Education

Van supersonisch vliegtuig tot ruimtemissie

Een innovatieve windmolen, ontworpen met vooral Delftse technologie. Dat was het ontwerp dat vrijdag als beste werd beoordeeld tijdens het tiende symposium Ontwerp/Synthese Oefening van de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek.

Met de ontwerpoefening sluiten studenten hun bacheloropleiding luchtvaart- en ruimtevaarttechniek af. In tien weken tijd moeten de studenten bewijzen dat zij in staat zijn om in teamverband hun kennis samen te brengen in een ontwerp. Ze mogen daarbij zelf opdrachten voorstellen, maar meestal doen docenten dat. Soms doen zij dat in overleg met marktpartijen of onderzoeksinstellingen.

Zo richtte een groep van negen studenten zich op de energievoorziening van Malta dat nu geheel afhankelijk is van fossiele brandstoffen. Wetenschappers en bestuurders vinden duurzame energie essentieel voor de toekomst. De studenten ontwierpen en evalueerden een duurzaam vliegersysteem dat alle 400 duizend inwoners van Malta kan voorzien van energie. De ambassadeur woonde de presentatie van het ontwerp vrijdag bij.

Een andere groep studenten hield zich tien weken lang bezig met een non-stop vlucht rond de wereld op zonne- en windenergie.

Hoewel het in eerste instantie gaat om een oefening voor studenten en niet om een wedstrijd, werden de ontwerpen beoordeeld door een jury van experts uit binnen- en buitenland. De jury keek vooral naar technische haalbaarheid, design, presentatie en . dit jaar voor het eerst . duurzaamheid.

Als beste kwam uit de bus het ontwerp voor een windturbine (zie kader), tweede werd het ontwerp voor een goedkoop elektrisch lesvliegtuig en derde werd het ontwerp voor een ruimtemissie naar Jupiters maan Europa, om te onderzoeken of er een oceaan is.

Vorig jaar won ook een project dat met windenergie te maken had: Space for Wind. Studenten hadden hierbij een windenergie-conversiesysteem ontworpen dat geïntegreerd was in het gebouw van de faculteit. Dat systeem voorziet een deel van de faculteit van energie tegen een consumentenprijs en is een testfaciliteit voor windenergie in een bebouwde omgeving.

De Ontwerp/Synthese Oefening resulteerde eerder al in succesvolle ontwerpen zoals de Delfly en de Wasub. De Delfly is een klein, op insecten lijkend radiografisch bestuurbaar vliegtuigje met camera. De Wasub is een door mensen aangedreven onderzeeboot.
Een vlucht met uitzicht

Wie straks met het vliegtuig op vakantie gaat, kan zich er weer over verwonderen: die veel te kleine raampjes waarvoor je jezelf in bochten moet wringen om naar buiten te kunnen kijken. In sommige gevallen leiden ze zelfs tot lichte claustrofobie.

Acht studenten onder leiding van prof.dr.ir. Sybrand van der Zwaag kregen dan ook de opdracht om het uitzicht minstens te verdubbelen zonder dat het gewicht en het onderhoud van het vliegtuig toenemen. Ook mochten de studenten geen gebruik maken van lcd-schermen.

De huidige vliegtuigraampjes zijn zo klein omdat zij in feite gaten zijn in de aluminium romp van het vliegtuig. Deze romp staat bloot aan grote krachten die door de ‘gaten’ niet zijn over te dragen. Hoe groter het raam, hoe groter de krachten op de frames van de ramen. Dat kan leiden tot scheurtjes (‘metaalmoeheid’) en dus tot een kortere levensduur van het aluminium. Daarom zijn er geen grote ramen om tijdens je reis van het uitzicht te genieten.

Om het uitzicht toch te vergroten, onderzochten de studenten mogelijkheden als een andere stoelindeling, optische trucjes zoals spiegels of vergrootglazen in de ramen, het vergroten van de ramen en ander materiaal voor de ramen en het vliegtuig zelf.

Ze kozen uiteindelijk voor langgerekte ramen, omdat die leuker zijn voor het uitzicht dan simpelweg grotere ‘gaten’.

De studenten onderzochten of dat gevolgen had voor het gebruikte materiaal. Voor de romp van het vliegtuig was het na zo’n kort onderzoek niet mogelijk te zeggen wat een betere keuze was: het veel gebruikte aluminium of een composiet. Om de huidige productielijnen met aluminium te handhaven, werd gekozen voor zelfhelend aluminium waar nu volop onderzoek naar wordt gedaan. Dit materiaal kan kleine scheurtjes direct zelf repareren. Dat biedt de mogelijkheid om gewicht te besparen, juist ook op plaatsen die gevoelig zijn voor scheurtjes.

Het polycarbonaat uit de huidige raampjes zou voor grotere ramen wel vervangen moeten worden door materiaal dat meer krachten kan verdragen en transparant blijft bij grote temperatuurverschillen. De studenten vonden de oplossing in een nanocomposiet met glasvezels kleiner dan de golflengte van zichtbaar licht. De resultaten van eerste onderzoeken hiernaar zijn veelbelovend: dit materiaal is vele malen sterker dan het plastic van de huidige raampjes. Het is alleen wel driemaal minder sterk dan het aluminium van de vliegtuigromp, waardoor het nieuwe raam drie- tot viermaal dikker moet zijn dan de aluminiumromp. De studenten bedachten een slim ontwerp waarbij het nanocomposiet geleidelijk overgaat in het zelfhelende aluminium van de romp.

Volgens berekeningen is het uitzicht door het gebruik van langgerekte ramen van dit materiaal in totaal 3,5 maal groter, zonder dat het vliegtuig zwaarder wordt en extra onderhoud nodig heeft. Conclusie van de studenten is dan ook: in de toekomst hebben we allemaal a flight with a view.

(Illustratie: Michael Afanasyev)
Goedkopere windturbine

Als de vraag naar duurzame energie toeneemt, liggen er grote kansen op het gebied van windenergie. Op zoek naar nieuwe technologieën voor de volgende generatie windturbines, ontwierpen negen studenten een innovatieve Delftse windturbine.

Deze turbine moet veel goedkoper energie opwekken dan de nu gebruikte turbines. De studenten moesten voor het ontwerp gebruikmaken van technologieën die nu aan de TU Delft worden ontwikkeld. Zo fungeert de turbine meteen als onderzoeksplatform.

Bijzonder aan de turbine is dat de rotor achter de toren is geplaatst in plaats van aan de voorkant. De wind passeert dus eerst de toren en daarna pas de rotorbladen. Voordeel hiervan is dat de bladen van de turbine bij harde wind van de toren weg buigen in plaats van er naar toe.

Groot nadeel van een rotor achter de toren is dat de toren de luchtstroming verstoort. Om die reden plaatsten de studenten kleppen aan de rotorbladen zoals bij vliegtuigvleugels. De kleppen zijn echter niet mechanisch, maar gemaakt van materiaal dat vervormt wanneer er spanning op wordt gezet.

Dit compenseert de verstoorde stroming en houdt de krachten op het blad constant. Daardoor heeft het materiaal minder te lijden. Door de rotorbladen tijdens harde windstoten iets te draaien, vermindert de vermoeiing ofwel het verlies van kracht. De studenten maakten hierdoor uiteindelijk een constructie die lichter en goedkoper was. Hoewel er nog onderzoek naar het materiaal van de kleppen nodig is, zou de windturbine in 2008 in productie kunnen gaan.

De groep studenten was vrijdag erg verguld met het winnende ontwerp. “Gaaf”, reageerde Steven Bakker namens de groep. “Slechts enkelen van ons wisten veel van windmolens. Wij weten veel over vliegtuigvleugels, maar die zijn vergelijkbaar met windmolenbladen. Drie mensen uit onze groep gaan nu met Yes!Delft kijken hoe je een businessplan schrijft.”

www.oli.tudelft.nl/dsedwt

(Illustratie: Gide Koekkoek)
Robotjes tegen haventerreur

Onderwaterrobotjes die terroristische dreigingen in havens opsporen en lokaliseren. Een groep studenten onder leiding van prof.dr. Dick Simons en dr.ir. Hans van der Marel ontwierp ze.

De aanslagen op het World Trade Center en het Pentagon, van 11 september 2001, maakten duidelijk dat terroristen ‘creatieve’ manieren bedenken om hun doelen te bereiken. Sinds de aanslag op het Amerikaanse marineschip USS Cole in 2000 bleek dat ook schepen en tankers in havens potentiële doelwitten zijn.

