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Unclassified distribution unlimited © R. Barrett All Rights Reserved rev. 28 February 2010    C   o   p   y   r    i   g    h    t    ©    R  .    M  .   a   n    d    C  .    M  .    B   a   r   r   e    t    t    2    0    1    3   a    l    l   r    i   g    h    t   s   r   e   s   e   r   v   e    d   u   n   c    l   a   s   s    i    f    i   e    d    I    T    A    R    /    E    A    R   u   n   r   e   s    t   r    i   c    t   e    d 1 The Univers ity of K a ns as   A daptive A eros tructures L aboratory The Univers ity of Minnes ot a Coll ege of B iolog ical S cience s Revolutionary New Adaptive Material “SolutionCell © ”  SolutionCell© is a Pressure Adaptive Honeycomb (PAH) www.SolutionCell.com & www.SolutionCell.net  Brought to you by: Shawn Paul Boike  Solution Vehicles Co & American Industrial Consultants From: BOEING, Northrop, L ockhe ed , F ORD , GM & NASA Long Beach, CA. 90803 562.343.5660 / 562.338.9911 (m)  https://www.facebook.com/AmericanIndustrialConsultantsGroup by Ron Barrett The University of Kansas, Lawrence Aerospace Engineering Department and Cassandra Barrett The University of Minnesota College of Biological Sciences
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SolutionCell for Wings

Apr 13, 2018

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1The Univers i ty of Kansas  Adapt ive Aerostructures Laboratory

The Univers i ty of MinnesotaCollege of Biolo gical Sciences

Revolutionary New Adaptive Material

“SolutionCell © ”  

SolutionCell© is a Pressure Adaptive Honeycomb (PAH)www.SolutionCell.com & www.SolutionCell.net 

Brought to you by:

Shawn Paul Boike  Solution Vehicles Co &

American Industrial ConsultantsFrom: BOEING, Northro p, Lo ckheed, FORD, GM & NASALong Beach, CA. 90803 

562.343.5660 / 562.338.9911 (m) https://www.facebook.com/AmericanIndustrialConsultantsGroup

by

Ron BarrettThe University of Kansas, LawrenceAerospace Engineering Department

and

Cassandra BarrettThe University of MinnesotaCollege of Biological Sciences

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2The Univers i ty of Kansas  Adapt ive Aerostructures Laboratory

The Univers i ty of MinnesotaCollege of Biolo gical Sciences

Presentation Dates• So. California (Feb 24-28 2014):

Still need to setup; JPL, USAF-LA, Aerospace Corp, Lockheed & SpaceX 

Mon2/24

Zodiac Aero

Eaton/Parker

Tue2/25

Aero/Def

Aero/Def

Wed2/26

Northrop UAV *San

Diego

San DiegoGen

Atomics??

Thu

2/27

Boeing SealBch

Boeing HB

Fri

2/28

Boeing LB

???

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3The Univers i ty of Kansas  Adapt ive Aerostructures Laboratory

The Univers i ty of MinnesotaCollege of Biolo gical Sciences

SolutionCell

New Patented Material in Europe & USA – Available for Licensing in the following Markets:

•  "SolutionCell ©": Manufacturing Raw Products 

Aircraft seating,

Aircraft Slats & Flaps Commercial

Separate for Military 

Armored Marine 

Armored Land 

Space Applications 

Automotive Industry:

Interiors& Seating 

Exteriors Ground Effects 

Consumer Furniture

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4The Univers i ty of Kansas  Adapt ive Aerostructures Laboratory

The Univers i ty of MinnesotaCollege of Biolo gical Sciences

Revolutionary Adaptive Aerostructures, ChangingFlight via Nature's Analogs for Dramatic Fuel Savings

by

Ron BarrettThe University of Kansas, LawrenceAerospace Engineering Department

and

Cassandra BarrettThe University of Minnesota

College of Biological Sciences

1st internat ional Conference and Exhibi t ion on Mechanical and

Aerosp ace Eng ineer ing, San An tonio , Texas

30 September  – 2 Octo ber 2013

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5The Univers i ty of Kansas  Adapt ive Aerostructures Laboratory

