Vallende baksteen redt astronauten

ESA-astronaut Frank de Winne tuurt geconcentreerd naar het groen oplichtende scherm in de cockpit, zijn hand aan de stuurknuppel. Het ruimtevaartuig dat hij bestuurt, crasht tot nog toe bij de helft van de landingspogingen.

,,Frank kan het echt”, zegt universitair docent dr. ir. Max Mulder, onderzoeker in de ‘avionica en mens-machine-interactie’ bij de faculteit Lucht- en Ruimtevaart. Hij kijkt over De Winnes schouder mee achter de simulatiecockpit. De astronautenhanden geven kleine tikjes tegen de stuurknuppel terwijl de blauwe landingsbaan op het scherm hard dichterbij komt. Een geprojecteerde tunnel geeft aan waarlangs gevlogen moet worden. Net op tijd trekt De Winne op. De landing lukt.

,,Werkt goed, zo”, zegt een tevreden De Winne, die de tweede Belg in de ruimte hoopt te worden. Oorspronkelijk is De Winne een ervaren straaljagerpiloot, dus een vliegtuig besturen heeft hij wel in de vingers.

De astronaut komt regelmatig het besturingssysteem testen dat Mulder en zijn collega dr. ir. René van Paassen ontwikkelden voor het ruimteschip-ontwerp HL-20. Dit gevaarte kan voor allerlei taken ingezet worden waarbij in de dampkring afgedaald wordt. Bijvoorbeeld om de bemanning van het internationale ruimtestation ISS bij calamiteiten veilig naar de aarde terugbrengen.

Dampkring

,,In het begin was het aantal crashes honderd procent”, zegt Mulder. Zelf heeft hij de HL-20 zojuist één maal kansloos neer laten storten. Weinig vliegtuigen zijn dan ook zo onhandelbaar. ,,Het lijkt nog het meest op een vliegende baksteen”, zegt Mulder schamper. ”Het vliegtuig is aerodynamisch niet goed ontworpen. De besturingseigenschappen zijn ongelooflijk slecht. Landen is eigenlijk een gecontroleerde crash.”

Het is helaas onvermijdelijk dat de HL-20 erbarmelijke stuureigenschappen heeft. Het voertuig moet namelijk licht zijn, lichter dan de huidige space shuttle, en goed onder het ruimtestation passen. Ook moet het liefst zonder te verbranden de dampkring in kunnen storten. ,,Het vliegtuig is één groot hittebestendig schild”, zegt Mulder. Hij laat een plaatje zien van het ontwerp voor de HL-20. Dat lijkt op een witte deodorantstick met piepkleine stuurvleugeltjes. Ramen heeft het vliegtuig niet, ook al vanwege de hittebestendigheid.

De HL-20 heeft wel kleine stuwraketjes om op een afstandje van het ruimtestation te komen, zodat het vliegtuig daar niet mee botst. Daarna gaat het vallen vanzelf.

Waar een gewoon vliegtuig geleidelijk daalt met een hoek van drie graden ten opzichte van de landingsbaan, komt de HL-20 naar beneden zetten langs een steile baan van twintig. De romp zelf fungeert als vleugel, legt Mulder uit, maar het is niet zo’n beste vleugel. Het draagvermogen is laag.

Daal je minder steil, legt Mulder uit, dan verlies je door de luchtweerstand te veel snelheid, en dreig je neer te storten. Maar het laatste stuk van de landing moet opeens wel veel minder steil: anderhalve graad, om het vliegtuig bij het raken van de grond heel te houden. ,,De kunst is dus om te weten wanneer je op moet trekken”, zegt Mulder. Eigenlijk is daar maar één, niet te missen, moment voor.

Eigen hachje

Het ligt voor de hand om een computer dat moment te laten bepalen, en inderdaad is een andere onderzoeksgroep van de faculteit bezig met een volledig automatische besturing. ,,Maar de astronauten hebben daar moeite mee”, onthult Mulder. ,,Er zijn weinig testen

mogelijk voor dit soort ruimteschepen, en al helemaal niet langs de hele route uit de ruimte. De astronauten willen er wel op kunnen vertrouwen.”

