Ny type fallskjerm er inspirert av japansk papirklipp

Når gjenstander skal lande trygt fra stor høyde, trengs en fallskjerm. Med en tradisjonell kuppelformet fallskjerm risikerer man, uten aktiv styring under fallet, at landingspunktet avviker mye fra det tiltenkte. Kraftig turbulens rundt fallskjermen kan lett føre den ut av kurs sammenlignet med et fritt fall. Derfor brukes mer avanserte typer fallskjermer når det kreves presisjonslandinger.

Disse lar en del av luften passere opp gjennom fallskjermen for å redusere turbulensen. Ved landinger på Mars brukes for eksempel såkalte Disk-Gap-Band-fallskjermer, som ble utviklet allerede på 1960-tallet. Denne typen gir riktignok lavere luftmotstand enn en kuppelformet fallskjerm, men det kompenseres av bedre stabilitet.

En forskergruppe ved Polytechnique Montréal i Canada har nå videreutviklet prinsippet med perforerte fallskjermer til det ekstreme, noe de beskriver i en vitenskapelig artikkel i Nature.

Det dreier seg riktignok bare om minifallskjermer som kan bære en svært begrenset last, men siden de kan produseres enkelt og billig, kan de tenkes brukt til raske og presise nedkastinger av materiell fra luften under nødhjelpsoperasjoner og lignende situasjoner.

Testingen av den nye typen fallskjerm er basert på et sirkulært materiale med en diameter på rundt 20 centimeter, laget av polyetylentereftalat – også kjent som mylar – som er elastisk selv ved store mekaniske påkjenninger. Inspirert av den japanske kunstformen og papirklippeteknikken kirigami bruker forskerne lasere til å skjære nøye plasserte sprekker i materialet.

Uten turbulens

Det gjør at folien deformeres på ønsket måte. Når en slik plastfolie slippes fra stor høyde, skjer én av to ting: Enten folder folien seg svakt sammen under fallet til en form som minner om at den er viklet rundt en stang, samtidig som den faller i en kaotisk, tumlende bevegelse som et blad fra et tre – slik det også skjer med en plastskive uten sprekker. Eller så åpner plastfolien seg, på grunn av tyngdekraften og sprekkene, til en hul vaseform med bunnen ned (det motsatte av det som vises på bildet øverst, der kraftpåvirkningen er oppover). I dette tilfellet blir fallet presist og jevnt, fordi luften beveger seg regelmessig gjennom og rundt fallskjermen uten kaotisk turbulens.

Det som avgjør om man får det ene eller det andre utfallet, er den ekstra stivheten kirigamimønsteret gir plastfolien. Den bestemmes av størrelsen og plasseringen av sprekkene.

Teoretisk og eksperimentelt har de kanadiske kirigami-forskerne kommet fram til en kritisk verdi for denne ekstra stivheten, som avgjør om folien forblir lukket under fallet eller åpner seg som en fallskjerm. Dette er den avgjørende designparameteren for kirigami-fallskjermene. Som for Disk-Gap-Band-fallskjermer sammenlignet med enkle kuppelformede fallskjermer, er slutthastigheten noe høyere i den åpne formen enn i den lukkede, men både hastighetsendringen og fallretningen er mer stabil i den åpne formen.

Svært billig

Etter en rekke forsøk med små fallskjermer fra høyder opp til 15 meter, laget forskerne en større fallskjerm med en diameter på en halv meter. Denne lot de falle med en plastflaske med vann fra en høyde på 60 meter, etter at den ble sluppet fra en drone. Et fritt fall fra denne høyden uten luftmotstand ville gitt en sluthastighet på 34,3 m/s (v = √(2gh)), men med kirigami-fallskjermen ble hastigheten redusert til 14,1 m/s.

Det finnes åpenbare begrensninger ved bruk av kirigami-fallskjermen sammenlignet med konvensjonelle typer, særlig når det gjelder størrelsen og vekten på lasten den kan bære. Men det finnes også klare fordeler. I tillegg til et mer forutsigbart fall, kan disse fallskjermene produseres svært billig med enkle materialer. Det spiller heller ingen stor rolle hvordan fallskjermen kastes ut fra et fly eller en drone – med riktig stivhet vil kirigami-fallskjermen alltid folde seg ut på riktig måte.

De kanadiske forskerne opplyser at de nå vil undersøke om de kan styre fallet ved å endre skjæremønsteret, slik at fallskjermen for eksempel roterer under fallet eller glir til den ene eller andre siden – ikke tilfeldig på grunn av turbulens, men på en kontrollert måte. De mener også at man kan legge til en myk og elastisk membran som dekker hullene i den utfoldede fallskjermen, for å redusere sluthastigheten ytterligere. Ønsker man å gjøre fallskjermen mer kompakt før den utløses, kan man bruke japansk papirbretteteknikk, origami, i designet. Det er nok å ta tak i. Det eneste som kan undre, er hvorfor denne fallskjermen ble oppfunnet i Canada – og ikke i Japan.

Artikkelen ble først publisert på Ingeniøren for deres abonnenter. Den er tilgjengelig for TUs abonnenter gjennom vår samarbeidsavtale.