The Univers i ty of MinnesotaCollege of Biolo gical Sciences

Outline

1. Introduction & Motivation

2. Fast-Response Actuators in Eukaryotes

3. Biomimetic FAA-Certifiable Artificial Muscles

4. Selected Aerospace Applications

5. Summary

1.Introduction 2.Nat. Actuators 3.Art.Muscles 4.Aerospace 5. Summary

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6The Univers i ty of Kansas  Adapt ive Aerostructures Laboratory

The Univers i ty of MinnesotaCollege of Biolo gical Sciences

1.Introduction  2.Nat. Actuators 3.Art.Muscles 4.Aerospace 5.Automotive

Motivation: The same as nature

T/O & Landing: Maximize CLmax, Reject Gust Loading

Cruise: Maximize L/D

Minimize Airframe Weight

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7The Univers i ty of Kansas  Adapt ive Aerostructures Laboratory

The Univers i ty of MinnesotaCollege of Biolo gical Sciences

Successful Applications of BiomimickingAdaptive Materials In the Aerospace Industry:

1.Introduction  2.Nat. Actuators 3.Art.Muscles 4.Aerospace 5. Summary

Piezoelectric, Shape-Memory-Alloys, Electroluminiscent Materials...

Weapon Systems

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8The Univers i ty of Kansas  Adapt ive Aerostructures Laboratory

The Univers i ty of MinnesotaCollege of Biolo gical Sciences

1.Introduction  2.Nat. Actuators 3.Art.Muscles 4.Aerospace 5. Summary

Successful Applications of BiomimickingAdaptive Materials In the Aerospace Industry:

Disappearing UAVs

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9The Univers i ty of Kansas  Adapt ive Aerostructures Laboratory

The Univers i ty of MinnesotaCollege of Biolo gical Sciences

Selected Aerospace Morphing Concepts

Planform Morphing Section Morphing

University of Florida

1990’s: NASA’s AAW

1980’s: Mission Adaptive Wing

Lockheed Martin

MissionAdaptiveWing

Gould et al. 1981

   P  e  n   d  e   l   t  o  n  e   t  a   l .   1   9   8   1

  w  w  w .  n  e  x   t  g  e  n  a

  e  r  o  n  a  u   t   i  c  s .  c  o  m    2

   0   0   8

  w  w  w .  g  e  o  c   i   t   i  e  s .  c  o  m    2

   0   0   8

1.Introduction  2.Nat. Actuators 3.Art.Muscles 4.Aerospace 5. Summary

Th U i i t f K Th U i i t f Mi t

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10The Univers i ty of Kansas  Adapt ive Aerostructures Laboratory

The Univers i ty of MinnesotaCollege of Biolo gical Sciences

Adaptive Materials & Structures

Piezoelectric MaterialsShape Memory Alloys

McMurtry 2004

Air Muscles

1.Introduction  2.Nat. Actuators 3.Art.Muscles 4.Aerospace 5. Summary

Th U i i t f K Th U i i t f Mi t

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11The Univers i ty of Kansas  Adapt ive Aerostructures Laboratory

The Univers i ty of MinnesotaCollege of Biolo gical Sciences

1.Introduction  2.Nat. Actuators 3.Art.Muscles 4.Aerospace 5. Summary

Conventional Adaptive MaterialsCurrent range of actuator materials available

Can they be used in commercial aircraft as a class?...or in primary structure?

Th U i i t f K Th U i i t f Mi t

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12The Univers i ty of Kansas  Adapt ive Aerostructures Laboratory

The Univers i ty of MinnesotaCollege of Biolo gical Sciences

 An "Ideal" Adaptive Aeromaterial/Aerostructure: 

•Material capable of "huge" (>50+%?) strains

•Fully proportional, easily controlled

•Stiff & strong enough to handle "real" loads

•Lighter & faster than conventional aircraft actuation systems

•Less costly & lower drag than conventional aircraft actuation systems

•Certifiable under FAR 23/25, 27/29

What Would an Aircraft Designer want if s/he coulddesign an adaptive material???