De potentiële noodlanders willen graag een ‘manual override’, zodat ze het HL-20 in geval van nood zelf kunnen besturen. Vandaar ook astronaut De Winnes betrokkenheid bij het testen van de apparatuur: als er ooit een reddingsschip uit de HL-20 groeit, kan het om zijn eigen hachje gaan.

Omdat de HL-20 zo moeilijk te besturen is, worden alle mogelijke besturingstrucs ingezet. Al sinds jaar en dag vliegen piloten met een kunstmatige horizon, ,,die ken je wel van de vliegsimulatoren op je PC”, zegt Mulder. De scheidslijn tussen de lucht en de grond zakt daarop weg op het scherm als het vliegtuig stijgt. In een bocht helt hij over . Het vliegtuig zelf wordt aangeduid met haakjes.

De Delftse mens-machine-specialisten hadden ook veel al ervaring met de ’tunnel-in-the-sky’, een op het scherm geprojecteerde buis waar de piloot doorheen moet vliegen. Zo kan de piloot het te volgen pad van tevoren aan zien komen.

Daarnaast heeft het HL-20 een getrapte besturing. De stuurknuppel stuurt niet direct de flappen aan de stuurvleugels aan. In plaats daarvan rekent een computer uit hoe een afwijking van de knuppel omgezet kan worden in een vaste verandering van de dalingshoek. ‘Fly-by-Wire’, noemen luchtvaartdeskundigen dit principe, dat in de luchtvaart al veel wordt toegepast.

Maar voor de ESA-astronauten in de HL-20 moet meer uit de kast worden gehaald. Eén van de extra trucs van Mulder en collega’s is een voorspeller, een groen symbooltje dat in de tunnel voor de piloot uit beweegt, en dat voorspelt waar het vliegtuig met de huidige koers over enkele seconden zal zijn.

Anders dan de klassieke kunstmatige horizon geeft de voorspeller niet alleen informatie over de toestand van het vliegtuig op het moment zelf, legt Mulder uit, maar ook over de nabije toekomst.

Parachute

Verder kijkt de piloot via zijn computerscherm in de richting waarin het vliegtuig valt, niet in een richting die vast verbonden is met de romp, zoals gebruikelijker is. ,,Je neus steekt helemaal omhoog, terwijl het vliegtuig steil afdaalt. Vanuit een gewoon vliegtuigraam zou je alleen maar blauw zien”, zegt Mulder. Wanneer de afdalingshoek verandert aan het eind van de rit, verandert de zichthoek dus mee, zodat de landingsbaan in zicht blijft.

Zijn collega René van Paassen, mede-ontwerper en zelf piloot, begint aan een nieuwe afdaling. De tunnel-in-the-sky duikt de diepte in om vlak bij de landingsbaan een scherpe bocht te maken. Ingespannen volgt Van Paassen het voorspellende groene symbooltje. ,,Iets meer naar rechts”, mompelt hij.

,,Je moet hem zo min mogelijk sturen”, vertelt Mulder intussen, ,,laat hem in godsnaam met rust tot je op moet trekken. Als je eerder corrigeert, val je uit de lucht.”

Maar is dat eigenlijk wel zo erg? De huidige reddingsvaartuigen vallen het laatste stuk gewoon aan een parachute naar beneden. Is dat niet veel veiliger dan een riskante landing?

,,Op zich wel, maar het is weinig controleerbaar en dus riskant”, voert Mulder aan. Op de lange duur moet het reddingsvliegtuig ook als gewone pendeldienst naar het ruimtestation gaan werken. Mulder: ,,Als je regelmatig heen en weer wilt, moet je kunnen landen, niet ergens in de woestijn neerploffen.”

Maar eerst moet het percentage geslaagde landingen omhoog. Vijftig procent is niet goed genoeg. Intussen experimenteren de Delftenaren door. ,,Misschien over een jaar of tien”, doet Mulder een voorzichtige voorspelling over de toepassing van het project.

,,O..o..o…help”, klinkt het van achter het computerscherm. Na een poosje grinnikt Van Paassen. ,,We zijn wel geland, maar we hebben geen onderstel meer. Hier heb ik even niet opgelet”, analyseert hij zijn vlucht, ”Zodra je ernaast zit, ben je te laat. Dit vliegtuig vergeeft je niets.”

