Vogels inspireerden uitvinders van weleer vleugelachtige constructies aan hun armen te monteren. Het resultaat: kansloos armgefladder op duintoppen en kerktorens.
Delen
Honderd jaar na de eerste gemotoriseerde vlucht van de Wright Brothers, kiezen aëronautische avonturiers wederom voor kronkelende en klapperende vleugels. Deze keer in onbemande vliegtuigen.
Modelhelikopters in zijn kast, rotorbladen op zijn vloerkleed. Op de tiende verdieping van de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek werkt prof.dr.ir. Theo van Holten aan het luchtvaartuig van de toekomst: de ornicopter, een staartloze helikopter met klapperende rotorbladen. ,,Ik vind helikopters interessanter dan vliegtuigen”, zegt Van Holten. ,,Over dertig jaar vliegen we nog steeds in ongeveer dezelfde verkeersvliegtuigen als dertig jaar geleden. Na de introductie van de gasturbinemotor is er weliswaar continu vooruitgang geboekt, maar het gaat hierbij om procentenwerk. Een procentje lichter, een procentje zuiniger, weer een beetje groter. De techniek van helikopters loopt zo’n vijftig jaar achter op die van vliegtuigen. Hier valt in korte tijd nog grote winst te boeken.”
Eén van de grote uitdagingen daarbij is de ontwikkeling van een helikopter zonder staart. In eerste instantie lijkt het een onmogelijke opgave. De derde wet van Newton leert dat iedere actiekracht een tegengestelde reactiekracht oplevert. De ronddraaiende rotorbladen van een helikopter wekken dus een tegengesteld krachtenkoppel op, dat het hele toestel doet draaien. Als een piloot niet als een bromtol in de lucht wil spinnen, zal hij dit koppel moeten compenseren met de kracht van de staartrotor.
Van Holten: ,,De staartrotor gebruikt zo’n tien procent van het vermogen, de mechanische overbrengingen door de staart zijn erg complex en onderhoudsgevoelig. Maar bovenal is het een operationeel onding. Piloten kunnen de staartrotor nauwelijks zien. Er is altijd een risico dat de draaiende wieken iets of iemand raken.”
Van Holtens ornicopter moet al deze problemen oplossen. Hij gebruikt hiervoor klapwiekende rotorbladen. Door de bladen omhoog en omlaag te zwiepen ontstaat lift en voortstuwing, net als bij een vogel. De piloot stuurt door de invalshoek van de rotorbladen te veranderen. De ‘klappertechniek’ werd door Leonardo da Vinci in de zestiende eeuw na mislukte experimenten bestempeld als ’te energieverslindend om mensen te kunnen laten vliegen’. Maar door in het evenwichtspunt de bladen een ‘zetje’ te geven % vergelijkbaar met de slingerbeweging van iemand op een schommel % wordt zuinig omgesprongen met brandstof.
Van Holten: ,,De eerste tests van een proefmodel zijn begin dit jaar in de windtunnel uitgevoerd, met succes. Over een paar maanden hopen we een op afstand bestuurbaar vrij vliegend model te hebben, als tussenstap naar full-scale proeven met een omgebouwde zelfbouwhelikopter.”
Tank
De hedendaagse pionierende vliegtuigontwerpers richten zich vooral op onbemande vliegtuigen. Logisch, want daarvoor gelden veel soepelere luchtwaardigheidseisen, waardoor er geen kans is op verlies van mensenlevens.
De Amerikaanse gasthoogleraar dr. Ron Barrett heeft aan de Auburn University al een aantal van deze unmanned aereal vehicles (uav’s) gebouwd. In 1995 haalde hij het wereldnieuws met de Mothra; het eerste vliegtuigje dat volledig adaptief kan sturen. Hierbij wordt gestuurd door de vleugeloppervlakken van vorm te laten veranderen, en zonder gebruik te maken van afzonderlijke roervlakken.
In Barretts toekomstvisie zijn vliegtuigdelen buigzaam als spieren. Barrett: ,,Ik zie klapperende vleugels, buigende rompen en knikkende neuzen.”