1.Introduction  2.Nat. Actuators 3.Art.Muscles 4.Aerospace 5. Summary

Th U i i t f K Th U i i t f Mi t

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13The Univers i ty of Kansas  Adapt ive Aerostructures Laboratory

The Univers i ty of MinnesotaCollege of Biolo gical Sciences

Solution? ...Biomimetics

"You should pay attention to what

Mother Nature has done because

she's got a 4.2 billion year lead in

research and development.

-Prof. H.W. Smith, PE, Ph.D.

1.Introduction 2.Nat. Actuators  3.Art.Muscles 4.Aerospace 5.Summary

The Univers i ty of Kansas The Univers i ty of Minnesota

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14The Univers i ty of Kansas  Adapt ive Aerostructures Laboratory

The Univers i ty of MinnesotaCollege of Biolo gical Sciences

Fast-Response Actuators

in Eukaryotes

•Animal Muscle Cells and Tissues 

• Fast-Acting PlantCells and Tissues

1.Introduction 2.Nat. Actuators  3.Art.Muscles 4.Aerospace 5.Summary

The Univers i ty of Kansas The Univers i ty of Minnesota

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15The Univers i ty of Kansas  Adapt ive Aerostructures Laboratory

The Univers i ty of MinnesotaCollege of Biolo gical Sciences

Fast-Response Actuators

in Eukaryotes

1.Introduction 2.Nat. Actuators  3.Art.Muscles 4.Aerospace 5.Summary

Animal Muscle Cell & Tissues

The Univers i ty of Kansas The Univers i ty of Minnesota

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16The Univers i ty of Kansas  Adapt ive Aerostructures Laboratory

The Univers i ty of MinnesotaCollege of Biolo gical Sciences

1.Introduction 2.Nat. Actuators  3.Art.Muscles 4.Aerospace 5.AutomotiveVideo Credit: & © C.M. Barrett

Solution:Actuators Made from 100% FAA-Certifiablematerials, but arranged like fast-acting plant cells

The Univers i ty of Kansas The Univers i ty of Minnesota

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17The Univers i ty of Kansas  Adapt ive Aerostructures Laboratory

The Univers i ty of MinnesotaCollege of Biolo gical Sciences

1.Introduction 2.Nat. Actuators  3.Art.Muscles 4.Aerospace 5.Summary

Solution:FAA-Certifiable Actuators based on Plant Cell Structures

 Albizia julibrissin

The Univers i ty of Kansas The Univers i ty of Minnesota

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18The Univers i ty of Kansas  Adapt ive Aerostructures Laboratory

The Univers i ty of MinnesotaCollege of Biolo gical Sciences

1.Introduction 2.Nat. Actuators  3.Art.Muscles 4.Aerospace 5.Summary

Solution:FAA-Certifiable Actuators based on Plant Cell Structures

Pulvinus

The Univers i ty of Kansas The Univers i ty of Minnesota

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19The Univers i ty of Kansas  Adapt ive Aerostructures Laboratory

The Univers i ty of MinnesotaCollege of Biolo gical Sciences

1.Introduction 2.Nat. Actuators  3.Art.Muscles 4.Aerospace 5.Summary

Solution:FAA-Certifiable Actuators based on Plant Cell Structures

Ground Cells

Phloem

Xylem

The Univers i ty of Kansas The Univers i ty of MinnesotaS l ti

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The Univers i ty of MinnesotaCollege of Biolo gical Sciences

1.Introduction 2.Nat. Actuators  3.Art.Muscles 4.Aerospace 5.Automotive

Solution:Actuators Made from 100% FAA-CertifiableMaterials, but arranged like fast-acting plant cells

Video Credit: & © C.M. Barrett

The Univers i ty of Kansas The Univers i ty of Minnesota

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21The Univers i ty of Kansas  Adapt ive Aerostructures Laboratory

The Univers i ty of MinnesotaCollege of Biolo gical Sciences

1.Introduction 2.Nat. Actuators  3.Art.Muscles 4.Aerospace 5.Summary

Solution:FAA-Certifiable Actuators based on Plant Cell Structures

Fundamental Structural Arrangement:

The Univers i ty of Kansas The Univers i ty of Minnesota

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22The Univers i ty of Kansas  Adapt ive Aerostructures Laboratory