ESA-astronaut Frank de Winne tuurt geconcentreerd naar het groen oplichtende scherm in de cockpit, zijn hand aan de stuurknuppel. Het ruimtevaartuig dat hij bestuurt, crasht tot nog toe bij de helft van de landingspogingen.

,,Frank kan het echt”, zegt universitair docent dr. ir. Max Mulder, onderzoeker in de ‘avionica en mens-machine-interactie’ bij de faculteit Lucht- en Ruimtevaart. Hij kijkt over De Winnes schouder mee achter de simulatiecockpit. De astronautenhanden geven kleine tikjes tegen de stuurknuppel terwijl de blauwe landingsbaan op het scherm hard dichterbij komt. Een geprojecteerde tunnel geeft aan waarlangs gevlogen moet worden. Net op tijd trekt De Winne op. De landing lukt.

,,Werkt goed, zo”, zegt een tevreden De Winne, die de tweede Belg in de ruimte hoopt te worden. Oorspronkelijk is De Winne een ervaren straaljagerpiloot, dus een vliegtuig besturen heeft hij wel in de vingers.

De astronaut komt regelmatig het besturingssysteem testen dat Mulder en zijn collega dr. ir. René van Paassen ontwikkelden voor het ruimteschip-ontwerp HL-20. Dit gevaarte kan voor allerlei taken ingezet worden waarbij in de dampkring afgedaald wordt. Bijvoorbeeld om de bemanning van het internationale ruimtestation ISS bij calamiteiten veilig naar de aarde terugbrengen.

Dampkring

,,In het begin was het aantal crashes honderd procent”, zegt Mulder. Zelf heeft hij de HL-20 zojuist één maal kansloos neer laten storten. Weinig vliegtuigen zijn dan ook zo onhandelbaar. ,,Het lijkt nog het meest op een vliegende baksteen”, zegt Mulder schamper. ”Het vliegtuig is aerodynamisch niet goed ontworpen. De besturingseigenschappen zijn ongelooflijk slecht. Landen is eigenlijk een gecontroleerde crash.”

Het is helaas onvermijdelijk dat de HL-20 erbarmelijke stuureigenschappen heeft. Het voertuig moet namelijk licht zijn, lichter dan de huidige space shuttle, en goed onder het ruimtestation passen. Ook moet het liefst zonder te verbranden de dampkring in kunnen storten. ,,Het vliegtuig is één groot hittebestendig schild”, zegt Mulder. Hij laat een plaatje zien van het ontwerp voor de HL-20. Dat lijkt op een witte deodorantstick met piepkleine stuurvleugeltjes. Ramen heeft het vliegtuig niet, ook al vanwege de hittebestendigheid.

De HL-20 heeft wel kleine stuwraketjes om op een afstandje van het ruimtestation te komen, zodat het vliegtuig daar niet mee botst. Daarna gaat het vallen vanzelf.

Waar een gewoon vliegtuig geleidelijk daalt met een hoek van drie graden ten opzichte van de landingsbaan, komt de HL-20 naar beneden zetten langs een steile baan van twintig. De romp zelf fungeert als vleugel, legt Mulder uit, maar het is niet zo’n beste vleugel. Het draagvermogen is laag.

Daal je minder steil, legt Mulder uit, dan verlies je door de luchtweerstand te veel snelheid, en dreig je neer te storten. Maar het laatste stuk van de landing moet opeens wel veel minder steil: anderhalve graad, om het vliegtuig bij het raken van de grond heel te houden. ,,De kunst is dus om te weten wanneer je op moet trekken”, zegt Mulder. Eigenlijk is daar maar één, niet te missen, moment voor.

Eigen hachje

Het ligt voor de hand om een computer dat moment te laten bepalen, en inderdaad is een andere onderzoeksgroep van de faculteit bezig met een volledig automatische besturing. ,,Maar de astronauten hebben daar moeite mee”, onthult Mulder. ,,Er zijn weinig testen

mogelijk voor dit soort ruimteschepen, en al helemaal niet langs de hele route uit de ruimte. De astronauten willen er wel op kunnen vertrouwen.”

