Vliegtuigontwerpers moeten vaak in een laat stadium nog kunstgrepen uithalen om aan de ontwerpeisen te voldoen, doordat bijvoorbeeld in de constructiefase blijkt dat een ontwerp niet haalbaar is.
Ook optimaliseren zij hun ontwerpen niet volledig doordat ze veel variabelen al vlug vastleggen op basis van ervaring. Begrijpelijk, want anders is de zaak is niet meer te overzien. ,,De computer kan wel alle variabelen blijven hanteren”, zegt dr.ir. A.H.W. Bos. Hij promoveerde 27 juni op een nieuwe ontwerpmethode, die hij gebruikte voor het maken van een tweede generatie supersoon verkeersvliegtuig.
Figuur 1 Bos: ,,Mijn doel is het vinden van het beste compromis”
Door variabelen zoals spanwijdte, de massa van het vliegtuig of de hoek die de vleugel met de romp maakt binnen bepaalde grenzen te laten variëren, kan de computer vele combinaties maken. Elke combinatie vormt een nieuw ontwerp. Bos: ,,Uit alle combinaties selecteert de computer uiteindelijk het meest optimale ontwerp.”
Het algoritme dat Bos daarvoor maakte, is een zogenaamd genetisch algoritme. Het werkt volgens Darwins theorie: survival of the fittest. De computer neemt als oersoep random een vijftigtal sets variabelen. ,,Allemaal nulletjes en eentjes die elk als het ware het DNA van de ontwerpen vormen”, verduidelijkt Bos. Het algoritme analyseert het DNA op de prestatie-eigenschappen zoals benodigde startbaanlengte, vliegbereik en dergelijke, en toetst die aan de vooraf gestelde eisen. Daarna kruist het algoritme de beste DNA-ketens twee aan twee met elkaar, waardoor vijftig nieuwe ontwerpen ontstaan. Het blijkt dat de goede eigenschappen behouden blijven.
Zo rekent het programma in twee dagen tijd tienduizenden ontwerpen door en komt uiteindelijk met een optimaal ontwerp. ,,Wanneer je de procedure gaat herhalen komt er in principe nooit precies hetzelfde ontwerp uit, maar het ligt wel heel dicht bij het optimum”, zegt Bos. ,,Het algoritme kan nog verder uitgebouwd worden. Ik heb nu 28 variabelen meegenomen, maar dat kunnen er makkelijk honderd worden.”
Het is belangrijk van meet af aan zoveel mogelijk disciplines, zoals aërodynamica, constructie en voortstuwing te betrekken bij het ontwerpen. Elke discipline heeft invloed op de optimalisering van het ontwerp. Door ze op een vroeg tijdstip te betrekken in het proces wordt terugkoppeling in een laat stadium voorkomen. Meer disciplines geven meer variabelen.
,,Ik heb een betrekkelijk eenvoudig analyseprogramma, dat snel ontwerpen kan doorrekenen, gemaakt voor het algoritme. Als de computercapaciteiten in de toekomst blijven toenemen, dan liggen nauwkeuriger programma’s ook binnen de mogelijkheden. Dat maakt het eind-ontwerp nog veel beter. Het doel van mijn promotie was echter om een optimalisatie-algoritme te ontwerpen.”
Concorde
Bos heeft zijn algoritme losgelaten op het ontwerpen van een nieuw tweede generatie supersoon verkeersvliegtuig. Bos: ,,De eerste generatie, de Concorde, was een technologisch hoogstandje, maar is economisch geflopt. De Concorde kon 140 passagiers over 6000 kilometer transporteren. Het nieuwe vliegtuig moet minimaal 250 personen kunnen vervoeren over een afstand van minimaal 9000 kilometer.”
Zijn de eisen aan een subsoon vliegtuig al erg tegenstrijdig (de constructie moet bijvoorbeeld wel sterk maar mag niet zwaar zijn), voor een supersoon vliegtuig is dat nog veel meer het geval. Een supersoon vliegtuig moet zowel hoog kunnen vliegen bij hoge snelheid als laag bij lage snelheid. En dan ook nog zo zuinig mogelijk, etcetera. Kortom, de ontwerpruimte voor een supersoon vliegtuig is enorm klein.