The Univers i ty of MinnesotaCollege of Biolo gical Sciences

Biomimetic Honeycomb

Based on Plant Actuator Cells

• Easily modeled, light, strong 

• Made of conventional materials (aluminum, steel, aramids)

• Already known and accepted by certifying

agencies like the FAA

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23The Univers i ty of Kansas  Adapt ive Aerostructures Laboratory

The Univers i ty of MinnesotaCollege of Biolo gical Sciences

PAH Theory, Experiment & Correlation

1.Introduction 2.Nat. Actuators 3.Art.Muscles 4.Aerospace 5.Summary

The Univers i ty of Kansas   The Univers i ty of Minnesota

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24y

Adapt ive Aerostructures Laboratory

yCollege of Biolo gical Sciences

PAH Single-Cell Tension-Compression Test

1.Introduction 2.Nat. Actuators 3.Art.Muscles 4.Aerospace 5.Summary

The Univers i ty of Kansas   The Univers i ty of Minnesota

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   /   E   A   R

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25y

Adapt ive Aerostructures Laboratory

yCollege of Biolo gical Sciences

Multi-Cell Compression Test

180mm

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26y

Adapt ive Aerostructures Laboratory

yCollege of Biolo gical Sciences

PAH Single-Cell Tension-Compression Test

1.Introduction 2.Nat. Actuators 3.Art.Muscles 4.Aerospace 5.Summary

The Univers i ty of Kansas   The Univers i ty of Minnesota

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27y

Adapt ive Aerostructures Laboratory

yCollege of Biolo gical Sciences

Comparison to OtherAdaptive Materials and Actuators

1.Introduction 2.Nat. Actuators 3.Art.Muscles 4.Aerospace 5.Summary

High PressureAdaptive Honeycomb

Atmospherically TriggeredAdaptive Honeycombs

Conventional Hydraulic Actuators

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A New Approach to Flight Control

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  v  e   d

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28Adapt ive Aerostructures Laboratory College of Biolo gical Sciences

1.Introduction 2.Nat. Actuators 3.Art.Muscles 4.Aerospace 5.Automotive

A New Approach to Flight Control...

Based on Nature:

PAH employs distributed, rather than concentrated actuation...

29The Univers i ty of Kansas   The Univers i ty of Minnesota

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  v  e   d

  u  n  c   l  a  s  s   i   f   i  e   d

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29Adapt ive Aerostructures Laboratory College of Biolo gical Sciences

Current Aircraft Actuator Design

PhilosophyDistributed airloads

Control surface loads

concentrated at

finite hard points  

Loads transferred

through actuators

& tracks

Loads redistributedinto primary

structure

1.Introduction 2.Nat. Actuators 3.Art.Muscles 4.Aerospace  5.Summary

30The Univers i ty of Kansas   The Univers i ty of Minnesota

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  v  e   d

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30Adapt ive Aerostructures Laboratory College of Biolo gical Sciences

Control surface loads

stayed distributed  

Distributed control

surface loads passed

thru distributed

actuators

Distributed loads

transferred to primary

strucure

PAH Actuator Design Philosophy

1.Introduction 2.Nat. Actuators 3.Art.Muscles 4.Aerospace  5.Summary

31The Univers i ty of Kansas   The Univers i ty of Minnesota

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  v  e   d

  u  n  c   l  a  s  s   i   f   i  e   d

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   /   E   A   R

  u  n  r  e  s   t  r   i  c   t  e   d

31Adapt ive Aerostructures Laboratory College of Biolo gical Sciences

Comparison of PAH to Adaptive Materialsand FAA Certified Actuators

High Pressure Adaptive Honeycomb

ConventionalHydraulics

& Pneumatics

1.Introduction 2.Nat. Actuators 3.Art.Muscles 4.Aerospace  5.Summary

32The Univers i ty of Kansas   The Univers i ty of Minnesota

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  v  e   d

  u  n  c   l  a  s  s   i   f   i  e   d

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   /   E   A   R

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32Adapt ive Aerostructures Laboratory College of Biolo gical Sciences

Pressure Adaptive Wing Section

   M  u  r  r  a  y  e

   t  a   l .   2   0   0   7

33The Univers i ty of Kansas   The Univers i ty of Minnesota

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  v  e   d

  u  n  c   l  a  s  s   i   f   i  e   d

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   /   E   A   R

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33Adapt ive Aerostructures Laboratory College of Biolo gical Sciences

Pressure-Adaptive Flap in Wind Tunnel (cont.)