Omdat het nogal moeilijk is dergelijke dreigingen onder water te detecteren, wenste TNO Defensie en Veiligheid een oplossing via de zogeheten ‘zwermtechnologie’. Dit is een techniek waarbij kleinere systemen een missie niet zelfstandig maar wel door samenwerking (in een ‘zwerm’) kunnen volbrengen. Vergelijk het met een mier die niet in zijn eentje een heel nest kan bevoorraden, maar samen met zijn soortgenoten wel.

Voorwaarden waren dat de robotjes moesten bestaan uit componenten die uit voorraad leverbaar waren en geschikt voor de Rotterdamse haven. Ze moesten twee tot vijf dagen kunnen opereren, op te schalen en duurzaam zijn en honderd robotjes mochten niet duurder zijn dan twee ton.

Na onderzoek ontwierpen de studenten een soort kleine onderzeeërs met vijf motortjes op batterijen die in water oplaadbaar zijn. Via propellers aan de motoren kunnen de robotjes verticaal, horizontaal en zijwaarts bewegen, maar ook stil in het water hangen.

Probleem was vervolgens: hoe merken de robotjes een dreiging op? Een magnetisch detectiesysteem heeft als nadeel dat de dreiging van metaal moet zijn. Radar wordt grotendeels geabsorbeerd door water en een chemisch systeem werkt alleen op korte afstand.

De studenten kozen voor sonar, geluidsgolven die door obstakels worden teruggekaatst. Om de kosten te drukken, kozen zij voor sonar dat een eendimensionaal plaatje oplevert. Deze signalen zenden de robotjes naar een ‘leiderrobot’ die via gps in verbinding staat met een bemand basisstation. Een slimme computer bepaalt vervolgens of de eenvoudige signalen een dreiging vormen.

Benodigde tijd voor het opmerken van een serieuze dreiging: 45 seconden. Kosten: vierduizend euro per robot. Dat is te duur, maar de robotjes kunnen bij verschillende missies van dienst zijn. Bovendien keken de studenten niet naar optimalisatie van de robotgrootte. Wel hielden de studenten rekening met kapotte robotjes. Zodra de batterijen niet meer werken, blaast een ballon in de robot zich op waardoor deze naar boven drijft. Via een radiozendertje en een lampje weet het basisstation dat er een robot stuk is en waar deze zich bevindt.

(Illustratie: Arjan van Wieringen)

Studenten presenteerden vrijdag twintig slimme innovatieve ontwerpen waar zij in groepjes aan hadden gewerkt. Van een supersonisch zakenvliegtuig en een door mensen aangedreven luchtschip, tot een complete missie naar Jupiters maan Europa.


Met de ontwerpoefening sluiten studenten hun bacheloropleiding luchtvaart- en ruimtevaarttechniek af. In tien weken tijd moeten de studenten bewijzen dat zij in staat zijn om in teamverband hun kennis samen te brengen in een ontwerp. Ze mogen daarbij zelf opdrachten voorstellen, maar meestal doen docenten dat. Soms doen zij dat in overleg met marktpartijen of onderzoeksinstellingen.



Zo richtte een groep van negen studenten zich op de energievoorziening van Malta dat nu geheel afhankelijk is van fossiele brandstoffen. Wetenschappers en bestuurders vinden duurzame energie essentieel voor de toekomst. De studenten ontwierpen en evalueerden een duurzaam vliegersysteem dat alle 400 duizend inwoners van Malta kan voorzien van energie. De ambassadeur woonde de presentatie van het ontwerp vrijdag bij.



Een andere groep studenten hield zich tien weken lang bezig met een non-stop vlucht rond de wereld op zonne- en windenergie.



Hoewel het in eerste instantie gaat om een oefening voor studenten en niet om een wedstrijd, werden de ontwerpen beoordeeld door een jury van experts uit binnen- en buitenland. De jury keek vooral naar technische haalbaarheid, design, presentatie en . dit jaar voor het eerst . duurzaamheid.



Als beste kwam uit de bus het ontwerp voor een windturbine (zie kader), tweede werd het ontwerp voor een goedkoop elektrisch lesvliegtuig en derde werd het ontwerp voor een ruimtemissie naar Jupiters maan Europa, om te onderzoeken of er een oceaan is.



Vorig jaar won ook een project dat met windenergie te maken had: Space for Wind. Studenten hadden hierbij een windenergie-conversiesysteem ontworpen dat geïntegreerd was in het gebouw van de faculteit. Dat systeem voorziet een deel van de faculteit van energie tegen een consumentenprijs en is een testfaciliteit voor windenergie in een bebouwde omgeving.



De Ontwerp/Synthese Oefening resulteerde eerder al in succesvolle ontwerpen zoals de Delfly en de Wasub. De Delfly is een klein, op insecten lijkend radiografisch bestuurbaar vliegtuigje met camera. De Wasub is een door mensen aangedreven onderzeeboot.

Een vlucht met uitzicht



Wie straks met het vliegtuig op vakantie gaat, kan zich er weer over verwonderen: die veel te kleine raampjes waarvoor je jezelf in bochten moet wringen om naar buiten te kunnen kijken. In sommige gevallen leiden ze zelfs tot lichte claustrofobie.



Acht studenten onder leiding van prof.dr.ir. Sybrand van der Zwaag kregen dan ook de opdracht om het uitzicht minstens te verdubbelen zonder dat het gewicht en het onderhoud van het vliegtuig toenemen. Ook mochten de studenten geen gebruik maken van lcd-schermen.



De huidige vliegtuigraampjes zijn zo klein omdat zij in feite gaten zijn in de aluminium romp van het vliegtuig. Deze romp staat bloot aan grote krachten die door de ‘gaten’ niet zijn over te dragen. Hoe groter het raam, hoe groter de krachten op de frames van de ramen. Dat kan leiden tot scheurtjes (‘metaalmoeheid’) en dus tot een kortere levensduur van het aluminium. Daarom zijn er geen grote ramen om tijdens je reis van het uitzicht te genieten.



Om het uitzicht toch te vergroten, onderzochten de studenten mogelijkheden als een andere stoelindeling, optische trucjes zoals spiegels of vergrootglazen in de ramen, het vergroten van de ramen en ander materiaal voor de ramen en het vliegtuig zelf.



Ze kozen uiteindelijk voor langgerekte ramen, omdat die leuker zijn voor het uitzicht dan simpelweg grotere ‘gaten’.



De studenten onderzochten of dat gevolgen had voor het gebruikte materiaal. Voor de romp van het vliegtuig was het na zo’n kort onderzoek niet mogelijk te zeggen wat een betere keuze was: het veel gebruikte aluminium of een composiet. Om de huidige productielijnen met aluminium te handhaven, werd gekozen voor zelfhelend aluminium waar nu volop onderzoek naar wordt gedaan. Dit materiaal kan kleine scheurtjes direct zelf repareren. Dat biedt de mogelijkheid om gewicht te besparen, juist ook op plaatsen die gevoelig zijn voor scheurtjes.



Het polycarbonaat uit de huidige raampjes zou voor grotere ramen wel vervangen moeten worden door materiaal dat meer krachten kan verdragen en transparant blijft bij grote temperatuurverschillen. De studenten vonden de oplossing in een nanocomposiet met glasvezels kleiner dan de golflengte van zichtbaar licht. De resultaten van eerste onderzoeken hiernaar zijn veelbelovend: dit materiaal is vele malen sterker dan het plastic van de huidige raampjes. Het is alleen wel driemaal minder sterk dan het aluminium van de vliegtuigromp, waardoor het nieuwe raam drie- tot viermaal dikker moet zijn dan de aluminiumromp. De studenten bedachten een slim ontwerp waarbij het nanocomposiet geleidelijk overgaat in het zelfhelende aluminium van de romp.



Volgens berekeningen is het uitzicht door het gebruik van langgerekte ramen van dit materiaal in totaal 3,5 maal groter, zonder dat het vliegtuig zwaarder wordt en extra onderhoud nodig heeft. Conclusie van de studenten is dan ook: in de toekomst hebben we allemaal a flight with a view.



(Illustratie: Michael Afanasyev)

Goedkopere windturbine



Als de vraag naar duurzame energie toeneemt, liggen er grote kansen op het gebied van windenergie. Op zoek naar nieuwe technologieën voor de volgende generatie windturbines, ontwierpen negen studenten een innovatieve Delftse windturbine.



Deze turbine moet veel goedkoper energie opwekken dan de nu gebruikte turbines. De studenten moesten voor het ontwerp gebruikmaken van technologieën die nu aan de TU Delft worden ontwikkeld. Zo fungeert de turbine meteen als onderzoeksplatform.



Bijzonder aan de turbine is dat de rotor achter de toren is geplaatst in plaats van aan de voorkant. De wind passeert dus eerst de toren en daarna pas de rotorbladen. Voordeel hiervan is dat de bladen van de turbine bij harde wind van de toren weg buigen in plaats van er naar toe.



Groot nadeel van een rotor achter de toren is dat de toren de luchtstroming verstoort. Om die reden plaatsten de studenten kleppen aan de rotorbladen zoals bij vliegtuigvleugels. De kleppen zijn echter niet mechanisch, maar gemaakt van materiaal dat vervormt wanneer er spanning op wordt gezet.



Dit compenseert de verstoorde stroming en houdt de krachten op het blad constant. Daardoor heeft het materiaal minder te lijden. Door de rotorbladen tijdens harde windstoten iets te draaien, vermindert de vermoeiing ofwel het verlies van kracht. De studenten maakten hierdoor uiteindelijk een constructie die lichter en goedkoper was. Hoewel er nog onderzoek naar het materiaal van de kleppen nodig is, zou de windturbine in 2008 in productie kunnen gaan.



De groep studenten was vrijdag erg verguld met het winnende ontwerp. “Gaaf”, reageerde Steven Bakker namens de groep. “Slechts enkelen van ons wisten veel van windmolens. Wij weten veel over vliegtuigvleugels, maar die zijn vergelijkbaar met windmolenbladen. Drie mensen uit onze groep gaan nu met Yes!Delft kijken hoe je een businessplan schrijft.”



www.oli.tudelft.nl/dsedwt



(Illustratie: Gide Koekkoek)

Robotjes tegen haventerreur



Onderwaterrobotjes die terroristische dreigingen in havens opsporen en lokaliseren. Een groep studenten onder leiding van prof.dr. Dick Simons en dr.ir. Hans van der Marel ontwierp ze.



De aanslagen op het World Trade Center en het Pentagon, van 11 september 2001, maakten duidelijk dat terroristen ‘creatieve’ manieren bedenken om hun doelen te bereiken. Sinds de aanslag op het Amerikaanse marineschip USS Cole in 2000 bleek dat ook schepen en tankers in havens potentiële doelwitten zijn.



Omdat het nogal moeilijk is dergelijke dreigingen onder water te detecteren, wenste TNO Defensie en Veiligheid een oplossing via de zogeheten ‘zwermtechnologie’. Dit is een techniek waarbij kleinere systemen een missie niet zelfstandig maar wel door samenwerking (in een ‘zwerm’) kunnen volbrengen. Vergelijk het met een mier die niet in zijn eentje een heel nest kan bevoorraden, maar samen met zijn soortgenoten wel.



Voorwaarden waren dat de robotjes moesten bestaan uit componenten die uit voorraad leverbaar waren en geschikt voor de Rotterdamse haven. Ze moesten twee tot vijf dagen kunnen opereren, op te schalen en duurzaam zijn en honderd robotjes mochten niet duurder zijn dan twee ton.



Na onderzoek ontwierpen de studenten een soort kleine onderzeeërs met vijf motortjes op batterijen die in water oplaadbaar zijn. Via propellers aan de motoren kunnen de robotjes verticaal, horizontaal en zijwaarts bewegen, maar ook stil in het water hangen.



Probleem was vervolgens: hoe merken de robotjes een dreiging op? Een magnetisch detectiesysteem heeft als nadeel dat de dreiging van metaal moet zijn. Radar wordt grotendeels geabsorbeerd door water en een chemisch systeem werkt alleen op korte afstand.



De studenten kozen voor sonar, geluidsgolven die door obstakels worden teruggekaatst. Om de kosten te drukken, kozen zij voor sonar dat een eendimensionaal plaatje oplevert. Deze signalen zenden de robotjes naar een ‘leiderrobot’ die via gps in verbinding staat met een bemand basisstation. Een slimme computer bepaalt vervolgens of de eenvoudige signalen een dreiging vormen.



Benodigde tijd voor het opmerken van een serieuze dreiging: 45 seconden. Kosten: vierduizend euro per robot. Dat is te duur, maar de robotjes kunnen bij verschillende missies van dienst zijn. Bovendien keken de studenten niet naar optimalisatie van de robotgrootte. Wel hielden de studenten rekening met kapotte robotjes. Zodra de batterijen niet meer werken, blaast een ballon in de robot zich op waardoor deze naar boven drijft. Via een radiozendertje en een lampje weet het basisstation dat er een robot stuk is en waar deze zich bevindt.



(Illustratie: Arjan van Wieringen)

Editor Redactie

Do you have a question or comment about this article?

delta@tudelft.nl

Comments are closed.