Voor zijn adaptieve stuurvlakken maakt Barrett gebruik van herinneringsmetaal, ingebouwd in composieten delen van het vliegtuig. Dit materiaal vervormt als het warmer wordt, en schiet bij afkoelen terug in de originele vorm. Met elektrische stroom regelt Barrett de warmte in het herinneringsmetaal. Hierdoor vervormen delen van de uav, met veranderende aërodynamische eigenschappen als gevolg.
Barrett: ,,Hierdoor heb ik geen zware servomotoren nodig om roervlakken aan te sturen. In totaal scheelt het zeker vijftig procent aan gewicht voor mijn uav’s.”
Op zijn bureau staan vijf zelfgebouwde onbemande vliegtuigjes. Ze doen denken aan de Daltons uit ‘Lucky Luke’: allemaal hetzelfde uiterlijk, maar de één net iets kleiner dan de ander. De grootste, de Helispy II, weegt drie kilo en is al getest door het Amerikaanse leger. Barrett toont een filmpje op zijn laptop. De Helispy schiet uit een tank en gaat op verkenningsvlucht. Het gevaarte is helikopter en vliegtuig in één: het maakt de overgang van hoover- naar kruisvlucht door negentig graden te kantelen. De ring om de rotorbladen doet dan dienst als vleugel. Barrett wijst naar het kleinste model van de Helispy-familie, niet veel groter dan een schoenendoos. ,,De nieuwste versie moet 65 gram gaan wegen. Over een paar jaar moeten de vliegtuigjes zo klein zijn dat politieagenten ze mee kunnen nemen in hun holster. Als bad guys ontsnappen in een auto, stuurt de agent er gewoon een Helispy achteraan. Die plakt zich vast op het dak van de vluchtauto en verstuurt beeldopnames en positiegegevens. Een stuk veiliger dan een achtervolging door de stad, en veel goedkoper dan het inschakelen van een politiehelikopter. Een uurtje vliegen met een uav hoeft niet meer dan tien euro te kosten. Bij een helikopter is dat al snel 250 euro.”
Insect
De adaptieve stuurvlakken van Ron Barretts Helispy vormen de eerste stap op weg naar vliegtuigen die rigoureus van vorm veranderen tijdens de vlucht. Nasa werkt aan het project The Morphing Aircraft. Op lange termijn moet dit uitmonden in een onbemand vliegtuig dat onder andere tijdens de vlucht de vleugels twee keer zo klein kan maken, wat veel efficiënter vliegt bij hoge snelheden. Het vliegtuig van de toekomst zoekt zelf de ideale vorm bij een bepaalde missie of een bepaald weertype.
,,Maar we moeten nog flink rekenen voordat we dat soort toestellen de lucht in kunnen sturen”, zegt dr.ir. Hester Bijl, universitair hoofddocent bij de sectie aërodynamica. ,,Door bijvoorbeeld het profiel van vleugels tijdens de vlucht te veranderen, ontstaan er allerlei nieuwe krachten op het vliegtuig. Hierdoor veranderen de aërodynamische eigenschappen, wat kan leiden tot andere eisen voor het besturingssysteem, en tot ongewenste trillingen.”
Die trillingen moeten niet onderschat worden, vindt Bijl: ,,Ik heb een filmpje gezien van een gevechtsvliegtuig dat zijn bommen liet vallen. Door de plotselinge verandering in gewichtsverdeling, trilde het hele ophangsysteem los.”
Bij Nasa’s Morphing Aircraft zal dit soort problemen nog veel groter zijn. Het is een kip-en-ei-verhaal. Vormveranderingen leiden tot nieuwe äerodynamische krachten, die leiden tot vormveranderingen, die leiden tot äerodynamische krachten, etcetera.
Bijl: ,,Bij conventionele vliegtuigen werken aërodynamici en constructeurs relatief gescheiden. Als de een zorgt dat de vleugel niet meer vervormt dan een bepaald percentage, dan zorgt de ander voor een vleugelontwerp waarbij de krachten binnen de perken blijven.”
Maar bij vliegtuigen die tijdens de landing de vleugels bollen als een zwaan, volstaat deze methode niet meer. Bijl: ,,Daarom werk ik aan een numerieke simulatie waarbij zowel constructieve als äerodynamische eigenschappen meegenomen worden. Tien miljoen punten op stroomoppervlakken simuleren de wederzijdse beïnvloeding van stroming en constructie. Uiteindelijk kan ik hiermee bijvoorbeeld het trillingsgedrag voorspellen van een vliegtuig dat compleet van vorm verandert.”
Om grip te krijgen op de gevolgen van de meest extreme vormveranderingen, neemt Bijl insecten onder de loep. Begin volgend jaar gaat ze in een watertank bij civiele techniek de stroming langs de vleugels van een mug onderzoeken. Dit onderzoek kan helpen bij de ontwikkeling van een micro-aerial vehicle. Bijl: ,,Deze vliegtuigen zijn zo klein, dat we veel van insecten kunnen leren. We willen weten welk vleugelprofiel en welke flapbeweging een hoge lift en een lage weerstand teweeg brengen.”
Serieus? Een vliegtuig met de afmetingen en bestuurbaarheid van een fruitvlieg? Bijl: ,,Waarom niet?”
Vliegende pioniers
Vooruitgang gaat met stapjes, niet met sprongen. En de gebroeders Wright danken hun pioniersstatus mede aan het anonieme geploeter van collega’s op het gebied van constructies, zweefvliegerij en motortechnieken. Desalniettemin zeven beroemde vliegtuigbouwers van het eerste uur in de spotlamp. Want iedere geschiedenis heeft zijn hoofdrolspelers nodig.
Icarus
Ontsnapte volgens de Griekse mythologie met vleugels van vogelveren en bijenwas uit het labyrint van koning Minos. Ondanks waarschuwingen van vader Daedalus vloog hij te dicht bij de zon, waardoor zijn vleugels smolten. Hij stortte in zee en verdronk.
Leonardo da Vinci (1452-1519)
Personificatie van het renaissance-ideaal: kunstenaar, uitvinder en wetenschapper. Tekende en bouwde ‘vliegtuigen’ gebaseerd op de vleugelslagen van vogels. Toen hij ontdekte dat de spierkracht van de mens tekort schoot, maakte hij de eerste schetsen van een helikopter. Vliegen deed hij nooit.
Otto Lilienthal (1848-1896)
Eerste mens die daadwerkelijk enkele honderden meters zweefde met een ‘zwaarder-dan-lucht-voertuig’. (De gebroeders Montgolfière maakten de eerste ballonvlucht in 1783.) Liet zijn zweefvliegtuigen vaak testen door kinderen, omdat die lichter zijn. Maar ook zijn eigen leven legde deze Duitse ingenieur meermaals in de waagschaal: een onverwachte thermiekbel werd hem fataal.
Clément Ader (1841 % 1925)
Franse ingenieur, uitvinder van het woord avion (vliegtuig). Bouwde de Eole; een mechanische reuzenvleermuis met stoomaangedreven propeller. Topprestatie: ‘vloog’ in 1890 vijftig meter lang op een paar centimeter boven het maaiveld. Besturing was afwezig.
Orville Wright (1871-1948) en Wilbur Wright (1867-1912)
Amerikaanse broers die op 17 december 1903 de eerste ‘echte’ gemotoriseerde vlucht maakten. Ze gebruikten een benzinemotor, veel lichter dan Aders stoommotor. De Wright Flyer vloog bij het derde experiment van de dag 260 meter in 59 seconden.
Igor Sikorsky (1889-1972)
Russische ingenieur. Ontwikkelde in 1939 de eerste bruikbare helikopter met staartrotor.
Antonie Fokker (1890-1939)
Nederlands beroemdste luchtvaartpionier en oprichter van de Fokker-fabriek. Ontwierp, bouwde en vloog al op twintigjarige leeftijd zijn eerste vliegtuig. Ontwikkelde in de eerste wereldoorlog voor de Duitse luchtmacht een boordkanon dat veilig door de bladen van een propeller schiet.
www.corax.com/timemachine/index.html
www.aviationnow.com/content/ncof/ncf_n66.htm
Vogels inspireerden uitvinders van weleer vleugelachtige constructies aan hun armen te monteren. Het resultaat: kansloos armgefladder op duintoppen en kerktorens. Honderd jaar na de eerste gemotoriseerde vlucht van de Wright Brothers, kiezen aëronautische avonturiers wederom voor kronkelende en klapperende vleugels. Deze keer in onbemande vliegtuigen.