40kPa CDP

0kPa CDP

34The Univers i ty of Kansas   The Univers i ty of Minnesota

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  v  e   d

  u  n  c   l  a  s  s   i   f   i  e   d

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   /   E   A   R

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34Adapt ive Aerostructures Laboratory College of Biolo gical Sciences

PAH Wing Section: Controllable Aerocompliance

1.6

1.4

1.3

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0

Angle of Attack, a (deg)-5 0 5 10 15

   L   i   f   t   C  o  e   f   f   i  c   i  e  n   t ,   C

   l

   (  ~   )

Base Stiffness Cell Differential Pressure Behavior

NCCDP(kPa)

4020

0

-20

-40

Net Camber CDP = 40kpa

1.Introduction 2.Nat. Actuators 3.Art.Muscles 4.Aerospace  5.Summary

35The Univers i ty of Kansas  Ad t i A t t L b t

The Univers i ty of MinnesotaC ll f Bi l i l S i

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  v  e   d

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35Adapt ive Aerostructures Laboratory College of Biolo gical Sciences

Current Aircraft Technology in Gust Fields

1.Introduction 2.Nat. Actuators 3.Art.Muscles 4.Aerospace  5.Summary

36The Univers i ty of Kansas  Ad t i A t t L b t

The Univers i ty of MinnesotaC ll f Bi l i l S i

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36Adapt ive Aerostructures Laboratory College of Biolo gical Sciences

PAH Wings: Enhancing Ride Quality, FatigueProperties & Flight Safety via Active Aerocompliance

1.Introduction 2.Nat. Actuators 3.Art.Muscles 4.Aerospace  5.Summary

37The Univers i ty of Kansas  Ad t i A t t L b t

The Univers i ty of MinnesotaC ll f Bi l i l S i

Page 37: SolutionCell for Wings

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37Adapt ive Aerostructures Laboratory College of Biolo gical Sciences

The Real Savings... from Class I Design Forward

1.Introduction 2.Nat. Actuators 3.Art.Muscles 4.Aerospace  5.Summary

Structure of a typical FAR-25 V-n Diagram 

+1 

-1 

   L   o   a    d

    F   a   c   t   o   r ,

   n     (

   g    '   s    )

 

VS1 VA VC VD

Maneuver LimitsGust Limits

Gust Limits

Commercial Aircraft

Structural Weights areset by these points

Flight Speed, Vflt (kts) 

38The Univers i ty of Kansas  Adapt ive Aerostructures Laboratory

The Univers i ty of MinnesotaCollege of Biolo gical Sciences

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  u  n  c   l  a  s  s   i   f   i  e   d

   I   T   A   R

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38Adapt ive Aerostructures Laboratory College of Biolo gical Sciences

1.Introduction 2.Nat. Actuators 3.Art.Muscles 4.Aerospace  5.Summary

+1 

-1 

   L   o   a    d

    F   a   c   t   o   r ,

   n     (

   g    '   s    )

 

VS1 VA VC VD

Weight Saving Paradigm Shift:

Compression of Gust Lines to within Maneuver

...just like birds do, via dynamic aerocompliance 

Flight Speed, Vflt (kts) 

39The Univers i ty of Kansas  Adapt ive Aerostructures Laboratory

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Adapt ive Aerostructures Laboratory College of Biolo gical Sciences

1.Introduction 2.Nat. Actuators 3.Art.Muscles 4.Aerospace  5.Summary

Compression of Gust Lines to within Maneuver

...just like birds do, via dynamic aerocompliance 

saving... 7 – 23% total aircraft structural weight! 

+1 

-1 

   L   o   a    d

    F   a   c   t   o   r ,

   n     (

   g    '   s    )

 

VS1 VA VC VD

Weight Saving Paradigm Shift:

Flight Speed, Vflt (kts) 

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Adapt ive Aerostructures Laboratory College of Biolo gical Sciences

Reference: Boeing 787$32B investment in new product RDT&E:

• Just over half of the RDT&E was devoted to new materials & manufacturing

to achieve a ~20% weight reduction WRT conventional materials

1.Introduction 2.Nat. Actuators 3.Art.Muscles 4.Aerospace  5.Summary

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Adapt ive Aerostructures Laboratory College of Biolo gical Sciences

PAH Implications for Commercial Aircraft

Implications for commercial jets:

• Reduction in Structural Weight  9 - 22%

• Increase in mission integrated L/Dmax  6 - 9% 

• Reduction in DOC at constant range  7 - 11%

• Increase in range at constant TOW  12 - 18%

• Airfoil section gust load rejection:  up to 380%

• Net airframe gust load rejection  up to 87%

• Safe Airframe Life Extension  11 - 14%

1.Introduction 2.Nat. Actuators 3.Art.Muscles 4.Aerospace 5.Summary

US Pat. 8,366,057 Issued 13 February 2013

42The Univers i ty of Kansas  Adapt ive Aerostructures Laboratory

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   I   T   A   R

   /   E   A   R

  u  n  r  e  s   t  r   i  c   t  e   d

Adapt ive Aerostructures Laboratory College of Biolo gical Sciences

Acknowledgements

NASA Ames Research Center

Prof. Roelof Vos

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   I   T   A   R

   /   E   A   R

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Adapt ive Aerostructures Laboratory College of Biolo gical Sciences

PAH Flap and Winglet System Implications

Implications for commercial jet fleets:

Korean Air:

KRW11.807 trillion 2011 in operating expenses

Retrofi t Impacts: ~ +KRW200B

(Net loss in 2011: KRW98B)

New Equipment  Impacts:

+KRW850B DOC savings +

+KRW220B Airframe Life Extension +

+KRW660B increased cargo carriage revenue ~ KRW1.7 trillion

European Patent EP 2459442 A2

US Patent 8 366 057 B2 February 2013

44The Univers i ty of Kansas  Adapt ive Aerostructures Laboratory

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  u  n  c   l  a  s  s   i   f   i  e   d

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  u  n  r  e  s   t  r   i  c   t  e   d

Adapt ive Aerostructures Laboratory College of Biolo gical Sciences

Questions?

45The Univers i ty of Kansas  Adapt ive Aerostructures Laboratory

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   /   E   A   R

  u  n  r  e  s   t  r   i  c   t  e   d

Adapt ive Aerostructures Laboratory College of Biolo gical Sciences

Something about the flight environment itself

could deploy the surfaces...  

What if...

1.Introduction 2.Nat. Actuators 3.Art.Muscles 4.Aerospace 5.Automotive

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   /   E   A   R

  u  n  r  e  s   t  r   i  c   t  e   d

p y g g

Pressure Adaptive Honeycomb (PAH)Flap Systems

Example for LSA wing

1.Introduction 2.Nat. Actuators 3.Art.Muscles 4.Aerospace  5.Automotive

47The Univers i ty of Kansas  Adapt ive Aerostructures Laboratory

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p y g g

Implications for LSA* based on a 20% increase of clean CLmax:**

• 17% reduction in wing wetted area

• 20% increase in aspect ratio

10% increase in L/D• 8% reduction fuel burn and DOC at constant range

• 1.5% decrement in TOW and purchase price at constant range

• 37% gust rejection loads

*45kts flaps-up stall requirement

**Based on: Roskam “Airplane Design,” part I, II, V, and VIII, and Cessna 162 Skykatcher Data

Potential Application: Pressure AdaptiveHoneycomb (PAH) Flap

1.Introduction 2.Nat. Actuators 3.Art.Muscles 4.Aerospace  5.Automotive

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p y g g

PAH Gurney Flap (cont.)