,,Volgens de klassieke ontwerpmethode zou men beginnen met het tekenen van een slanke speervormige romp die een vrij grote hoek maakt met de voorrand van de vleugels”, legt Bos uit. ,,Op die manier overschrijdt de snelheidscomponent die loodrecht op de vleugels staat niet de geluidssnelheid, waardoor de weerstand in de kruisvlucht het kleinst blijft. In mijn ontwerpmethode heb ik deze hoek niet vooraf vastgelegd. Lage weerstand is namelijk niet mijn doel. Het doel is het beste compromis.”
Het ontwerp dat uit de computer kwam rollen, blijkt inderdaad een kleinere vleugelhoek te hebben dan tot nu toe gebruikelijk was. Het zou het grootste vliegtuig ter wereld worden, namelijk 78 meter lang, met een spanwijdte van 52 meter. Ter vergelijk: de Boeing 747 is 70 meter lang en heeft een spanwijdte van 65 meter. Maar het is vooral erg zwaar, 400 ton, zo’n 50 ton meer als de Boeing.
,,Dat komt met name door de grote hoeveelheid brandstof die het vliegtuig mee moet nemen”, verklaart Bos. ,,Doordat het supersoon vliegt, krijg je te maken met golfweerstand van de lucht. Het vliegtuig is als het ware zijn eigen luchtverstoring te snel af. Daardoor verbruikt het veel meer brandstof.”
Milieu-eisen
,,Mijn uitgangspunt is dus: minimaliseer de overschrijdingen van de eisen. Daar zou een bepaalde weegfactor bij gebruikt kunnen worden, maar dat is erg moeilijk. Wat is bijvoorbeeld erger: tien meter overschrijding van de startbaanlengte die het vliegtuig nodig heeft, of tien centimeter extra vleugelbreedte die het vliegtuig moeilijker hanteerbaar maakt op vliegvelden? Of wat is optimaal: zuinig vliegen of een laag gewicht? Daarover kun je oneindig discussiëren.”
Of de supersone verkeersvliegtuigen er uiteindelijk zullen komen, is nog niet duidelijk. De luchtvaartindustrie twijfelt nog altijd of ze supersone verkeersvliegtuigen wil ontwikkelen of very high capacity vliegtuigen, waar achthonderd passagiers tegelijk mee te vervoeren zijn.
Persoonlijk denkt Bos dat die vraag pas beantwoord kan worden als internationaal afspraken gemaakt zijn over de milieu-eisen die aan het vliegverkeer worden gesteld. Tot op heden mogen vliegtuigen boven land niet supersoon vliegen in verband met de geluidsknal. ,,Dat is ingevoerd sinds de Concorde in de VS een emotionele discussie aanwakkerde”, zegt Bos. Dezemaatregel beperkt het supersoon vliegen tot de oceaanvluchten.
Ook normen die gelden voor het startgeluid en de uitstoot van NO
x
moeten vastliggen voordat het supersone vliegtuig definitief ontworpen kan worden. Pas dan kan de luchtvaartindustrie een keuze maken. Maar of een supersoon vliegtuig überhaupt zal kunnen voldoen aan die milieu-eisen is volgens Bos nog zeer de vraag.
,
Vliegtuigontwerpers moeten vaak in een laat stadium nog kunstgrepen uithalen om aan de ontwerpeisen te voldoen, doordat bijvoorbeeld in de constructiefase blijkt dat een ontwerp niet haalbaar is. Ook optimaliseren zij hun ontwerpen niet volledig doordat ze veel variabelen al vlug vastleggen op basis van ervaring. Begrijpelijk, want anders is de zaak is niet meer te overzien. ,,De computer kan wel alle variabelen blijven hanteren”, zegt dr.ir. A.H.W. Bos. Hij promoveerde 27 juni op een nieuwe ontwerpmethode, die hij gebruikte voor het maken van een tweede generatie supersoon verkeersvliegtuig.
Figuur 1 Bos: ,,Mijn doel is het vinden van het beste compromis”
Door variabelen zoals spanwijdte, de massa van het vliegtuig of de hoek die de vleugel met de romp maakt binnen bepaalde grenzen te laten variëren, kan de computer vele combinaties maken. Elke combinatie vormt een nieuw ontwerp. Bos: ,,Uit alle combinaties selecteert de computer uiteindelijk het meest optimale ontwerp.”
