Tien seconden trillen en beven

‘

Bibberen

Eenmaal in de lucht gaat het meestal wel goed met vliegtuigen, maar de start en landing blijven kritieke momenten. Ook als de banden de grond raken kan de boel nog ontsporen. Het landingsgestel is namelijk een zorgenkindje, weet ir. Igo Besselink. ,,Dat is het systeem waarbij zich veruit de meeste incidenten voordoen, denk maar aan de Concorde”, zegt hij. ,,Het is ook een vrij complex mechanisch systeem. Het moet ingetrokken kunnen worden, er zit een rem- en veersysteem in, en het moet ook nog zo licht mogelijk zijn. Tijdens de vlucht is het namelijk dood gewicht. Toch kan op een vliegtuigband tot 25 ton belasting staan.”

Besselink is werktuigbouwkundige en kwam in 1993 een bekend kwaaltje van het landingsgestel tegen. In die tijd werkte de onderzoeker nog bij Fokker, waar hij vooral aan de belastingen op landingsgestellen rekende. ,,Tijdens het testen van een prototype trad opeens het shimmy-effect op, een gecombineerde zijwaartse en roterende trilling in het landingsgestel. Dat veroorzaakt hinder, variërend van slecht zicht voor de piloot tot schade aan het landingsgestel. De torque links, die de wielen in het spoor houden, kunnen bijvoorbeeld afbreken. En dan schuift het vliegtuig als een winkelwagentje over de landingsbaan.”

Luchtmachtgeneraals zitten hun ingenieurs al sinds de Tweede Wereldoorlog achter de vodden om het euvel te verhelpen. De eerste fysische modellen werden dan ook al begin jaren veertig opgesteld. Maar net als de latere modellen richten deze zich vooral op het gedrag van de vliegtuigband, niet op het landingsgestel als geheel. Voor Besselink was shimmy dus een stevig engineeringprobleem, dat zich gaandeweg tot een promotieonderzoek ontwikkelde.

,,In het begin dacht ik nog: dit moet gewoon even opgelost worden”, zegt hij. ,,Maar Fokker maakte het onderstel niet zelf en bij de fabrikant was over shimmy niet veel kennis aanwezig. Ook de literatuur was niet direct toepasbaar op onze problemen. Bij Fokker dus veel werk verricht om dit probleem op te lossen. En hoe langer je er mee bezig bent, hoe meer fundamentele vragen er opdoemen.” Na het faillisement van Fokker zette hij het onderzoek in deeltijd voort bij TNO Wegtransportmiddelen.

Stutten

Bij shimmy speelt de stijfheid van het landingsgestel een duchtig woordje mee. Vooral een kwestie van veel meten. ,,De doorbuiging van de romp met vleugels kun je nog wel doorrekenen, maar bij het onderstel ligt dat moeilijker. Daarin komen nu eenmaal een hoop onderdelen samen, die ook nog eens ten opzichte van elkaar bewegen.De stijfheid is dan sowieso afhankelijk van de invering, maar er komen ook zaken als speling bij kijken. Zonder tests is die stijfheid onvoldoende betrouwbaar boven tafel te krijgen.”

Dus kwam een compleet vliegtuig op stutten te staan en werd met hydrauliek flink aan het onderstel getrokken. Met deze informatie kon Besselink zijn shimmy-model aanscherpen.

Later werden ook baanproeven uitgevoerd. Een aangepast, ongelijk werkend remsysteem zorgde ervoor dat het testvliegtuig al shimmy-end over de landingsbaan taxiëde.

Zo werd werd het shimmymodel met het verstrijken van de tijd steeds eenvoudiger. ,,Ik ben begonnen met een vrij gecompliceerd multi-body model, waarmee je de hele landing kunt doorrekenen. Voor het engineeringprobleem voldeed dat al. Maar later ben ik veel eenvoudigere mechanische modellen gaan gebruiken om de fundamentele vragen te beantwoorden. Gewoon met opleggingen en massa’s, veren en dempers. Dat geeft je veel meer inzicht. Niet dat het oude model verkeerd is, maar zo’n groot computermodel is te complex om de essentie te voorzien.”

De promovendus produceerde grafiek na grafiek om uit te vinden welke combinatie van parameters de doorslag gaven. Tijdens een weekend vielen de puzzelstukjes eindelijk in elkaar: shimmy gaf een deel van zijn geheim prijs. Dit alles in een grafiek met twee omgekeerde, overlappende parabolen die aangeven wanneer een landingsgestel stabiel is. Hij is evenwel terughoudend: ,,Een aardig resultaat, maar je moet voorzichtig zijn met de toepassing. Het is natuurlijk gebaseerd op een vrij eenvoudig model. Maar om de gedachten te richten en de grote lijnen te vinden is het zeer wel bruikbaar.”

Zweten

Ongewenste trillingen zijn goed te voorkomen, ontdekte Besselink. Om een vliegtuigwiel goed te laten sporen, moet de wielas een stukje naar voren of een flink stuk naar achter worden verschoven ten opzichte van de onderstelpoot. Volgens de onderzoeker is deze afstand, de trail, het belangrijkste ingrediënt voor een stabiel, shimmy-vrij landingsgestel.

