpyttelyn.

Tulevaisuudessa lentokoneen siivet voivat olla kevyitä kuin höyhen, lujia kuin metalli ja taipuisia kuin kumi – eikä niissä juuri ole mekaanisia osia. Siiven rakenne muistuttaa himmeliä, ja sen liike tuo mieleen räpyttelyn.

Jos Nasan tutkijoiden suunnitelmat toteutuvat, tulevaisuudessa lentokoneen ikkunasta voi avautua uusia näkymiä.

Kun kone alkaa laskeutua, siipien kärjet nousevat ja laskevat koneen liikkeiden tahdissa, ja koko siipi taipuu ilmavirtojen mukaan niin, että näyttää siltä kuin kone räpyttelisi siipiään.

Muotoaan muuttavia lentokoneen siipiä suunnittelee tutkimusryhmä, jossa on tutkijoita Nasan lisäksi muun muassa Massachusettsin teknillisestä korkeakoulusta MIT:stä.

Se on jo testannut uudentyyppisen siiven prototyyppiä, joka joustaa ja taipuu lähes kokonaan ilman mekaanisia osia tai moottoreita.

Huippuaerodynaamisia räpytteleviä siipiä käytetään todennäköisesti ensimmäisenä robottilennokeissa ja pienkoneissa.

Kauempana tulevaisuudessa häämöttää kokonaan uudenlainen lentokonemalli, joka räpyttelee siipiään eikä ehkä tarvitse edes potkureita eikä suihkumoottoreita.

Prototypen av vingen har blitt montert manuelt. I framtiden skal roboter bygge vingen.

Prototypen af vingen bliver bygget manuelt. I fremtiden skal robotter bygge vingen.

Täydellistä siipeä ei ole

Nykyisin käytössä olevilla materiaaleilla ja nykyisellä tekniikalla on mahdotonta tehdä siipi, joka olisi paras mahdollinen lennon kaikissa vaiheissa.

Nousussa, matkalennossa ja laskeutumisessa tarvitaan erilaisia ominaisuuksia.

Nousussa tarvitaan paljon nostetta ja työntövoimaa. Laskeutumisessa taas nopeutta on hidastettava.

Nykytekniikalla ongelma on yritetty ratkaista siiven takalaidassa olevilla kääntyvillä ulokkeilla eli ohjaussiivekkeillä.

Nousun ajaksi ne käännetään alaspäin, jolloin siipi tuottaa nostovoimaa.

Laskeuduttaessa siivekkeet vedetään kokonaan taakse, jolloin ilman vastus kasvaa ja koneen nopeus hidastuu.

Ohjaussiivekkeiden toiminta vaatii siipeen ison joukon moottoreita, vaijereita ja hydraulisia laitteita.

Siivekkeet ja muu tekniikka tekevät siivestä raskaan.

Esimerkiksi Boeing 747 -matkustajakoneen siipi voi painaa 43 000 kiloa eli noin kymmenesosan koko koneen painosta.

Mitä isomman massan kone joutuu nostamaan ja pitämään ilmassa, sitä enemmän polttoainetta se kuluttaa. Lisäksi siiven huolto ja ylläpito on hankalaa ja kallista.

Wrightin veljesten lentokoneessa vuonna 1903 ei ollut ohjaussiivekkeitä. Koneen siivet
oli tehty puusta ja kankaasta, ja ne olivat taipuisat. Lentäjä makasi ohjaamossa mahallaan ja ohjasi konetta vetelemällä naruista, jotka saivat siivet taittumaan. Tältä kone näytti edestäpäin: Kun lentäjä halusi kääntää konetta vasemmalle, hän veti naruista niin, että oikean siiven takareuna painui alaspäin ja vasemman siiven takareuna ylöspäin. Tällöin oikeanpuoleisen siiven kohdalla ilman noste lisääntyi ja vasemmanpuoleisen kohdalla väheni.

Idea lainattiin historiasta

Ensimmäisissä lentokoneissa yli sata vuotta sitten siivet oli tehty puusta ja kankaasta.

Ne olivat myös joustavampia kuin nykykoneiden siivet. Lentäjä ohjasi konetta vetelemällä naruista niin, että siivet taipuivat.

Kun lentomatkojen pituus, korkeus ja nopeus kasvoivat, tarvittiin kestävämpiä materiaaleja.

Siksi nykyisten lentokoneiden siivet tehdään metallista, kuten alumiinista tai titaanista, tai komposiittimateriaaleista, kuten lasi- tai hiilikuidusta.

Paras ratkaisu olisi siipirakenne, jossa yhdistyvät nykyisten materiaalien kestävyys ja puu- ja kangassiipien joustavuus.

Nyt tällainen ratkaisu on ehkä löytynyt.

Nasan ja MIT:n tutkijoiden kehittämä siipi on paljon kevyempi ja joustavampi kuin nykyiset siivet, ja siinä on melkein yhtä vähän liikkuvia osia kuin ensimmäisten lentokoneiden kangassiivissä.

Uusi siipi koostuu samankaltaisista tahokkaista kuin perinteinen olkihimmeli.

