Hãy tưởng tượng máy bay đã cất cánh, bạn nhìn ra ngoài cửa sổ và đột nhiên thấy cánh máy bay nhấp nhô, vặn vẹo và thay đổi hình dạng một cách âm thầm - hầu hết hành khách có thể sẽ cảm thấy lo lắng ngay tại chỗ. Nhưng đó chính xác là những gì các kỹ sư Đức đang thử nghiệm với một công nghệ mới: một nguyên mẫu cánh có thể biến dạng có thể "biến hình" theo thời gian thực trong suốt chuyến bay.

Dự án này được dẫn dắt bởi Trung tâm Hàng không Vũ trụ Đức (DLR) và có tên mã là morphAIR. Mục tiêu là giới thiệu khả năng thích ứng hợp lý trong không khí tương tự như chim và cá, giúp máy bay hoạt động hiệu quả hơn và dễ điều khiển hơn. Trong tự nhiên, các sinh vật biết bay và bơi lội thường có thể thực hiện những điều chỉnh cực kỳ tinh tế và liên tục trên toàn bộ bề mặt hoặc thân cánh; loài chim có thể thực hiện những thay đổi phức tạp về sải cánh, độ cong và độ xoắn, còn cá có thể đạt được lực đẩy và khả năng lái hiệu quả thông qua các chuyển động phối hợp của thân và vây. Ngược lại, máy bay truyền thống dựa vào các cánh cứng và các bề mặt bánh lái riêng biệt như cánh tà, cánh hoa thị và bánh lái để thay đổi thái độ. Cấu trúc phân đoạn này làm tăng độ phức tạp cơ học, trọng lượng và gánh nặng bảo trì, đồng thời gây ra tiếng ồn và tổn thất khí động học bổ sung.

Trong vài thập kỷ qua, lý do tại sao cánh cố định cộng với cấu trúc bề mặt điều khiển riêng biệt như vậy trở thành tiêu chuẩn ngành không phải vì nó hoàn hảo mà vì nó là một "sự thỏa hiệp" về mặt kỹ thuật. Cánh máy bay thích hợp để cất cánh thì không phù hợp để bay hành trình, và cánh máy bay thích hợp để bay hành trình thì không thích hợp để hạ cánh; hình dạng cánh phù hợp với tốc độ nhất định, độ cao nhất định hoặc trạng thái cơ động nhất định thường trở nên dưới mức tối ưu trong các điều kiện hoạt động khác. Cánh máy bay dân dụng hiện tại được thiết kế "vừa phải" phù hợp với nhiều điều kiện vận hành điển hình: "đủ nhưng không quá tệ" trong nhiều tình huống nhất có thể, thay vì cực kỳ tối ưu hóa trong bất kỳ tình huống nào.

DLR đang cố gắng thoát khỏi sự thỏa hiệp này và thay vào đó là "khả năng thích ứng của kỹ sư" trong đôi cánh. Trong khái niệm morphAIR, đôi cánh có thể chủ động biến dạng trong các giai đoạn bay khác nhau: đạt được lực nâng cao hơn khi cất cánh và hạ cánh, giảm lực cản trong hành trình, cải thiện khả năng phản hồi khi rẽ và tăng cường độ ổn định trong tình trạng hỗn loạn. Để đạt được mục tiêu này, DLR đã lắp đặt một cánh có thể biến dạng mới trên máy bay thử nghiệm không người lái có tên PROTEUS và tiến hành các thử nghiệm so sánh song song với các cánh truyền thống để xác minh khả năng đủ điều kiện bay và hiệu quả tích hợp của hệ thống.

morphAIR Cánh được làm bằng vật liệu composite được gia cố hoàn toàn bằng sợi với các “phân đoạn biến hình” tích hợp có khả năng uốn cong liên tục ở mép sau. Bộ phận này sử dụng HyTEM (Hyperelastic Trailing Edge Morphing), một hệ thống biến dạng cạnh sau siêu đàn hồi được phát triển độc lập bởi DLR, có thể đạt được biến dạng mịn mà không có đường gấp và khe hở rõ ràng. Trưởng dự án Martin Radestock của Viện Hệ thống Nhẹ DLR giải thích: Khái niệm này thay thế các cánh tà và cánh hoa thị thông thường bằng nhiều bộ truyền động nhỏ được phân bổ trên toàn bộ sải cánh. Các bộ truyền động này có thể điều chỉnh chính xác cấu hình cánh máy bay ở mười vị trí mà không tạo ra các khoảng trống phân đoạn trên cánh máy bay, từ đó giảm lực cản của cấu hình và cải thiện hiệu suất khí động học tổng thể và động lực bay trong khi thay đổi lực nâng, lực cản cảm ứng và mô men điều khiển.