Het algoritme dat Bos daarvoor maakte, is een zogenaamd genetisch algoritme. Het werkt volgens Darwins theorie: survival of the fittest. De computer neemt als oersoep random een vijftigtal sets variabelen. ,,Allemaal nulletjes en eentjes die elk als het ware het DNA van de ontwerpen vormen”, verduidelijkt Bos. Het algoritme analyseert het DNA op de prestatie-eigenschappen zoals benodigde startbaanlengte, vliegbereik en dergelijke, en toetst die aan de vooraf gestelde eisen. Daarna kruist het algoritme de beste DNA-ketens twee aan twee met elkaar, waardoor vijftig nieuwe ontwerpen ontstaan. Het blijkt dat de goede eigenschappen behouden blijven.
Zo rekent het programma in twee dagen tijd tienduizenden ontwerpen door en komt uiteindelijk met een optimaal ontwerp. ,,Wanneer je de procedure gaat herhalen komt er in principe nooit precies hetzelfde ontwerp uit, maar het ligt wel heel dicht bij het optimum”, zegt Bos. ,,Het algoritme kan nog verder uitgebouwd worden. Ik heb nu 28 variabelen meegenomen, maar dat kunnen er makkelijk honderd worden.”
Het is belangrijk van meet af aan zoveel mogelijk disciplines, zoals aërodynamica, constructie en voortstuwing te betrekken bij het ontwerpen. Elke discipline heeft invloed op de optimalisering van het ontwerp. Door ze op een vroeg tijdstip te betrekken in het proces wordt terugkoppeling in een laat stadium voorkomen. Meer disciplines geven meer variabelen.
,,Ik heb een betrekkelijk eenvoudig analyseprogramma, dat snel ontwerpen kan doorrekenen, gemaakt voor het algoritme. Als de computercapaciteiten in de toekomst blijven toenemen, dan liggen nauwkeuriger programma’s ook binnen de mogelijkheden. Dat maakt het eind-ontwerp nog veel beter. Het doel van mijn promotie was echter om een optimalisatie-algoritme te ontwerpen.”
Concorde
Bos heeft zijn algoritme losgelaten op het ontwerpen van een nieuw tweede generatie supersoon verkeersvliegtuig. Bos: ,,De eerste generatie, de Concorde, was een technologisch hoogstandje, maar is economisch geflopt. De Concorde kon 140 passagiers over 6000 kilometer transporteren. Het nieuwe vliegtuig moet minimaal 250 personen kunnen vervoeren over een afstand van minimaal 9000 kilometer.”
Zijn de eisen aan een subsoon vliegtuig al erg tegenstrijdig (de constructie moet bijvoorbeeld wel sterk maar mag niet zwaar zijn), voor een supersoon vliegtuig is dat nog veel meer het geval. Een supersoon vliegtuig moet zowel hoog kunnen vliegen bij hoge snelheid als laag bij lage snelheid. En dan ook nog zo zuinig mogelijk, etcetera. Kortom, de ontwerpruimte voor een supersoon vliegtuig is enorm klein.
,,Volgens de klassieke ontwerpmethode zou men beginnen met het tekenen van een slanke speervormige romp die een vrij grote hoek maakt met de voorrand van de vleugels”, legt Bos uit. ,,Op die manier overschrijdt de snelheidscomponent die loodrecht op de vleugels staat niet de geluidssnelheid, waardoor de weerstand in de kruisvlucht het kleinst blijft. In mijn ontwerpmethode heb ik deze hoek niet vooraf vastgelegd. Lage weerstand is namelijk niet mijn doel. Het doel is het beste compromis.”
Het ontwerp dat uit de computer kwam rollen, blijkt inderdaad een kleinere vleugelhoek te hebben dan tot nu toe gebruikelijk was. Het zou het grootste vliegtuig ter wereld worden, namelijk 78 meter lang, met een spanwijdte van 52 meter. Ter vergelijk: de Boeing 747 is 70 meter lang en heeft een spanwijdte van 65 meter. Maar het is vooral erg zwaar, 400 ton, zo’n 50 ton meer als de Boeing.
,,Dat komt met name door de grote hoeveelheid brandstof die het vliegtuig mee moet nemen”, verklaart Bos. ,,Doordat het supersoon vliegt, krijg je te maken met golfweerstand van de lucht. Het vliegtuig is als het ware zijn eigen luchtverstoring te snel af. Daardoor verbruikt het veel meer brandstof.”
Milieu-eisen
,,Mijn uitgangspunt is dus: minimaliseer de overschrijdingen van de eisen. Daar zou een bepaalde weegfactor bij gebruikt kunnen worden, maar dat is erg moeilijk. Wat is bijvoorbeeld erger: tien meter overschrijding van de startbaanlengte die het vliegtuig nodig heeft, of tien centimeter extra vleugelbreedte die het vliegtuig moeilijker hanteerbaar maakt op vliegvelden? Of wat is optimaal: zuinig vliegen of een laag gewicht? Daarover kun je oneindig discussiëren.”
Of de supersone verkeersvliegtuigen er uiteindelijk zullen komen, is nog niet duidelijk. De luchtvaartindustrie twijfelt nog altijd of ze supersone verkeersvliegtuigen wil ontwikkelen of very high capacity vliegtuigen, waar achthonderd passagiers tegelijk mee te vervoeren zijn.
Persoonlijk denkt Bos dat die vraag pas beantwoord kan worden als internationaal afspraken gemaakt zijn over de milieu-eisen die aan het vliegverkeer worden gesteld. Tot op heden mogen vliegtuigen boven land niet supersoon vliegen in verband met de geluidsknal. ,,Dat is ingevoerd sinds de Concorde in de VS een emotionele discussie aanwakkerde”, zegt Bos. Dezemaatregel beperkt het supersoon vliegen tot de oceaanvluchten.
Ook normen die gelden voor het startgeluid en de uitstoot van NO
x
moeten vastliggen voordat het supersone vliegtuig definitief ontworpen kan worden. Pas dan kan de luchtvaartindustrie een keuze maken. Maar of een supersoon vliegtuig überhaupt zal kunnen voldoen aan die milieu-eisen is volgens Bos nog zeer de vraag.
Vliegtuigontwerpers moeten vaak in een laat stadium nog kunstgrepen uithalen om aan de ontwerpeisen te voldoen, doordat bijvoorbeeld in de constructiefase blijkt dat een ontwerp niet haalbaar is. Ook optimaliseren zij hun ontwerpen niet volledig doordat ze veel variabelen al vlug vastleggen op basis van ervaring. Begrijpelijk, want anders is de zaak is niet meer te overzien. ,,De computer kan wel alle variabelen blijven hanteren”, zegt dr.ir. A.H.W. Bos. Hij promoveerde 27 juni op een nieuwe ontwerpmethode, die hij gebruikte voor het maken van een tweede generatie supersoon verkeersvliegtuig.
Figuur 1 Bos: ,,Mijn doel is het vinden van het beste compromis”
Door variabelen zoals spanwijdte, de massa van het vliegtuig of de hoek die de vleugel met de romp maakt binnen bepaalde grenzen te laten variëren, kan de computer vele combinaties maken. Elke combinatie vormt een nieuw ontwerp. Bos: ,,Uit alle combinaties selecteert de computer uiteindelijk het meest optimale ontwerp.”
Het algoritme dat Bos daarvoor maakte, is een zogenaamd genetisch algoritme. Het werkt volgens Darwins theorie: survival of the fittest. De computer neemt als oersoep random een vijftigtal sets variabelen. ,,Allemaal nulletjes en eentjes die elk als het ware het DNA van de ontwerpen vormen”, verduidelijkt Bos. Het algoritme analyseert het DNA op de prestatie-eigenschappen zoals benodigde startbaanlengte, vliegbereik en dergelijke, en toetst die aan de vooraf gestelde eisen. Daarna kruist het algoritme de beste DNA-ketens twee aan twee met elkaar, waardoor vijftig nieuwe ontwerpen ontstaan. Het blijkt dat de goede eigenschappen behouden blijven.
Zo rekent het programma in twee dagen tijd tienduizenden ontwerpen door en komt uiteindelijk met een optimaal ontwerp. ,,Wanneer je de procedure gaat herhalen komt er in principe nooit precies hetzelfde ontwerp uit, maar het ligt wel heel dicht bij het optimum”, zegt Bos. ,,Het algoritme kan nog verder uitgebouwd worden. Ik heb nu 28 variabelen meegenomen, maar dat kunnen er makkelijk honderd worden.”
Het is belangrijk van meet af aan zoveel mogelijk disciplines, zoals aërodynamica, constructie en voortstuwing te betrekken bij het ontwerpen. Elke discipline heeft invloed op de optimalisering van het ontwerp. Door ze op een vroeg tijdstip te betrekken in het proces wordt terugkoppeling in een laat stadium voorkomen. Meer disciplines geven meer variabelen.
,,Ik heb een betrekkelijk eenvoudig analyseprogramma, dat snel ontwerpen kan doorrekenen, gemaakt voor het algoritme. Als de computercapaciteiten in de toekomst blijven toenemen, dan liggen nauwkeuriger programma’s ook binnen de mogelijkheden. Dat maakt het eind-ontwerp nog veel beter. Het doel van mijn promotie was echter om een optimalisatie-algoritme te ontwerpen.”
Concorde
Bos heeft zijn algoritme losgelaten op het ontwerpen van een nieuw tweede generatie supersoon verkeersvliegtuig. Bos: ,,De eerste generatie, de Concorde, was een technologisch hoogstandje, maar is economisch geflopt. De Concorde kon 140 passagiers over 6000 kilometer transporteren. Het nieuwe vliegtuig moet minimaal 250 personen kunnen vervoeren over een afstand van minimaal 9000 kilometer.”
Zijn de eisen aan een subsoon vliegtuig al erg tegenstrijdig (de constructie moet bijvoorbeeld wel sterk maar mag niet zwaar zijn), voor een supersoon vliegtuig is dat nog veel meer het geval. Een supersoon vliegtuig moet zowel hoog kunnen vliegen bij hoge snelheid als laag bij lage snelheid. En dan ook nog zo zuinig mogelijk, etcetera. Kortom, de ontwerpruimte voor een supersoon vliegtuig is enorm klein.
,,Volgens de klassieke ontwerpmethode zou men beginnen met het tekenen van een slanke speervormige romp die een vrij grote hoek maakt met de voorrand van de vleugels”, legt Bos uit. ,,Op die manier overschrijdt de snelheidscomponent die loodrecht op de vleugels staat niet de geluidssnelheid, waardoor de weerstand in de kruisvlucht het kleinst blijft. In mijn ontwerpmethode heb ik deze hoek niet vooraf vastgelegd. Lage weerstand is namelijk niet mijn doel. Het doel is het beste compromis.”
Het ontwerp dat uit de computer kwam rollen, blijkt inderdaad een kleinere vleugelhoek te hebben dan tot nu toe gebruikelijk was. Het zou het grootste vliegtuig ter wereld worden, namelijk 78 meter lang, met een spanwijdte van 52 meter. Ter vergelijk: de Boeing 747 is 70 meter lang en heeft een spanwijdte van 65 meter. Maar het is vooral erg zwaar, 400 ton, zo’n 50 ton meer als de Boeing.
,,Dat komt met name door de grote hoeveelheid brandstof die het vliegtuig mee moet nemen”, verklaart Bos. ,,Doordat het supersoon vliegt, krijg je te maken met golfweerstand van de lucht. Het vliegtuig is als het ware zijn eigen luchtverstoring te snel af. Daardoor verbruikt het veel meer brandstof.”
Milieu-eisen
,,Mijn uitgangspunt is dus: minimaliseer de overschrijdingen van de eisen. Daar zou een bepaalde weegfactor bij gebruikt kunnen worden, maar dat is erg moeilijk. Wat is bijvoorbeeld erger: tien meter overschrijding van de startbaanlengte die het vliegtuig nodig heeft, of tien centimeter extra vleugelbreedte die het vliegtuig moeilijker hanteerbaar maakt op vliegvelden? Of wat is optimaal: zuinig vliegen of een laag gewicht? Daarover kun je oneindig discussiëren.”
Of de supersone verkeersvliegtuigen er uiteindelijk zullen komen, is nog niet duidelijk. De luchtvaartindustrie twijfelt nog altijd of ze supersone verkeersvliegtuigen wil ontwikkelen of very high capacity vliegtuigen, waar achthonderd passagiers tegelijk mee te vervoeren zijn.
Persoonlijk denkt Bos dat die vraag pas beantwoord kan worden als internationaal afspraken gemaakt zijn over de milieu-eisen die aan het vliegverkeer worden gesteld. Tot op heden mogen vliegtuigen boven land niet supersoon vliegen in verband met de geluidsknal. ,,Dat is ingevoerd sinds de Concorde in de VS een emotionele discussie aanwakkerde”, zegt Bos. Dezemaatregel beperkt het supersoon vliegen tot de oceaanvluchten.
Ook normen die gelden voor het startgeluid en de uitstoot van NO
x
moeten vastliggen voordat het supersone vliegtuig definitief ontworpen kan worden. Pas dan kan de luchtvaartindustrie een keuze maken. Maar of een supersoon vliegtuig überhaupt zal kunnen voldoen aan die milieu-eisen is volgens Bos nog zeer de vraag.
Heb je een vraag of opmerking over dit artikel?
delta@tudelft.nl
Comments are closed.