,,Toestellen met een lange trailingarm hebben geen last van shimmy. Vliegtuigen met een vierwielig landingsgestel ook niet, want dan heft het samenspel van de voor- en achterwielen eventuele instabiliteiten op. Het is echt een kwaal van kleinere vliegtuigen met een of twee wielen per onderstel. Achteraf kun je dit effect wel compenseren met dempers of extra massa, maar een goed ontwerp heeft uiteraard de voorkeur.”

Dat staat of valt met een correct fysisch model. Nadat hij ook een model voor de banden had opgesteld, was het dus hoog tijd voor de validatie. Besselink liet zijn multi-bodymodel los op meetgegevens van een echt shimmy-incident waarbij het landingsgestel beschadigd raakte. Dat viel tegen. ,,Meten is soms ook zweten. De orde grootte van de beschrijving klopt heel aardig, er zijn echter ook de nodige verschillen. Het idee dat je een landing exact na kunt rekenen zul je toch los moeten laten. Wel is het zo dat de trends ten aanzien van stabiel en instabiel gedrag een redelijke overeenkomst hebbenmet de praktijk.”

Theorie en praktijk zitten elkaar dus nog in de haren, maar dat toont gelijk de noodzaak van zijn proefschrift aan. ,,Er is zeker ruimte voor verbetering, maar ik ben wel een stap verder gekomen. Met name mijn elementaire modellen geven een nieuwe kijk op dit al heel oude probleem.”

In het verleden is shimmy al vele malen onder de loep gelegd, maar de resultaten werden meestal snel vergeten. Net als het verschijnsel zelf leeft het onderzoek kortstondig op, waarna de aandacht weer verslapt. Dit onderzoek zal zeker niet de laatste zijn. Dat is ook het motto waaraan Besselink zijn promotie heeft opgehangen: wie het verleden vergeet, is gedoemd deze te herhalen. ,,Sommige onderzoekers bleken los van elkaar exact hetzelfde bandmodel te hebben afgeleid. Wat dat betreft is het wiel dus al eens opnieuw uitgevonden. De wetenschappelijke kennisvermeerdering verloopt af en toe minder rechtlijnig dan je zou hopen.”

Het shimmy-effect bestaat uit een gecombineerde zijwaartse en roterende trilling in het landingsgestel

Golvende bandensporen van shimmy’end vliegtuig

Vlak na de landing trekt er soms een hevige siddering door een vliegtuig. Dit zogeheten shimmy-effect wordt nog niet goed begrepen. Ir. Igo Besselink probeerde er zijn vinger achter te krijgen en ontdekte: ,,Meten is zweten.”

Bibberen

Eenmaal in de lucht gaat het meestal wel goed met vliegtuigen, maar de start en landing blijven kritieke momenten. Ook als de banden de grond raken kan de boel nog ontsporen. Het landingsgestel is namelijk een zorgenkindje, weet ir. Igo Besselink. ,,Dat is het systeem waarbij zich veruit de meeste incidenten voordoen, denk maar aan de Concorde”, zegt hij. ,,Het is ook een vrij complex mechanisch systeem. Het moet ingetrokken kunnen worden, er zit een rem- en veersysteem in, en het moet ook nog zo licht mogelijk zijn. Tijdens de vlucht is het namelijk dood gewicht. Toch kan op een vliegtuigband tot 25 ton belasting staan.”

Besselink is werktuigbouwkundige en kwam in 1993 een bekend kwaaltje van het landingsgestel tegen. In die tijd werkte de onderzoeker nog bij Fokker, waar hij vooral aan de belastingen op landingsgestellen rekende. ,,Tijdens het testen van een prototype trad opeens het shimmy-effect op, een gecombineerde zijwaartse en roterende trilling in het landingsgestel. Dat veroorzaakt hinder, variërend van slecht zicht voor de piloot tot schade aan het landingsgestel. De torque links, die de wielen in het spoor houden, kunnen bijvoorbeeld afbreken. En dan schuift het vliegtuig als een winkelwagentje over de landingsbaan.”

Luchtmachtgeneraals zitten hun ingenieurs al sinds de Tweede Wereldoorlog achter de vodden om het euvel te verhelpen. De eerste fysische modellen werden dan ook al begin jaren veertig opgesteld. Maar net als de latere modellen richten deze zich vooral op het gedrag van de vliegtuigband, niet op het landingsgestel als geheel. Voor Besselink was shimmy dus een stevig engineeringprobleem, dat zich gaandeweg tot een promotieonderzoek ontwikkelde.

,,In het begin dacht ik nog: dit moet gewoon even opgelost worden”, zegt hij. ,,Maar Fokker maakte het onderstel niet zelf en bij de fabrikant was over shimmy niet veel kennis aanwezig. Ook de literatuur was niet direct toepasbaar op onze problemen. Bij Fokker dus veel werk verricht om dit probleem op te lossen. En hoe langer je er mee bezig bent, hoe meer fundamentele vragen er opdoemen.” Na het faillisement van Fokker zette hij het onderzoek in deeltijd voort bij TNO Wegtransportmiddelen.

