Onder water vliegen

Dan maar het water in.

,,Het verschijnsel schijnt jaarlijks één vliegtuigcrash te veroorzaken”, zegt ir. Leo Veldhuis, universitair docent bij aërodynamica van de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek. Hij spreekt over de vortex wake encounter, kortweg VWE. De vortex wake is een gevaarlijke luchtwerveling die grote vliegtuigen als een spoor achter zich laten. Vooral bij landingsbanen is het oppassen geblazen. Vliegtuigen komen daar kort achter elkaar aanvliegen. Internationale afspraken over de minimumafstanden tussen twee vliegtuigen voorkomen dat de wervels meer dan één ongeluk per jaar veroorzaken.

De sterke luchtwerveling vormt niet alleen een bedreiging in de lucht; het brengt ook een nog niet gebouwd vliegtuig in gevaar. De reusachtige AirBus 380, het nieuwe vlaggenschip van de Europese vliegtuigindustrie, veroorzaakt mogelijk zoveel wervels dat de minimumafstand tot het volgende vliegtuig anderhalf maal die van een Jumbojet zal worden. Dat zou het voordeel van het grote aantal passagiers (600-800) van de A380 goeddeels teniet doen.

,,De Amerikanen zullen in het politieke spel hun best doen om de separatieafstand van het Europese toestel zo groot mogelijk te houden”, zegt Veldhuis. ,,De EU moet aantonen wat het gevaar van de luchtwerveling precies is en moet dit gevaar verminderen.” Hiertoe zijn ruim twintig onderzoeksinstituten ingeschakeld, waaronder de TU Delft.

Aan Veldhuis de taak de horizontale tornado in beeld te brengen. ,,Ik kijk tegenwoordig vaak naar de lucht”, zegt hij. De kilometerslange witte strepen in het zwerk laten duidelijk zien hoe lang de vliegtuigwervels de condens gevangen houden. Pas wanneer de strepen opbreken in losse kringen zijn de wervels tweederde van hun energie kwijt. ,,Daar kan een volgend toestel mee leven.”

Modelvliegtuig

Honderd spanwijdtes, zo ver wilde de TU’er de luchtbewegingen achter zijn 1,2 meter brede modelvliegtuig kunnen meten. Europa’s grootste windtunnel, in de Noordoostpolder, was echter slechts vijftien spanwijdtes lang. De oplossing van het probleem lag binnen de TU: maritieme techniek heeft een sleeptank van 142 meter lang.

,,Wij zijn de eerste die de sleeptank gebruiken voor onderzoek aan vliegtuigen”, aldus de luchtvaarttechnicus. ,,Water heeft natuurlijk een andere viscositeit dan lucht. Maar door de juiste getallen in je formules in te vullen, kun je de uitkomsten in water en lucht prima vergelijken.”

In de sleeptank mat Veldhuis de wervels achter zijn vliegtuig met een techniek die daartoe nooit eerder werd ingezet: de Particle Image Velocimetry. Een snelle digitale camera maakt zeer kort na elkaar twee beelden van in het water zwevende bolletjes. Een computer zoekt uit welke bolletjes op de twee foto’s dezelfde zijn. De verplaatsing verraadt de beweging van het water.

Aan afstudeerder Kees van Wijk de eer om de metingen te doen en te analyseren. Van Wijk liet het modelvliegtuig een keer of vijftig door het bad schieten met snelheden van drie tot vijf meter per seconde.

Het filmen vergt veel praktisch vernuft. ,,De wervel zinkt omlaag”, stelt Van Wijk. ,,Dus moesten we de camera mee laten zakken.” Ook kan de camera natuurlijk niet in de baan van het toestel staan.

Flapperen

De afstudeerder toont op zijn computer een beeld dat lijkt op een heldere sterrenhemel. Na veel rekenwerk volgt uit deze shots een animatiefilmpje van een dunne plak water waar één vleugel doorheen snijdt. In een groenblauw veld verschijnt een felgele vlek die zich snel oprolt tot een felrode punt. ,,Dat is de nasty one”, zegt Van Wijks begeleider Veldhuis, wijzend op de stip. ,,Daarin wil je niet terechtkomen.”