Implications for jets based on a 6% increase of CLmax:5.8% decrease in wetted area

6% increase in aspect ratio

3% increase in L/Dmax

3.2% reduction in DOC at constant range3% increase in range at constant TOW

380% section gust load rejection

87% net airframe gust load rejection

*Based on: Roskam “Airplane Design,” part I, II, and V, and Cessna Citation Sovereign

Data1.Introduction 2.Nat. Actuators 3.Art.Muscles 4.Aerospace  5.Automotive

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y g g

PAH Implications for Commercial Aircraft

Implications for commercial jets: Retrofit Class I

STC Design

• Increase in CLmaxL/TO  3% 6%

• Reduction in Structural Weight  0% 9 - 22%

• Increase in mission integrated L/Dmax: 2.4% 6 - 9% 

• Reduction in DOC at constant range  2.5% 7 - 11%• Increase in range at constant TOW  2.2% 12 - 18%

• Section gust load rejection: 43% 380%

• Net airframe gust load rejection  21% 87%

1.Introduction 2.Nat. Actuators 3.Art.Muscles 4.Aerospace  5.Automotive

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  r  v  e   d

  u  n  c   l  a  s  s   i   f   i  e   d

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PAH Cell Modeling

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PAH Linear-Elastic Modeling Background

Cellular Material Theory (CMT) after Gibson et al. 1988Considerations:

• Only valid for small thickness-to-length ratio

• Only valid for +/- 20% of strain

Linear stress-strain relationship

qi 

l

t

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PAH Linear-Elastic Modeling Background 

53The Univers i ty of Kansas  Adapt ive Aerostructures Laboratory

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  r  v  e   d

  u  n  c   l  a  s  s   i   f   i  e   d

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   /   E   A   R

  u  n  r  e  s   t  r   i  c   t  e   d

PAH Theoretical Characterization

Global stress-strain relations:

@ constant pressure:

@ constant mass:

with

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  r  v  e   d

  u  n  c   l  a  s  s   i   f   i  e   d

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   /   E   A   R

  u  n  r  e  s   t  r   i  c   t  e   d

PAH Geo-Kinematic Properties

CDP = Cell Differential Pressure

1.Introduction 2.Nat. Actuators 3.Art.Muscles 4.Aerospace 5.Automotive

55The Univers i ty of Kansas  Adapt ive Aerostructures Laboratory

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  r  v  e   d

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  u  n  r  e  s   t  r   i  c   t  e   d

Non-linear Mechanics of PAH Structures

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  r  v  e   d

  u  n  c   l  a  s  s   i   f   i  e   d

   I   T   A   R

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  u  n  r  e  s   t  r   i  c   t  e   d

Effects of Different PAH Boundary Conditions

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PAH L it di l St St i C l ti

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  r  v  e   d

  u  n  c   l  a  s  s   i   f   i  e   d

   I   T   A   R

   /   E   A   R

  u  n  r  e  s   t  r   i  c   t  e   d PAH Longitudinal Stress-Strain Correlation

p = 55kPa p = 60kPa

58The Univers i ty of Kansas  Adapt ive Aerostructures Laboratory

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 .   B  a  r  r  e   t   t   2   0   1   3  a   l   l  r   i  g   h   t  s  r  e  s  e

  r  v  e   d

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   I   T   A   R

   /   E   A   R

  u  n  r  e  s   t  r   i  c   t  e   d

Experimental PAH Stress-Strain Relations

59The Univers i ty of Kansas  Adapt ive Aerostructures Laboratory

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   /   E   A   R

  u  n  r  e  s   t  r   i  c   t  e   d

PAH Four-Cell Tensile Test of Steel PAH

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  r  v  e   d

  u  n  c   l  a  s  s   i   f   i  e   d

   I   T   A   R

   /   E   A   R

  u  n  r  e  s   t  r   i  c   t  e   d

PAH Bender Experimental Characterization

Validation

Experiment:Three-pointbend test

1.Introduction 2.Nat. Actuators 3.Art.Muscles 4.Aerospace 5.Automotive

FEM Modeling:

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  r  v  e   d

  u  n  c   l  a  s  s   i   f   i  e   d

   I   T   A   R

   /   E   A   R

  u  n  r  e  s   t  r   i  c   t  e   d

PAH Cell Modeling

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   I   T   A   R

   /   E   A   R

  u  n  r  e  s   t  r   i  c   t  e   d

PAH Multi-Cell Compression Test

1.Introduction 2.Nat. Actuators 3.Art.Muscles 4.Aerospace 5.Summary

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  r  v  e   d

  u  n  c   l  a  s  s   i   f   i  e   d

   I   T   A   R

   /   E   A   R

  u  n  r  e  s   t  r   i  c   t  e   d

PAH Gurney Flaps & Winglets

1.Introduction 2.Nat. Actuators 3.Art.Muscles 4.Aerospace  5.Automotive

64The Univers i ty of Kansas  Adapt ive Aerostructures Laboratory

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F t R A t t i E k t

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  u  n  c   l  a  s  s   i   f   i  e   d

   I   T   A   R

   /   E   A   R

  u  n  r  e  s   t  r   i  c   t  e   d Fast-Response Actuators in Eukaryotes

Molecuar Mechanism of Muscle Contraction

1.Introduction 2.Nat. Actuators  3.Art.Muscles 4.Aerospace 5.Summary

Stimulus

Myosin head binds to actin

Myosin head turns as P1 is released

6.7nmcontraction

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   /   E   A   R

  u  n  r  e  s   t  r   i  c   t  e   d

Fast-Response Actuators

in Eukaryotes

Mechanical Analogs of Animal Muscle Tissues:-Shape-Memory-Alloys-Pneumatic Tubes-Piezoelectric Polymers-Adaptive Gels-Electrostatic Actuators

1.Introduction 2.Nat. Actuators  3.Art.Muscles 4.Aerospace 5.Summary

66The Univers i ty of Kansas  Adapt ive Aerostructures Laboratory

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Successful Applications of Biomimicking

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  r  v  e   d

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   I   T   A   R

   /   E   A   R

  u  n  r  e  s   t  r   i  c   t  e   d

1.Introduction  2.Nat. Actuators 3.Art.Muscles 4.Aerospace 5. Summary

pp gAdaptive Materials In the Aerospace Industry:

UAVs & Hovering Missiles

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  u  n  c   l  a  s  s   i   f   i  e   d

   I   T   A   R

   /   E   A   R

  u  n  r  e  s   t  r   i  c   t  e   d

Standard Auxetic Hybrid

Biomimetic Plant-Cell Based

Honeycomb Actuator

   A   f   t  e  r  :   O   l  y  m  p   i  o  e   t  a   l .   2   0   0   7

1.Introduction 2.Nat. Actuators 3.Art.Muscles 4.Aerospace 5.Summary

68The Univers i ty of Kansas  Adapt ive Aerostructures Laboratory

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Aerocompliance: Key to Birds Wings and PAH

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   /   E   A   R

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1.Introduction 2.Nat. Actuators 3.Art.Muscles 4.Aerospace  5.Automotive

Aerocompliance: Key to Birds Wings and PAH

Gust load relieving smoothes flight

69The Univers i ty of Kansas  Adapt ive Aerostructures Laboratory

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   I   T   A   R

   /   E   A   R

  u  n  r  e  s   t  r   i  c   t  e   d

PAH Four-Cell Tensile Test of Steel

Honeycombs

1.Introduction 2.Nat. Actuators 3.Art.Muscles 4.Aerospace 5.Summary

70The Univers i ty of Kansas  Adapt ive Aerostructures Laboratory

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Solution:FAA Certifiable Actuators based on Plant Cell Structures

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1.Introduction 2.Nat. Actuators  3.Art.Muscles 4.Aerospace 5.Automotive

FAA-Certifiable Actuators based on Plant Cell Structures

71The Univers i ty of Kansas  Adapt ive Aerostructures Laboratory

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Pressure Adaptive Honeycomb (PAH)

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  u  n  c   l  a  s  s   i   f   i  e   d

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  u  n  r  e  s   t  r   i  c   t  e   d Pressure Adaptive Honeycomb (PAH)

Breakdown for Modeling

1.Introduction 2.Nat. Actuators 3.Art.Muscles 4.Aerospace 5.Summary

72The Univers i ty of Kansas  Adapt ive Aerostructures Laboratory

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  u  n  c   l  a  s  s   i   f   i  e   d

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   /   E   A   R

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PAH Nonlinear Mechanics