Flexibele vleugel vliegt met gevoel

Promovendus Tigran Mkhoyan (Luchtvaart- & Ruimtevaarttechniek) bekijkt vogels met een ingenieursblik. “Bij een vogel is elke veer verbonden aan een druksensor. Wanneer een vogel gaat landen, vergroot hij de hoek van zijn vleugels ten opzichte van de wind zodat de wrijving toeneemt en de lift vermindert.  Dat ‘stallen’ moet niet te abrupt gaan, anders valt de draagkracht weg. Dus een vogel zet die beweging voorzichtig in. Maar tegelijk zijn er fluctuaties in de wind waarop hij moet reageren. Dat doet een vogel door met zijn veren plaatselijk de druk te voelen en met spiertjes de stand van de veren aan te passen. Bij een vogel gaat dat hele proces geheel automatisch.”

Druksensors, glasvezels als zenuwbanen en servo’s in plaats van spieren – het bekroonde vleugelmodel SmartX-Alpha heeft het allemaal. En wat meer is: het reageert als een levend organisme op fluctuaties in de wind. De promovendi die eraan gewerkt hebben wonnen er op 14 september 2020 de Best Student Hardware Competition mee op een Amerikaanse conferentie over Smart Materials, Adaptive Structures and Intelligent Systems (Smasis). Uit voorlopige resultaten van tests in de Delftse Open Jet Facility windtunnel blijkt dat de actieve vleugel het effect van plotselinge vlagen met meer dan de helft vermindert.

^{Een video over het SmartX-Alpha onderzoeksproject door Dreux Productions.}

Toch zijn er belangrijke verschillen tussen vogels en vliegtuigen, benadrukt onderzoeksleider dr.ir. Roeland De Breuker: de snelheid van vliegtuigen is vele malen groter, net als de belasting per vierkante meter. Vliegtuigmaterialen moeten daarom veel stijver zijn dan natuurlijke vleugels, en dat maakt het moeilijk om een vergelijkbare flexibiliteit te bereiken.

Toch werken ze daaraan bij de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaartechniek (L&R). De Breuker promoveerde in 2006 op morphing wings, en sindsdien is die onderzoekslijn gehandhaafd als mogelijkheid om vliegen te verduurzamen. Flexibele vleugels zijn gladder dan de hedendaagse vleugels met kleppen en spleten, ze veranderen van vorm als tijdens een vlucht het brandstofverbruik de gewichtsverdeling verandert, en ze verminderen de krachten op de bevestiging aan de romp waardoor de constructie lichter kan worden. Flexibele vleugels kunnen tot tien procent brandstof besparen, schat De Breuker.

^{Beweegbare flappen en piëzogestuurde vinnetjes laten het model reageren op veranderingen in de luchtstroom (video still)}

Schaalbaar
Wie nauwkeurig kijkt, ziet achter de beweegbare flappen kleine vinnetjes uitsteken. De flappen kunnen onafhankelijk van elkaar bewegen met een maximale frequentie van vijf Hertz. De elektrisch gestuurde piëzovinnetjes zijn kleiner maar sneller (25 Hertz). De flappen reageren op vlagen, de vinnetjes op turbulentie. Analyse van de windtunnelmetingen moet nog uitwijzen in hoeverre die tegenbewegingen effectief zijn.

De Breuker vertelt dat een bouwer van passagiersvliegtuigen (hij kan niet zeggen wie) interesse heeft getoond in het onderzoek. De hoop is dat een morphing wing-systeem getest gaat worden op een demonstrator – een grote drone als model van een verkeersvliegtuig.

Doordat de onderzoekers gebruik gemaakt hebben van koolstofvezelmaterialen en servomotoren die gebruikelijk zijn in de luchtvaartindustrie is het concept eenvoudig op te schalen, vertelt De Breuker. Die pragmatische keuze heeft zeker een rol gespeeld in het winnen van de hardware award.

Samenwerking
De SmartX-Alpha is ontwikkeld door drie samenwerkende promovendi:

• Nakash Nazeer maakte de continue vervormingssensor over de vleugel op basis van optische vezels
• Vincent Stuber ontwikkelde de piëzo benders achteraan de vleugel en ingebouwde stromingsmeters op de vleugel, ook op basis van piëzo-elektriciteit.
• Tigran Mkhoyan ontwierp en bouwde de vleugel en de onafhankelijk beweegbare achterflappen. Hij leidde ook de integratie van sensing, verwerking en aansturing.

Dr.ir. Roeland De Breuker leidt het onderzoek dat is opgedragen aan de dit voorjaar overleden prof.dr.ir. Pim Groen, afdelingsvoorzitter van aerospace structures & materials bij L&R. Prof.dr.ir. Rinze Benedictus heeft het initiatief genomen om het lopende onderzoek aan morphing wings (De Breuker), optical sensing (dr. Roger Groves) en piezomaterialen (Pim Groen) te bundelen met het doel tot een demonstrator te komen. Die stond onlangs in de windtunnel. Binnen de faculteit L&R is het één van de onderzoeken die tot doel hebben de luchtvaart te verduurzamen, net als de Flying V.