Modelhelikopters in zijn kast, rotorbladen op zijn vloerkleed. Op de tiende verdieping van de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek werkt prof.dr.ir. Theo van Holten aan het luchtvaartuig van de toekomst: de ornicopter, een staartloze helikopter met klapperende rotorbladen. ,,Ik vind helikopters interessanter dan vliegtuigen”, zegt Van Holten. ,,Over dertig jaar vliegen we nog steeds in ongeveer dezelfde verkeersvliegtuigen als dertig jaar geleden. Na de introductie van de gasturbinemotor is er weliswaar continu vooruitgang geboekt, maar het gaat hierbij om procentenwerk. Een procentje lichter, een procentje zuiniger, weer een beetje groter. De techniek van helikopters loopt zo’n vijftig jaar achter op die van vliegtuigen. Hier valt in korte tijd nog grote winst te boeken.”
Eén van de grote uitdagingen daarbij is de ontwikkeling van een helikopter zonder staart. In eerste instantie lijkt het een onmogelijke opgave. De derde wet van Newton leert dat iedere actiekracht een tegengestelde reactiekracht oplevert. De ronddraaiende rotorbladen van een helikopter wekken dus een tegengesteld krachtenkoppel op, dat het hele toestel doet draaien. Als een piloot niet als een bromtol in de lucht wil spinnen, zal hij dit koppel moeten compenseren met de kracht van de staartrotor.
Van Holten: ,,De staartrotor gebruikt zo’n tien procent van het vermogen, de mechanische overbrengingen door de staart zijn erg complex en onderhoudsgevoelig. Maar bovenal is het een operationeel onding. Piloten kunnen de staartrotor nauwelijks zien. Er is altijd een risico dat de draaiende wieken iets of iemand raken.”
Van Holtens ornicopter moet al deze problemen oplossen. Hij gebruikt hiervoor klapwiekende rotorbladen. Door de bladen omhoog en omlaag te zwiepen ontstaat lift en voortstuwing, net als bij een vogel. De piloot stuurt door de invalshoek van de rotorbladen te veranderen. De ‘klappertechniek’ werd door Leonardo da Vinci in de zestiende eeuw na mislukte experimenten bestempeld als ’te energieverslindend om mensen te kunnen laten vliegen’. Maar door in het evenwichtspunt de bladen een ‘zetje’ te geven % vergelijkbaar met de slingerbeweging van iemand op een schommel % wordt zuinig omgesprongen met brandstof.
Van Holten: ,,De eerste tests van een proefmodel zijn begin dit jaar in de windtunnel uitgevoerd, met succes. Over een paar maanden hopen we een op afstand bestuurbaar vrij vliegend model te hebben, als tussenstap naar full-scale proeven met een omgebouwde zelfbouwhelikopter.”
Tank
De hedendaagse pionierende vliegtuigontwerpers richten zich vooral op onbemande vliegtuigen. Logisch, want daarvoor gelden veel soepelere luchtwaardigheidseisen, waardoor er geen kans is op verlies van mensenlevens.
De Amerikaanse gasthoogleraar dr. Ron Barrett heeft aan de Auburn University al een aantal van deze unmanned aereal vehicles (uav’s) gebouwd. In 1995 haalde hij het wereldnieuws met de Mothra; het eerste vliegtuigje dat volledig adaptief kan sturen. Hierbij wordt gestuurd door de vleugeloppervlakken van vorm te laten veranderen, en zonder gebruik te maken van afzonderlijke roervlakken.
In Barretts toekomstvisie zijn vliegtuigdelen buigzaam als spieren. Barrett: ,,Ik zie klapperende vleugels, buigende rompen en knikkende neuzen.”