Veldhuis is net terug uit Athene, waar de Europese onderzoekspartners elkaar verslag deden van de resultaten. Trots vertelt hij: ,,Delft stond er goed op. Onze partners waren onder de indruk van onze metingen. Nu wij de bruikbaarheid van de sleeptank hebben aangetoond, wordt die op meer plaatsen ingezet.”

Hoewel zijn rol in het Europese onderzoek tot nu toe bestaat uit het meten van de wervels, zou Veldhuis ze ook graag bestrijden. Hij vertelt dat Boeing vorig jaar een methode patenteerde om de luchtwervelingen tegen te gaan. Piloten moeten dan bij de landing de uitgeklapte vleugelkleppen in tegenfase bewegen. De TU’er verwacht niet veel van deze oplossing: ,,Veel piloten hebben aangegeven dat ze niet in het meest kritieke deel van de vlucht met de vleugels willen flapperen.” Het is ook de vraag of de passagiers dit zullen waarderen.

De Delftse onderzoeker ziet meer in een stationaire oplossing; een aanpassing van het vliegtuig. Eén mogelijkheid is om de staartvleugel zo te ontwerpen dat die de wervels van de grote vleugel tegenwerkt. Een alternatief is het plaatsen van kleine turbines op de vleugels die de luchtwervelingen in een vroeg stadium doen opbreken.

Eind volgend jaar wordt duidelijk of de A380 echt tien kilometer aan leeg luchtruim achter zich aan moet slepen. Dat zou een daverende tegenslag zijn voor het AirBus-consortium. Eén positief aspect van de vortex wake encounter: last van bumperklevers heb je niet in de lucht.

//////FOTO: een uit powerpointfile: De wervelingen achter de Europese ‘superzwaan’ mogen niet te groot zijn, anders gaan de Amerikanen protesteren

/////Foto: Sectie aërodynamica van de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek

Delftse vliegtuigbouwers onderzoeken de luchtwervels achter het ontwerp van ’s werelds grootste passagierstoestel, de A380. Windtunnels zijn te kort. Dan maar het water in.

,,Het verschijnsel schijnt jaarlijks één vliegtuigcrash te veroorzaken”, zegt ir. Leo Veldhuis, universitair docent bij aërodynamica van de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek. Hij spreekt over de vortex wake encounter, kortweg VWE. De vortex wake is een gevaarlijke luchtwerveling die grote vliegtuigen als een spoor achter zich laten. Vooral bij landingsbanen is het oppassen geblazen. Vliegtuigen komen daar kort achter elkaar aanvliegen. Internationale afspraken over de minimumafstanden tussen twee vliegtuigen voorkomen dat de wervels meer dan één ongeluk per jaar veroorzaken.

De sterke luchtwerveling vormt niet alleen een bedreiging in de lucht; het brengt ook een nog niet gebouwd vliegtuig in gevaar. De reusachtige AirBus 380, het nieuwe vlaggenschip van de Europese vliegtuigindustrie, veroorzaakt mogelijk zoveel wervels dat de minimumafstand tot het volgende vliegtuig anderhalf maal die van een Jumbojet zal worden. Dat zou het voordeel van het grote aantal passagiers (600-800) van de A380 goeddeels teniet doen.

,,De Amerikanen zullen in het politieke spel hun best doen om de separatieafstand van het Europese toestel zo groot mogelijk te houden”, zegt Veldhuis. ,,De EU moet aantonen wat het gevaar van de luchtwerveling precies is en moet dit gevaar verminderen.” Hiertoe zijn ruim twintig onderzoeksinstituten ingeschakeld, waaronder de TU Delft.

Aan Veldhuis de taak de horizontale tornado in beeld te brengen. ,,Ik kijk tegenwoordig vaak naar de lucht”, zegt hij. De kilometerslange witte strepen in het zwerk laten duidelijk zien hoe lang de vliegtuigwervels de condens gevangen houden. Pas wanneer de strepen opbreken in losse kringen zijn de wervels tweederde van hun energie kwijt. ,,Daar kan een volgend toestel mee leven.”