Tiềm năng thực sự của cánh có thể biến dạng chỉ có thể được phát huy thông qua hệ thống điều khiển thông minh. DLR đã phát triển một hệ thống điều khiển chuyến bay được hỗ trợ bởi AI cho mục đích này, được thiết kế đặc biệt cho các đặc điểm chuyển động cánh có tính biến đổi cao này. Trong suốt chuyến bay, thuật toán thích ứng liên tục theo dõi phản ứng thực tế của máy bay và so sánh nó với mô hình tham chiếu đã được huấn luyện. Khi phát hiện các điều kiện bất thường như nhiễu loạn, hư hỏng cục bộ hoặc hỏng bộ truyền động, hệ thống sẽ phân phối lại các hướng dẫn điều khiển trên toàn bộ cánh trong thời gian thực để duy trì chuyến bay ổn định. Các thuật toán cũng đã được đào tạo về các kịch bản lỗi mô phỏng và có thể xác định cũng như bù đắp cho các dạng lỗi có thể dẫn đến mất kiểm soát nghiêm trọng trong kiến ​​trúc cánh cố định truyền thống.

Ở cấp độ nhận thức, DLR cũng áp dụng một giải pháp khéo léo. Thay vì đặt ma trận cảm biến diện rộng trên cánh, nhóm nghiên cứu đã phát triển một phương pháp để suy ra sự phân bố áp suất khí động học của toàn bộ cánh từ một số lượng nhỏ các điểm đo. Với sự trợ giúp của công nghệ tái tạo này, hệ thống điều khiển chuyến bay có thể "nhận biết" toàn bộ trạng thái luồng không khí xung quanh cánh máy bay trong thời gian thực, so sánh trường áp suất được tái tạo với trạng thái dự kiến, tự động xác định các nhiễu loạn cục bộ, đồng thời chủ động ứng phó và triệt tiêu chúng trước khi chúng được khuếch đại.

Với sự hợp tác của các cánh có thể biến dạng, công nghệ điều khiển chuyến bay AI và tái tạo trường áp suất, cánh morphAIR có khả năng "cảm nhận" và "suy nghĩ" trạng thái chuyến bay của chính nó theo một nghĩa nào đó. Nó được các nhà nghiên cứu mô tả là một trong những nỗ lực của cánh máy bay cho đến nay gần nhất với khả năng thích ứng của bề mặt cánh chim. Hiện tại, chuyến bay thử nghiệm của máy bay không người lái PROTEUS được trang bị công nghệ này chủ yếu xác minh khả năng bay cơ bản của hệ thống cũng như sự tích hợp và phối hợp giữa các hệ thống con khác nhau, đặt nền tảng cho việc tối ưu hóa hơn nữa và mở rộng ứng dụng trong tương lai.

Mặc dù những đôi cánh có thể biến dạng tương tự khó có thể lắp vào các máy bay thương mại lớn trong thời gian ngắn trong tương lai gần, nhưng triển vọng của nó trong lĩnh vực máy bay không người lái rất hứa hẹn. Trong bước tiếp theo, DLR có kế hoạch tiến hành các chuyến bay thử nghiệm tiếp theo trên kiến ​​trúc PROTEUS với tổng khối lượng khoảng 70 kg để chứng minh tính khả thi của việc mở rộng công nghệ sang các nền tảng quy mô lớn hơn. DLR trước đó đã tung ra một video bay thử nghiệm, cho thấy quá trình biến dạng theo thời gian thực của cánh trong suốt chuyến bay. Thế giới bên ngoài có thể theo dõi hiệu suất thực tế của thế hệ công nghệ biến đổi bề mặt mới này trong không khí thông qua các liên kết có liên quan.