Voor zijn adaptieve stuurvlakken maakt Barrett gebruik van herinneringsmetaal, ingebouwd in composieten delen van het vliegtuig. Dit materiaal vervormt als het warmer wordt, en schiet bij afkoelen terug in de originele vorm. Met elektrische stroom regelt Barrett de warmte in het herinneringsmetaal. Hierdoor vervormen delen van de uav, met veranderende aërodynamische eigenschappen als gevolg.
Barrett: ,,Hierdoor heb ik geen zware servomotoren nodig om roervlakken aan te sturen. In totaal scheelt het zeker vijftig procent aan gewicht voor mijn uav’s.”
Op zijn bureau staan vijf zelfgebouwde onbemande vliegtuigjes. Ze doen denken aan de Daltons uit ‘Lucky Luke’: allemaal hetzelfde uiterlijk, maar de één net iets kleiner dan de ander. De grootste, de Helispy II, weegt drie kilo en is al getest door het Amerikaanse leger. Barrett toont een filmpje op zijn laptop. De Helispy schiet uit een tank en gaat op verkenningsvlucht. Het gevaarte is helikopter en vliegtuig in één: het maakt de overgang van hoover- naar kruisvlucht door negentig graden te kantelen. De ring om de rotorbladen doet dan dienst als vleugel. Barrett wijst naar het kleinste model van de Helispy-familie, niet veel groter dan een schoenendoos. ,,De nieuwste versie moet 65 gram gaan wegen. Over een paar jaar moeten de vliegtuigjes zo klein zijn dat politieagenten ze mee kunnen nemen in hun holster. Als bad guys ontsnappen in een auto, stuurt de agent er gewoon een Helispy achteraan. Die plakt zich vast op het dak van de vluchtauto en verstuurt beeldopnames en positiegegevens. Een stuk veiliger dan een achtervolging door de stad, en veel goedkoper dan het inschakelen van een politiehelikopter. Een uurtje vliegen met een uav hoeft niet meer dan tien euro te kosten. Bij een helikopter is dat al snel 250 euro.”
Insect
De adaptieve stuurvlakken van Ron Barretts Helispy vormen de eerste stap op weg naar vliegtuigen die rigoureus van vorm veranderen tijdens de vlucht. Nasa werkt aan het project The Morphing Aircraft. Op lange termijn moet dit uitmonden in een onbemand vliegtuig dat onder andere tijdens de vlucht de vleugels twee keer zo klein kan maken, wat veel efficiënter vliegt bij hoge snelheden. Het vliegtuig van de toekomst zoekt zelf de ideale vorm bij een bepaalde missie of een bepaald weertype.
,,Maar we moeten nog flink rekenen voordat we dat soort toestellen de lucht in kunnen sturen”, zegt dr.ir. Hester Bijl, universitair hoofddocent bij de sectie aërodynamica. ,,Door bijvoorbeeld het profiel van vleugels tijdens de vlucht te veranderen, ontstaan er allerlei nieuwe krachten op het vliegtuig. Hierdoor veranderen de aërodynamische eigenschappen, wat kan leiden tot andere eisen voor het besturingssysteem, en tot ongewenste trillingen.”
Die trillingen moeten niet onderschat worden, vindt Bijl: ,,Ik heb een filmpje gezien van een gevechtsvliegtuig dat zijn bommen liet vallen. Door de plotselinge verandering in gewichtsverdeling, trilde het hele ophangsysteem los.”
Bij Nasa’s Morphing Aircraft zal dit soort problemen nog veel groter zijn. Het is een kip-en-ei-verhaal. Vormveranderingen leiden tot nieuwe äerodynamische krachten, die leiden tot vormveranderingen, die leiden tot äerodynamische krachten, etcetera.
Bijl: ,,Bij conventionele vliegtuigen werken aërodynamici en constructeurs relatief gescheiden. Als de een zorgt dat de vleugel niet meer vervormt dan een bepaald percentage, dan zorgt de ander voor een vleugelontwerp waarbij de krachten binnen de perken blijven.”