Stutten

Bij shimmy speelt de stijfheid van het landingsgestel een duchtig woordje mee. Vooral een kwestie van veel meten. ,,De doorbuiging van de romp met vleugels kun je nog wel doorrekenen, maar bij het onderstel ligt dat moeilijker. Daarin komen nu eenmaal een hoop onderdelen samen, die ook nog eens ten opzichte van elkaar bewegen.De stijfheid is dan sowieso afhankelijk van de invering, maar er komen ook zaken als speling bij kijken. Zonder tests is die stijfheid onvoldoende betrouwbaar boven tafel te krijgen.”

Dus kwam een compleet vliegtuig op stutten te staan en werd met hydrauliek flink aan het onderstel getrokken. Met deze informatie kon Besselink zijn shimmy-model aanscherpen.

Later werden ook baanproeven uitgevoerd. Een aangepast, ongelijk werkend remsysteem zorgde ervoor dat het testvliegtuig al shimmy-end over de landingsbaan taxiëde.

Zo werd werd het shimmymodel met het verstrijken van de tijd steeds eenvoudiger. ,,Ik ben begonnen met een vrij gecompliceerd multi-body model, waarmee je de hele landing kunt doorrekenen. Voor het engineeringprobleem voldeed dat al. Maar later ben ik veel eenvoudigere mechanische modellen gaan gebruiken om de fundamentele vragen te beantwoorden. Gewoon met opleggingen en massa’s, veren en dempers. Dat geeft je veel meer inzicht. Niet dat het oude model verkeerd is, maar zo’n groot computermodel is te complex om de essentie te voorzien.”

De promovendus produceerde grafiek na grafiek om uit te vinden welke combinatie van parameters de doorslag gaven. Tijdens een weekend vielen de puzzelstukjes eindelijk in elkaar: shimmy gaf een deel van zijn geheim prijs. Dit alles in een grafiek met twee omgekeerde, overlappende parabolen die aangeven wanneer een landingsgestel stabiel is. Hij is evenwel terughoudend: ,,Een aardig resultaat, maar je moet voorzichtig zijn met de toepassing. Het is natuurlijk gebaseerd op een vrij eenvoudig model. Maar om de gedachten te richten en de grote lijnen te vinden is het zeer wel bruikbaar.”

Zweten

Ongewenste trillingen zijn goed te voorkomen, ontdekte Besselink. Om een vliegtuigwiel goed te laten sporen, moet de wielas een stukje naar voren of een flink stuk naar achter worden verschoven ten opzichte van de onderstelpoot. Volgens de onderzoeker is deze afstand, de trail, het belangrijkste ingrediënt voor een stabiel, shimmy-vrij landingsgestel.

,,Toestellen met een lange trailingarm hebben geen last van shimmy. Vliegtuigen met een vierwielig landingsgestel ook niet, want dan heft het samenspel van de voor- en achterwielen eventuele instabiliteiten op. Het is echt een kwaal van kleinere vliegtuigen met een of twee wielen per onderstel. Achteraf kun je dit effect wel compenseren met dempers of extra massa, maar een goed ontwerp heeft uiteraard de voorkeur.”

Dat staat of valt met een correct fysisch model. Nadat hij ook een model voor de banden had opgesteld, was het dus hoog tijd voor de validatie. Besselink liet zijn multi-bodymodel los op meetgegevens van een echt shimmy-incident waarbij het landingsgestel beschadigd raakte. Dat viel tegen. ,,Meten is soms ook zweten. De orde grootte van de beschrijving klopt heel aardig, er zijn echter ook de nodige verschillen. Het idee dat je een landing exact na kunt rekenen zul je toch los moeten laten. Wel is het zo dat de trends ten aanzien van stabiel en instabiel gedrag een redelijke overeenkomst hebbenmet de praktijk.”

Theorie en praktijk zitten elkaar dus nog in de haren, maar dat toont gelijk de noodzaak van zijn proefschrift aan. ,,Er is zeker ruimte voor verbetering, maar ik ben wel een stap verder gekomen. Met name mijn elementaire modellen geven een nieuwe kijk op dit al heel oude probleem.”

In het verleden is shimmy al vele malen onder de loep gelegd, maar de resultaten werden meestal snel vergeten. Net als het verschijnsel zelf leeft het onderzoek kortstondig op, waarna de aandacht weer verslapt. Dit onderzoek zal zeker niet de laatste zijn. Dat is ook het motto waaraan Besselink zijn promotie heeft opgehangen: wie het verleden vergeet, is gedoemd deze te herhalen. ,,Sommige onderzoekers bleken los van elkaar exact hetzelfde bandmodel te hebben afgeleid. Wat dat betreft is het wiel dus al eens opnieuw uitgevonden. De wetenschappelijke kennisvermeerdering verloopt af en toe minder rechtlijnig dan je zou hopen.”

Het shimmy-effect bestaat uit een gecombineerde zijwaartse en roterende trilling in het landingsgestel

Golvende bandensporen van shimmy’end vliegtuig