Kahdeksansivuiset tulitikunohuista tangoista koostuvat tahokkaat on liitetty yhteen ristikkorakenteeksi, joka on vakautettu lujitetuilla jäykistimillä.

Ristikkorakenne tekee siivestä lujan kuin metalli, vaikka se koostuu enimmäkseen ilmasta.

Nasan tutkijoiden kehittämä uusi siipirakenne koostuu sadoista pienistä, vähän olkihimmelin osia muistuttavista kahdeksantahokkaista. Kun tahokkaat yhdistetään, syntyy tiivis ristikko, joka kestää taivutusta ja vääntelyä.

©

Siipi joustaa ja vääntyy

Siiven materiaali on kevyttä. Se painaa 5,6 kiloa kuutiometriä kohti. Se on melkein yhtä kevyttä kuin maailman kevyin aine aerogeeli. Siivessä ei ole liikkuvia osia, mutta sen reunassa on moottorit, joista lähtevät hiilikuituputket taivuttavat siiven reunoja ja kärkeä.

©

Ristikko muodostaa yhtenäisen pinnan

Siipi koostuu sadoista tahokkaista, jotka on yhdistetty ristikoksi. Ristikossa on eri kohdissa pehmeitä ja jäykkiä elementtejä niin, että siipi pysyy vakaana, vaikka se taipuu ja vääntyy ilmavirran mukaan. Näin siipeen kohdistuva ilman vastus on mahdollisimman pieni.

©

Perusyksikkönä joustava tahokas

Siiven peruselementit ovat kahdeksantahokkaat, joiden läpimitta on viisi senttiä. Ne ovat joustavaa polyeetteri-imidi-muovia. Tahokasrakenne luo siivelle parhaan lujuuden. Pieni osa elementeistä vahvistetaan lasikuidulla niin, että ne ovat taipumattomia.

Koko siipi toimii vakaimena

Himmelisiiven ristikon kahdeksantahokkaiden tangot ovat joustavaa muovia, mutta osa niistä on lujitettu lasikuidulla.

Siipeä voidaan verrata purjeeseen: joustavat tahokkaat muodostavat itse purjekankaan, ja jäykistetyt osat ovat tangot, jotka pitävät purjeen muodossaan.

Purjeen muoto muuttuu sen mukaan, miten tuuli puhaltaa, mutta tangot pitävät sen paikoillaan.

Himmelirakenteen ansiosta siiven joustavuutta ja jäykkyyttä voidaan säätää.

Jäykistetyt tahokkaat on sijoitettu siiven massaa kantaviin osiin eli koneen runkoa vasten ja siiven etureunaan. Joustavat osat ovat enimmäkseen siiven takareunassa ja kärjissä.

Niitä taivuttamalla voidaan muuttaa siiven muotoa.

Kun siipi taipuu kuin kaisla tuulessa, ilman vastus pienenee ja poltto­ainetta kuluu vähemmän.

Toisin kuin tavanomaisen lentokoneen siivessä himmelirakenteisessa siivessä ohjaussiivekkeitä ei liikutella siiven sisään upotetuilla moottoreilla ja hydrauliikalla.

Sen sijaan siipeä taivuttavat kojeet ovat siiven ja lento­koneen rungon välissä.

Niistä lähtee ohuita hiilikuituputkia muun muassa siiven kärkeen ja takareunaan.

Hiilikuituputkien kautta lentäjä voi vetää siiven kärkeä ja takareunaa ja siten taivu­tella siipeä.

Näin ohjaussiivekkeen tehtävän tekee lähes koko siipi eikä pelkkä takareunan uloke kuten tavanomaisessa siivessä.

Lopputuloksena on sekä pienempi paino että parempi aerodynaamisuus kuin ­nykylentokoneiden siivissä.

Joustava siipi painaa vain alle sadasosan samankokoisen tavallisen siiven massasta. Kun siipi on kevyt, myös polttoaineen kulutus vähenee.

Pienempi polttoaineen kulutus puolestaan tarkoittaa sitä, että tulevaisuudessa lentokoneet tarvitsevat nykyistä pienemmän polttoainesäiliön, mikä vähentää koneen massaa entisestään.

Joustava siipi on myös yksinkertaisempi valmistaa kuin tavallinen siipi hydrauliikkalaitteineen.

Toistaiseksi uudesta siivestä on tehty prototyyppi, joka vastaa kooltaan pienen potkurikoneen siipiä.

Tositoimissa räpytteleviä siipiä käyttävät ensimmäisinä todennäköisesti robottilennokit, jotka kuljettavat esimerkiksi lääkkeitä katastrofialueille.

Ehkä 30–40 vuoden kuluttua nähdään myös matkustajakoneita, jotka räpyttelevät siipiään. Räpyttely voi joissakin tilanteissa jopa korvata moottorit.

Joustavalle himmelirakenteelle kaavaillaan käyttöä myös Maan ulkopuolella.

Keveytensä ansiosta se sopisi esimerkiksi avaruusasemiin tai lennokkeihin, jotka etsivät elämää vierailta planeetoilta.