Maar bij vliegtuigen die tijdens de landing de vleugels bollen als een zwaan, volstaat deze methode niet meer. Bijl: ,,Daarom werk ik aan een numerieke simulatie waarbij zowel constructieve als äerodynamische eigenschappen meegenomen worden. Tien miljoen punten op stroomoppervlakken simuleren de wederzijdse beïnvloeding van stroming en constructie. Uiteindelijk kan ik hiermee bijvoorbeeld het trillingsgedrag voorspellen van een vliegtuig dat compleet van vorm verandert.”
Om grip te krijgen op de gevolgen van de meest extreme vormveranderingen, neemt Bijl insecten onder de loep. Begin volgend jaar gaat ze in een watertank bij civiele techniek de stroming langs de vleugels van een mug onderzoeken. Dit onderzoek kan helpen bij de ontwikkeling van een micro-aerial vehicle. Bijl: ,,Deze vliegtuigen zijn zo klein, dat we veel van insecten kunnen leren. We willen weten welk vleugelprofiel en welke flapbeweging een hoge lift en een lage weerstand teweeg brengen.”
Serieus? Een vliegtuig met de afmetingen en bestuurbaarheid van een fruitvlieg? Bijl: ,,Waarom niet?”
Vliegende pioniers
Vooruitgang gaat met stapjes, niet met sprongen. En de gebroeders Wright danken hun pioniersstatus mede aan het anonieme geploeter van collega’s op het gebied van constructies, zweefvliegerij en motortechnieken. Desalniettemin zeven beroemde vliegtuigbouwers van het eerste uur in de spotlamp. Want iedere geschiedenis heeft zijn hoofdrolspelers nodig.
Icarus
Ontsnapte volgens de Griekse mythologie met vleugels van vogelveren en bijenwas uit het labyrint van koning Minos. Ondanks waarschuwingen van vader Daedalus vloog hij te dicht bij de zon, waardoor zijn vleugels smolten. Hij stortte in zee en verdronk.
Leonardo da Vinci (1452-1519)
Personificatie van het renaissance-ideaal: kunstenaar, uitvinder en wetenschapper. Tekende en bouwde ‘vliegtuigen’ gebaseerd op de vleugelslagen van vogels. Toen hij ontdekte dat de spierkracht van de mens tekort schoot, maakte hij de eerste schetsen van een helikopter. Vliegen deed hij nooit.
Otto Lilienthal (1848-1896)
Eerste mens die daadwerkelijk enkele honderden meters zweefde met een ‘zwaarder-dan-lucht-voertuig’. (De gebroeders Montgolfière maakten de eerste ballonvlucht in 1783.) Liet zijn zweefvliegtuigen vaak testen door kinderen, omdat die lichter zijn. Maar ook zijn eigen leven legde deze Duitse ingenieur meermaals in de waagschaal: een onverwachte thermiekbel werd hem fataal.
Clément Ader (1841 % 1925)
Franse ingenieur, uitvinder van het woord avion (vliegtuig). Bouwde de Eole; een mechanische reuzenvleermuis met stoomaangedreven propeller. Topprestatie: ‘vloog’ in 1890 vijftig meter lang op een paar centimeter boven het maaiveld. Besturing was afwezig.
Orville Wright (1871-1948) en Wilbur Wright (1867-1912)
Amerikaanse broers die op 17 december 1903 de eerste ‘echte’ gemotoriseerde vlucht maakten. Ze gebruikten een benzinemotor, veel lichter dan Aders stoommotor. De Wright Flyer vloog bij het derde experiment van de dag 260 meter in 59 seconden.
Igor Sikorsky (1889-1972)
Russische ingenieur. Ontwikkelde in 1939 de eerste bruikbare helikopter met staartrotor.
Antonie Fokker (1890-1939)
Nederlands beroemdste luchtvaartpionier en oprichter van de Fokker-fabriek. Ontwierp, bouwde en vloog al op twintigjarige leeftijd zijn eerste vliegtuig. Ontwikkelde in de eerste wereldoorlog voor de Duitse luchtmacht een boordkanon dat veilig door de bladen van een propeller schiet.
www.corax.com/timemachine/index.html
www.aviationnow.com/content/ncof/ncf_n66.htm
Comments are closed.