De potentiële noodlanders willen graag een ‘manual override’, zodat ze het HL-20 in geval van nood zelf kunnen besturen. Vandaar ook astronaut De Winnes betrokkenheid bij het testen van de apparatuur: als er ooit een reddingsschip uit de HL-20 groeit, kan het om zijn eigen hachje gaan.

Omdat de HL-20 zo moeilijk te besturen is, worden alle mogelijke besturingstrucs ingezet. Al sinds jaar en dag vliegen piloten met een kunstmatige horizon, ,,die ken je wel van de vliegsimulatoren op je PC”, zegt Mulder. De scheidslijn tussen de lucht en de grond zakt daarop weg op het scherm als het vliegtuig stijgt. In een bocht helt hij over . Het vliegtuig zelf wordt aangeduid met haakjes.

De Delftse mens-machine-specialisten hadden ook veel al ervaring met de ’tunnel-in-the-sky’, een op het scherm geprojecteerde buis waar de piloot doorheen moet vliegen. Zo kan de piloot het te volgen pad van tevoren aan zien komen.

Daarnaast heeft het HL-20 een getrapte besturing. De stuurknuppel stuurt niet direct de flappen aan de stuurvleugels aan. In plaats daarvan rekent een computer uit hoe een afwijking van de knuppel omgezet kan worden in een vaste verandering van de dalingshoek. ‘Fly-by-Wire’, noemen luchtvaartdeskundigen dit principe, dat in de luchtvaart al veel wordt toegepast.

Maar voor de ESA-astronauten in de HL-20 moet meer uit de kast worden gehaald. Eén van de extra trucs van Mulder en collega’s is een voorspeller, een groen symbooltje dat in de tunnel voor de piloot uit beweegt, en dat voorspelt waar het vliegtuig met de huidige koers over enkele seconden zal zijn.

Anders dan de klassieke kunstmatige horizon geeft de voorspeller niet alleen informatie over de toestand van het vliegtuig op het moment zelf, legt Mulder uit, maar ook over de nabije toekomst.

Parachute

Verder kijkt de piloot via zijn computerscherm in de richting waarin het vliegtuig valt, niet in een richting die vast verbonden is met de romp, zoals gebruikelijker is. ,,Je neus steekt helemaal omhoog, terwijl het vliegtuig steil afdaalt. Vanuit een gewoon vliegtuigraam zou je alleen maar blauw zien”, zegt Mulder. Wanneer de afdalingshoek verandert aan het eind van de rit, verandert de zichthoek dus mee, zodat de landingsbaan in zicht blijft.

Zijn collega René van Paassen, mede-ontwerper en zelf piloot, begint aan een nieuwe afdaling. De tunnel-in-the-sky duikt de diepte in om vlak bij de landingsbaan een scherpe bocht te maken. Ingespannen volgt Van Paassen het voorspellende groene symbooltje. ,,Iets meer naar rechts”, mompelt hij.

,,Je moet hem zo min mogelijk sturen”, vertelt Mulder intussen, ,,laat hem in godsnaam met rust tot je op moet trekken. Als je eerder corrigeert, val je uit de lucht.”

Maar is dat eigenlijk wel zo erg? De huidige reddingsvaartuigen vallen het laatste stuk gewoon aan een parachute naar beneden. Is dat niet veel veiliger dan een riskante landing?

,,Op zich wel, maar het is weinig controleerbaar en dus riskant”, voert Mulder aan. Op de lange duur moet het reddingsvliegtuig ook als gewone pendeldienst naar het ruimtestation gaan werken. Mulder: ,,Als je regelmatig heen en weer wilt, moet je kunnen landen, niet ergens in de woestijn neerploffen.”

Maar eerst moet het percentage geslaagde landingen omhoog. Vijftig procent is niet goed genoeg. Intussen experimenteren de Delftenaren door. ,,Misschien over een jaar of tien”, doet Mulder een voorzichtige voorspelling over de toepassing van het project.

,,O..o..o…help”, klinkt het van achter het computerscherm. Na een poosje grinnikt Van Paassen. ,,We zijn wel geland, maar we hebben geen onderstel meer. Hier heb ik even niet opgelet”, analyseert hij zijn vlucht, ”Zodra je ernaast zit, ben je te laat. Dit vliegtuig vergeeft je niets.”