Nieuwe vliegtuigmaterialen en -structuren kunnen brandstof en gewicht besparen. Bij de sectie Aerospace Structures and Computational Mechanics ontwikkelen Dr. Roeland De Breuker en zijn collega’s de technologieën, zorgen dat die kunnen worden opgenomen in het ontwerp en testen ze in het lab en in volle vlucht. “Je moet op een dusdanig geloofwaardige manier zoveel besparing kunnen aantonen dat een vliegtuigbouwer ermee verder wil,” aldus De Breuker. 

 

Roeland De Breuker werkt aan zogenaamde smart structures, al noemt hij ze zelf liever multifunctionele constructies. “Intelligent is nog wel wat anders. Wij onderzoeken materialen die functies kunnen vervangen. Bijvoorbeeld materialen, die gericht kunnen vervormen onder invloed van aeroelastische kracht.” Koolstofvezels zijn een goed voorbeeld. “Koolstofvezels kun je in allerlei richtingen leggen. Deze kun je zo ontwerpen dat je zelf de vervorming van de vleugel kunt sturen om zo de optimale prestatie van het toestel te verwezenlijken,” vertelt De Breuker. Koolstofcomposieten worden al wel gebruikt in de vliegtuigbouw, zoals in de Airbus A350, maar zulke gerichte vormverandering is nog niet mogelijk onder de huidige certificatienormen.

Vervormbare constructies

Andere, meer exotische materialen die De Breuker onderzoekt zijn onder meer piëzo-materialen, die vervormen onder invloed van een elektrisch veld, of vormgeheugenmaterialen die kunnen vervormen onder invloed van warmte. Wat kun je daar nu mee? De Breuker: “Nu heb je kleppen aan de vleugel die onafhankelijk bewegen. Met behulp van onze materialen kun je die klep en de vleugel integreren, zodat je geen losse onderdelen meer hebt, maar de constructie zelf vervormbaar wordt. Dat scheelt in de complexiteit van het geheel en in het gewicht, omdat je geen losse onderdelen als kleppen meer nodig hebt.” Huidige vleugels zijn echter niet geschikt voor die vervormingscapaciteit. “We moeten dus iets maken dat sterk genoeg is om de belasting te dragen, maar ook flexibel genoeg om onder invloed van die materialen mee te bewegen. De hele structuur moet vervormen.”

Binnen de afdeling Aerospace Structures & Materials loopt nu het project Smart-X. “We nemen een gewone vliegtuigvleugel, slopen de achterwand eraf en beleggen die helemaal met klepjes,” vertelt De Breuker. “Die klepjes worden dan aangestuurd door hele kleine actuatoren en vervormende materialen.” Daarmee kan de vleugel over de spanwijdte worden vervormd, zoals tijdens de landing, maar er kan nog meer. “Tijdens de vlucht kunnen die klepjes ook de vorm van de vleugel veranderen om de minimale luchtweerstand te krijgen of tijdens turbulentie de belasting op de vleugel te verminderen.” Het concept doet denken aan de vleugel van een vogel. Einddoel van het project is om van die vleugel een autonoom systeem te maken, dat wordt aangestuurd door een computer die zelfstandig beslissingen neemt. “De piloot voert dan de bestemming in en het vliegtuig kan zelf bepalen wat de optimale vleugelvorm is tijdens de vlucht.”

Minder weerstand en lager brandstofverbruik

Met een dergelijke technologie kan niet alleen het gewicht van het vliegtuig omlaag, maar verbeter je ook de prestaties door tijdens de vlucht actief de weerstand te verminderen. Beide verminderen het brandstofverbruik. Vliegtuigbouwers staan dan ook te trappelen om zoiets in hun ontwerp op te nemen, zou je denken, maar de realiteit is anders. “Tijdens het voorontwerp worden beslissingen genomen die de kosten van het vliegtuig voor 80 procent beïnvloeden. Het probleem is dat die beslissingen genomen worden gebaseerd op ervaringen uit het verleden,” aldus De Breuker. Ingenieursbureaus kunnen met die empirische ontwerpregels heel snel bekijken wat de spanwijdte, het gewicht en de lengte van een toestel moeten worden dat een bepaald aantal passagiers moet kunnen vervoeren. Binnen die kaders is geen ruimte voor een nieuwe technologie waarvan niet zeker is wat de invloed is op bijvoorbeeld het gewicht van het toestel. Tijdens het detailontwerp is het echter te laat om de gemaakte keuzes nog ingrijpend te veranderen.

Integratie in het ontwerpproces

Hoe kunnen we die nieuwe technologieën integreren in een ontwerpproces voor vliegtuigen?” is de vraag die de Breuker probeert te beantwoorden. Probleem is dat er nu nog gebruik wordt gemaakt van modellen gebaseerd op de fysica van de nieuwe concepten. Er zijn immers nog geen empirische gegevens over. “Dat zijn rekenkundig hele ‘dure’ modellen, die weken kunnen rekenen om het gewicht te berekenen van een bepaalde configuratie. Die luxe heb je niet, als je twee- of driehonderd varianten wilt doorrekenen.” De Breuker kijkt daarom naar ontwerpmethodologieën waarmee de prestatie en het gewicht al binnen een paar uur kunnen worden berekend, om ze zo toch te kunnen meenemen in de voorontwerpfase. “We gaan niet uit van het meest ingewikkelde model, maar bezien welke fysische fenomenen we nu eigenlijk wel en niet moeten meenemen om het probleem op te lossen.”

Omdat hier verschillende disciplines bij komen kijken – aerodynamica, constructie, materialen – probeert De Breuker zijn modellen modulair op te bouwen. “Stel, je hebt dan nog veertig van je vierhonderd opties over, dan kun je die nog eens in meer detail gaan bekijken door bijvoorbeeld het simpele aerodynamische model te vervangen door het geavanceerde.” Hij werkt hiervoor samen met Airbus, dat wel degelijk geïnteresseerd is om te zien hoe zulke nieuwe concepten in volgende generaties vliegtuigen kunnen passen. “Je moet dan wel op een geloofwaardige manier kunnen aantonen dat je substantiële winst kunt behalen in de vorm van gewichtsbesparing of brandstofverbruik,” zegt De Breuker. Op de weg van een geïdealiseerd model naar gecertificeerd ontwerp worden namelijk nog een hoop concessies gedaan. “Van vijftien procent besparing blijft meestal niets over. Maar begin je met dertig procent besparing, dan is de kans groot dat daar aan het eind van de rit nog vijf of tien procent van overblijft. Dat is nog de moeite waard.”

Experimenten

Zelfs het meest numeriek optimale ontwerp moet vervolgens nog steeds gebouwd worden. “We willen laten zien dat wat we bedenken niet alleen mooi is op papier, maar dat er ook nog voordeel overblijft als je alle randvoorwaarden van de fabricage in aanmerking neemt.” Daarom voert De Breuker ook veel experimenten uit: “We bouwen schaalmodellen om de hardware aan functionaliteitstesten te onderwerpen. Als we een zichzelf vervormend vleugelontwerp bedenken, moeten we ook kunnen laten zien dat die inderdaad gaat vervormen en hoeveel energie je daar dan voor nodig hebt. Onze mooie labs en windtunnels zijn trouwens een van de sterkste punten van de TU Delft.”

In die windtunnels gebeurt dan ook veel, maar niet altijd op gebruikelijke manier. “Een model in de windtunnel zit vast en je meet de stromingen eromheen. We proberen nu een vleugelmodel zo in de wintunnel te zetten dat het lijkt dat het op een vliegtuig zit en daarmee meebeweegt. Op die manier willen we testen hoe de vleugel zich bijvoorbeeld onder turbulentie gedraagt.” Een computer verbonden aan de vleugel zou dan het vliegtuig moeten simuleren. Zo’n test schept ook uitdagingen aan de kant van de windtunnel. “Kunnen ze met de huidige technieken het stromingsveld nog visualiseren en de vervorming meten van een dynamische opstelling?” De Breuker is optimistisch: “We hebben een unieke combinatie aan expertises op de faculteit. Het is heel bijzonder dat ik voor aerodynamicaspecialisten of meet- en regelexperts bij wijze van spreken gewoon de gang op kan lopen. Daar zouden we eigenlijk nóg meer gebruik van moeten maken.”

Testen in volle vlucht

De volgende stap is dan het testen in volle vlucht en ook die expertise is tegenwoordig aanwezig op de faculteit. “Samen met professor Leo Veldhuis werken we aan Scaled Flight Testing. Want je kunt wel een heel vliegtuig bouwen, maar met een model met een spanwijdte van vier meter, kun je ook al conclusies trekken voor het gedrag van het grote vliegtuig,” aldus De Breuker. Het is ook veel goedkoper, dus de hoop is dat Scaled Flight Testing (SFT) te zijner tijd de kosten voor certificering omlaag kan brengen. “Je zult altijd nog met een echt toestel certificeren, maar misschien kan dat proces korter als je bepaalde zaken ook al op schaal hebt aangetoond.” Zowel in Europees onderzoeksverband als bij de industrie is er dus grote belangstelling voor SFT.

Zulke testtoestellen kun je zelf ontwerpen en bouwen, maar er is een andere mogelijkheid. Recent ging het vak ‘Aircraft Manufacturing Laboratory’ van docent Joris Melkert van start, waarin masterstudenten een heus VAN RV-12 vliegtuig bouwen. “Het is de bedoeling op zo’n toestel te zijner tijd ook een nieuwe vleugel te zetten om deze te testen.” Niet voor niets hebben beide projecten een plek naast elkaar in de vliegtuighal gekregen. Het doet De Breuker denken aan zijn eigen studietijd. “In het eerste jaar krijg je veel wiskunde en mechanica, maar ook al luchtvaart-specifieke vakken. Het is heel aantrekkelijk dat je al vanaf je eerste dag iets van het eindproduct te zien krijgt. Hoe mooi moet het dan niet zijn om zelf een toestel te bouwen.” Want de liefde voor het vliegtuig is universeel bij de faculteit.