Modelvliegtuig

Honderd spanwijdtes, zo ver wilde de TU’er de luchtbewegingen achter zijn 1,2 meter brede modelvliegtuig kunnen meten. Europa’s grootste windtunnel, in de Noordoostpolder, was echter slechts vijftien spanwijdtes lang. De oplossing van het probleem lag binnen de TU: maritieme techniek heeft een sleeptank van 142 meter lang.

,,Wij zijn de eerste die de sleeptank gebruiken voor onderzoek aan vliegtuigen”, aldus de luchtvaarttechnicus. ,,Water heeft natuurlijk een andere viscositeit dan lucht. Maar door de juiste getallen in je formules in te vullen, kun je de uitkomsten in water en lucht prima vergelijken.”

In de sleeptank mat Veldhuis de wervels achter zijn vliegtuig met een techniek die daartoe nooit eerder werd ingezet: de Particle Image Velocimetry. Een snelle digitale camera maakt zeer kort na elkaar twee beelden van in het water zwevende bolletjes. Een computer zoekt uit welke bolletjes op de twee foto’s dezelfde zijn. De verplaatsing verraadt de beweging van het water.

Aan afstudeerder Kees van Wijk de eer om de metingen te doen en te analyseren. Van Wijk liet het modelvliegtuig een keer of vijftig door het bad schieten met snelheden van drie tot vijf meter per seconde.

Het filmen vergt veel praktisch vernuft. ,,De wervel zinkt omlaag”, stelt Van Wijk. ,,Dus moesten we de camera mee laten zakken.” Ook kan de camera natuurlijk niet in de baan van het toestel staan.

Flapperen

De afstudeerder toont op zijn computer een beeld dat lijkt op een heldere sterrenhemel. Na veel rekenwerk volgt uit deze shots een animatiefilmpje van een dunne plak water waar één vleugel doorheen snijdt. In een groenblauw veld verschijnt een felgele vlek die zich snel oprolt tot een felrode punt. ,,Dat is de nasty one”, zegt Van Wijks begeleider Veldhuis, wijzend op de stip. ,,Daarin wil je niet terechtkomen.”

Veldhuis is net terug uit Athene, waar de Europese onderzoekspartners elkaar verslag deden van de resultaten. Trots vertelt hij: ,,Delft stond er goed op. Onze partners waren onder de indruk van onze metingen. Nu wij de bruikbaarheid van de sleeptank hebben aangetoond, wordt die op meer plaatsen ingezet.”

Hoewel zijn rol in het Europese onderzoek tot nu toe bestaat uit het meten van de wervels, zou Veldhuis ze ook graag bestrijden. Hij vertelt dat Boeing vorig jaar een methode patenteerde om de luchtwervelingen tegen te gaan. Piloten moeten dan bij de landing de uitgeklapte vleugelkleppen in tegenfase bewegen. De TU’er verwacht niet veel van deze oplossing: ,,Veel piloten hebben aangegeven dat ze niet in het meest kritieke deel van de vlucht met de vleugels willen flapperen.” Het is ook de vraag of de passagiers dit zullen waarderen.

De Delftse onderzoeker ziet meer in een stationaire oplossing; een aanpassing van het vliegtuig. Eén mogelijkheid is om de staartvleugel zo te ontwerpen dat die de wervels van de grote vleugel tegenwerkt. Een alternatief is het plaatsen van kleine turbines op de vleugels die de luchtwervelingen in een vroeg stadium doen opbreken.

Eind volgend jaar wordt duidelijk of de A380 echt tien kilometer aan leeg luchtruim achter zich aan moet slepen. Dat zou een daverende tegenslag zijn voor het AirBus-consortium. Eén positief aspect van de vortex wake encounter: last van bumperklevers heb je niet in de lucht.

//////FOTO: een uit powerpointfile: De wervelingen achter de Europese ‘superzwaan’ mogen niet te groot zijn, anders gaan de Amerikanen protesteren

/////Foto: Sectie aërodynamica van de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek