Stories of Aerospace Engineering

Lees verhalen van onderzoekers en studenten aan de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek en ontdek de wetenschappelijke vragen waaraan zij werken en de oplossingen waarmee ze komen.

Vrouwen als gamechangers in lucht- en ruimtevaart

Hoewel steeds meer vrouwen voor een carrière in de bètarichting kiezen, is de kloof tussen mannen en vrouwen nog steeds aanzienlijk. Het goede nieuws is dat het aantal vrouwen bij de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek de laatste jaren in de lift zit. In 2016 maakten de vrouwen echter nog maar 13 procent van de studenten uit (bachelor en master), 20 procent van de promovendi en 13 procent van het wetenschappelijk personeel. Deze cijfers weerspiegelen het paradigma van het verleden, maar hoe ziet de toekomst eruit? We laten drie vrouwen van de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek aan het woord, gamechangers die zich niets van de genderkloof hebben aangetrokken, en die niet alleen andere vrouwen inspireren, maar ook de huidige en toekomstige generaties lucht- en ruimtevaartingenieurs. Dr. Sofia Teixeira de Freitas Universitair docent dr. Sofia Teixeira de Freitas heeft een onconventionele weg bewandeld naar haar carrière in de lucht- en ruimtevaarttechniek. Nadat ze in haar geboorteland Portugal haar masterdiploma civiele techniek had behaald, heeft ze eerst twee jaar in de bouwsector gewerkt. “In het eerste praktijkjaar miste ik al de uitdaging van het opdoen van nieuwe kennis, dus besloot ik om te gaan promoveren.” Zo belandde Teixeira de Freitas in Delft, waar ze in 2012 promoveerde in de civiele techniek, met onderzoek naar bruggen. Na haar promotie wilde ze graag nieuwe constructies verkennen. “Het leek me interessant om nog grotere uitdagingen op te zoeken”, herinnert ze zich. Daarom besloot ze te solliciteren naar een postdoctorale functie in de lucht- en ruimtevaart, om haar eerdere kennis en expertise toe te passen op gelijmde constructies in vliegtuigen. “Zij waren tenslotte de pioniers op het gebied van gelijmde constructies. Ik had wel zin om het te proberen. Het was geloof ik vooral de uitdaging die me tot deze switch bracht.” De stap pakte goed uit voor Teixeira de Freitas. In 2014 ontving ze de prestigieuze Delft Technology Fellowship, waarmee tenure-track-functies worden toegekend aan excellente vrouwelijke onderzoekers. Hierdoor had zij de unieke mogelijkheid om haar eigen onderzoeksgroep op te zetten. En in 2015 ontving ze bovendien een Veni-subsidie van NWO (Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek). Teixeira de Freitas doet nu onderzoek naar de faalmechanismen en de verslechtering van gelijmde constructies, waarbij ze gebruikmaakt van de principes van de constructiemechanica. Teixeira de Freitas erkent dat lucht- en ruimtevaart een door mannen gedomineerd vakgebied is, vooral in hogere posities, maar ze gelooft dat er een verandering gaande is. Over haar fellowship en haar Veni-subsidie zegt ze: “Dergelijke stimulansen dragen er enorm toe bij dat vrouwen tot een hoger niveau kunnen doordringen. Ik vind het geweldig dat dit nu zo loopt en ik denk dat we de goede kant op gaan.” Kijkend naar de toekomst denkt Teixeira de Freitas dat er meer vrouwelijke docenten en hoogleraren moeten komen. “Wanneer we kennis aan studenten overbrengen, en daarmee laten zien dat vrouwen een carrière kunnen hebben in wetenschap en techniek, kunnen we een voorbeeldfunctie hebben voor meisjes die momenteel op de middelbare school zitten en overwegen naar de universiteit te gaan”, zegt ze. “Ze zien dan vrouwen die succes hebben, die gepassioneerd zijn over hun carrière in de bètarichting. Zulke rolmodellen zijn volgens mij ontzettend belangrijk.” Dr. Irene Fernandez Villegas Dr. Irene Fernandez Villegas heeft de bètawetenschappen altijd leuk gevonden. “Ik was echt geïnteresseerd in scheikunde omdat ik het leuk vond om met allerlei stoffen te experimenteren, en ik hield ook altijd van wiskunde”, vertelt ze. “Toen ik natuurkunde eindelijk begreep, vond ik dat ook leuk. Ik ben altijd een nerd geweest!” Al vroeg besefte ze ook dat ze onder druk het best presteert. Daarom koos ze voor lucht- en ruimtevaart, omdat dat haar de meest uitdagende studie leek. “In mijn opvoeding kreeg ik mee dat je alles kon doen wat je wilde. Ik werd vanaf het begin aangemoedigd.” Tijdens haar studie aan de Polytechnische Universiteit Madrid merkte Fernandez Villegas op dat er slechts ongeveer 10% vrouwelijke studenten en bijna geen vrouwelijke docenten waren. “Maar ik heb nooit het gevoel gehad dat mensen op me neerkeken of dat ik dingen niet kon of mocht doen omdat ik een vrouw was”, zegt ze. “Ik voelde me nooit minderwaardig behandeld, maar ik had altijd hele goede cijfers en dat helpt natuurlijk wel.” Na haar studie werkte Fernandez Villegas voor het Spaanse Instituut voor Lucht- en Ruimtevaarttechnologie ( Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial , INTA), waar ze zich vooral met materialen bezighield. Tijdens haar werk bij het INTA promoveerde ze ook in de lucht- en ruimtevaarttechniek aan de Polytechnische Universiteit Madrid. In 2008 kwam ze als onderzoeker naar de TU Delft, waar ze vier jaar later universitair docent werd. Op dit moment werkt ze aan lasprocessen voor composietmaterialen. Afgelopen jaar zijn er door haar onderzoek en haar zelfverklaarde koppigheid bepaalde dingen veranderd voor Fernandez Villegas. Toen ze tien jaar geleden aan de TU Delft begon, begon ze te werken aan een proces dat ‘ultrasoon lassen’ heet. Ze zag het potentieel, en vertelde Airbus over haar resultaten. “Ze zeiden dat ze dat proces nooit zouden gaan gebruiken omdat ze er niet in geloofden. Prima, zei ik, ik zal bewijzen dat jullie ongelijk hebben.” Vorig jaar presenteerde Airbus een lijst met de lastechnieken die ze voor hun nieuwe vliegtuig wilden gebruiken, en haar technologie stond boven aan de lijst. Fernandez Villegas leidt nu een project om die technologie geschikt te maken voor de industrie. Wat een mogelijke paradigmaverschuiving betreft denkt Fernandez Villegas dat we meisjes niet per se hoeven aan te moedigen om een bètacarrière na te streven. “Ik denk dat we ze moeten laten inzien dat ze kunnen doen wat ze willen, dat ze net zo slim of slimmer kunnen zijn dan jongens, en niet alleen in de bètawetenschap.” Maar voor vrouwen die een carrière in de lucht- en ruimtevaart ambiëren, heeft ze wel een woord van advies. “Vergeet niet dat je vrouw bent. Dit is een door mannen gedomineerd vakgebied en ik heb veel vrouwen gezien, onder wie mezelf, die zich als man probeerden te gedragen. Ik denk dat we niet uit het oog moeten verliezen dat we vrouwen zijn, en dat we anders zijn. Anders, niet minder.” Foto: Henri Werij Tineke Bakker-van der Veen Tineke Bakker-van der Veen heeft een foto van toen ze ongeveer twee jaar oud was en bij haar moeder en grootmoeder bij de landingsbaan op Schiphol zat om de vliegtuigen te zien landen en opstijgen. “Toen is denk ik mijn interesse voor de magie van de luchtvaart begonnen”, zegt de TU Delft-alumna (master in de luchtvaart- en ruimtevaarttechniek, 2005). Die passie is nooit verslapt en heeft uiteindelijk geleid tot haar huidige functie als managing director van Boeing Benelux & Nordics. Bakker-van der Veen zegt dat haar ouders een belangrijke rol hebben gespeeld door haar interesse in techniek te stimuleren. “Zelfs toen ik nog heel jong was, hebben ze altijd dingen aan me uitgelegd, en me met projecten laten helpen”, vertelt ze. Ze overwoog ook om werktuigbouwkunde te gaan studeren, maar koos voor lucht- en ruimtevaart vanwege de focus op innovatie en het “dagelijks oprekken van de grenzen”, zoals ze dit omschrijft. Bakker-van der Veen herinnert zich dat er tijdens haar studie in de wereld van lucht- en ruimtevaart geen vrouw in een hoge functie was die voor haar tot een voorbeeld kon dienen. Dat verklaart deels haar actieve betrokkenheid bij mentorprogramma’s en het stimuleren van belangstelling voor technologie bij jonge mensen. “We moeten de deur openzetten voor toekomstige generaties van vernieuwers, ondernemers en ingenieurs, we moeten beschikbaar zijn als ze contact willen maken, als ze met ons willen praten”, zegt ze. “Maar ik wil me niet alleen richten op de genderproblematiek; het gaat ook over inclusie, dat we elk kind echt enthousiast maken voor bètaonderwijs en laten zien dat bètavakken spannend zijn, dat je geweldige carrièremogelijkheden hebt in de lucht- en ruimtevaart, en dat iedereen daar een gamechanger kan worden. En als we dat doen, zetten we ook de deur open voor de volgende vrouwelijke leiders.” Vóór haar functie bij Boeing werkte Bakker-van der Veen voor bekende bedrijven als Rolls-Royce, Airbus en Fokker. Ze heeft in managementfuncties gewerkt maar kent ook de werkvloer uit eigen ervaring, en ze heeft zich altijd deel van het team gevoeld. Maar ze erkent dat vrouwen opvallen in deze door mannen gedomineerde omgeving. “Belangrijk voor mij was dat ik altijd al op mijn prestaties wilde worden beoordeeld, niet op mijn vrouw-zijn”, zegt ze. “Ja, als vrouw spring je er inderdaad uit in dit door mannen gedomineerde vakgebied. Maar dat heeft ook voordelen: als je dingen moet presenteren, trek je wel de aandacht. Dat betekent dat je goed moet presteren, want het is alsof er altijd een schijnwerper op je gericht staat.” Wat betreft inspiratie voor de volgende generatie lucht- en ruimtevaartingenieurs denkt Bakker-van der Veen dat het belangrijk is dat je dicht bij jezelf blijft. “Je kunt nooit een succesvolle carrière hebben door je te richten naar wat anderen van je verwachten”, vindt ze. Ook gelooft ze dat het goed is om open te staan voor feedback en om mensen te zoeken die je kunt vertrouwen en die eerlijk tegen je zijn. “Probeer te bedenken wat jij kunt bijdragen en welke sterke punten je hebt die echt een verschil kunnen maken voor het team.”

Die raket gaat wel/niet op

Ontwikkelaars van kleine satellieten, zoals universiteiten en kleine bedrijven, zijn voor de lancering daarvan afhankelijk van onbenutte ruimte in grote raketten. Ze hebben daardoor geen controle over de timing van de lancering en een beperkte keuze in de uiteindelijke baan van de satelliet. De commerciële ontwikkeling van raketten, specifiek voor een kleinere lading, biedt uitkomst. Nigel Drenthe verbeterde en valideerde hiervoor een kostenramingsmodel en ontving voor zijn afstudeerwerk, als eerste, de Heinz Stoewer Space Award. “Het zijn al lang niet meer de grote satellietprojecten waarover je in de media hoort,” zegt Nigel Drenthe. “Startups voor het ontwikkelen van nieuwe raketten bieden fascinerende technische innovaties, en iedereen claimt veel lagere kosten per kilogram lading.” Als jongetje was hij al gefascineerd door raketten. Natuurlijk ging hij luchtvaart- en ruimtevaarttechniek studeren. Hier leerde hij precies welke technische systemen noodzakelijk zijn om een raket gecontroleerd de lucht in te schieten. Maar hij leerde ook dat deze nooit zal vliegen zonder goede onderbouwing en beheersing van de kosten. Briljant, maar niet haalbaar “Ingenieurs hebben briljante ideeën,” zegt Drenthe, “maar ze hebben geen benul van wat die betekenen voor de winstgevendheid van de raket. Omgekeerd weten managers en marketingmensen niets van technische haalbaarheid.” Een bezoek aan de cost-engineering divisie van de European Space Agency (ESA) leerde hem dat er met name vroeg in het ontwikkelingsproces behoefte is aan een goed kostenramingsmodel. Hiermee kunnen keuzes gemaakt worden tussen bijvoorbeeld het kopen of zelf ontwikkelen van de benodigde technologie, of om de stekker uit een project te trekken. De ruimte tussen twee richtingen Omdat hij precies op het snijvlak van rakettechniek en kostenraming wilde afstuderen, zocht hij twee begeleiders: ir. Barry Zandbergen van de Space Systems Engineering groep (SSE) als dagelijks begeleider, en Prof. Dr. Ricky Curran van de Air Transport and Operations groep (ATO). Vanuit de ATO groep kwamen de inzichten over operationele aspecten en schaalvoordelen. De vliegtuigindustrie heeft de leercurve naar lagere productiekosten nu eenmaal al lang doorlopen. Een fijnmazig kostenmodel Het afstudeerwerk van Drenthe borduurt voort op eerder werk van Diettrich E. Koelle, een grootheid binnen de ruimtevaart en al sinds 1970 bezig met de kosten daarvan. “Koelle suggereerde dat commerciële partijen in de kosten kunnen snijden omdat ze minder vaak werk uitbesteden,” zegt Drenthe. “Dat scheelt in winstafdracht en in de omvang van de afdeling inkoop.” Drenthe nam dit mee in zijn verbeterde model en ging bovendien in veel meer detail in op de kosten voor de ontwikkelings- en productiefase. Geen schatting van de kosten voor een hele rakettrap, maar de kosten voor alle onderdelen zoals een navigatie-subsysteem, een brandstoftank en een brandstofomleidingssysteem. Vier lanceringen Met name het aantal lanceringen blijkt een belangrijke rol te spelen bij de kosten. “Pas bij vier lanceringen of meer zakt de bijdrage van de vaste kosten onder de algemeen geaccepteerde norm van 35% van de lanceringskosten,“ aldus Drenthe. “Denk hierbij aan de kosten voor faciliteiten, het onderhoudsteam en mission control.” Twintig procent nauwkeurig Volgens Drenthe is er weinig informatie publiekelijk beschikbaar over de ontwikkelingskosten van raketten. Hij heeft zijn model toch kunnen toetsen aan de hand van data, deels geheim, van twee kleine draagraketten: de Falcon 1 van SpaceX en de Pegasus XL van Orbital ATK. Zijn model bleek binnen twintig procent nauwkeurig. “Dat is voldoende voor de vroege ontwikkelingsfase,” zegt Nigel Drenthe. “We gaan zien of het ook klopt voor de raketten die nu in ontwikkeling zijn. Overigens geldt mijn model voor zowel kleine als grote draagraketten.” Een afstudeerder weet raad Tijdens zijn afstuderen heeft hij zijn model al gebruikt toen men bij de ESA overwoog een raket te lanceren van onder een straaljager. Daarmee zou een duur lanceerplatform kunnen worden vervangen door gebruik van een bestaand vliegveld. “Helaas bleek alleen een giftige raketbrandstof voldoende stuwkracht te bieden. Dat kan niet zomaar op een luchthaven in verband met veiligheidseisen. Ook liet mijn model zien dat de kosten van een dergelijk ontwerp zeer hoog waren.” De prijselasticiteit van een raket Ruimtevaart startups noemen zeer lage prijzen van vijf tot tien miljoen euro voor het vervoeren van een paar honderd kilo lading naar een lage omloopbaan. Omdat het aantal lanceringen in grote mate de prijs bepaalt, is ook de marketingkant interessant. “Een klassiek kip-ei verhaal,” zegt Drenthe. “Bij die prijzen ben ik ervan overtuigd dat veel kleine partijen daar gebruik van willen maken. En bij voldoende vraag naar kleine draagraketten zijn die prijzen volgens mijn kostenmodel haalbaar.” Naast de technisch-commerciële kant had hij graag ook deze prijselasticiteit gemodelleerd. “Een mooi onderzoek voor een nieuwe student.” Hier is een link naar zijn volledige afstudeerwerk en hier kunt u lezen over de prijsuitreiking.

Een schat aan geluidsinformatie

Bij vliegtuigen is geluid een ongewenste bijwerking van de voortstuwing. Bij sonar is geluid juist een middel, voor nauwkeurige dieptemetingen. Ongeacht of het voortgebrachte geluid hinderlijk is of alleen maar nuttig, het zegt altijd iets over de bron en de omgeving. Als universitair hoofddocent bij de vakgroep Aircraft Noise and Climate Effects (ANCE) is Mirjam Snellen gespecialiseerd in de technieken van beeldvorming van en met geluid. Ze is pas tevreden als alle informatie uit het gemeten geluid is onttrokken, al dan niet met zelf ontwikkelde detectoren. De ANCE vakgroep, onder leiding van Prof.dr. Dick Simons, is klein en hecht en bevindt zich met haar geluidsonderzoek doelbewust op het snijvlak van meten en modelleren. “Als je alleen meet, dan beschik je niet over de kennis om bijvoorbeeld stillere vliegtuigen te ontwerpen,” zegt Mirjam Snellen. “Andere groepen zijn juist weer gespecialiseerd in het berekenen. Zij bouwen bijvoorbeeld modellen om vanuit vorm en materiaal van een vliegtuigromp te voorspellen welk geluid het bij verschillende snelheden produceert. Dat moet dan natuurlijk wel gevalideerd worden met een meting.” Wat de ANCE vakgroep betreft is zelfs een nauwkeurige geluidsmeting in een windtunnel aan een schaalmodel niet afdoende. Het liefst meten ze het in de praktijk na, onder de meest realistische omstandigheden. Belangrijk bij deze metingen is dat de geluidsbron, de romp in dit geval, goed gescheiden kan worden van andere geluidsbronnen zoals de motoren. Mirjam Snellen: “Dat kunnen wij in ANCE, met onze arrays”. Geluid opsplitsen Met één enkele microfoon kan je alleen volume en toonhoogte meten. Dit verandert als je een array van meerdere microfoons gebruikt, uitgespreid over een oppervlak. Het geluid afkomstig van bijvoorbeeld de neus van het vliegtuig, zal eerst de meest dichtstbijzijnde microfoon bereiken, en kort daarna pas de microfoons die iets verder weg zijn. Met software kunnen de verschillende geluidsbronnen worden gereconstrueerd. “Dit heet beamforming,” legt Mirjam snellen uit. “We kunnen hiermee het gemeten geluid over de tijd opsplitsen naar bronlocatie, toonhoogte (geluidsfrequentie) en volume. Daarbij corrigeren we onder andere voor achtergrondgeluiden, reflecties van het geluid op de grond en zo nodig het Doppler-effect.” Er zitten nog wel enkele praktische voorwaarden aan zo’n array. Zo moeten voor een goede resolutie van de lage tonen, die een lange golflengte hebben, de microfoons wat verder uit elkaar staan. Voor de hogere tonen moeten ze juist wat dichter bij elkaar staan, ter voorkoming van vervormingen. Een array heeft daarom typisch een mix van grotere en kleinere afstanden tussen de microfoons. Bovendien is de omvang van het array beperkt omdat je hem wilt kunnen vervoeren. Een groot wit vlak De onderzoekers in de vakgroep beheersen de beamforming techniek tot in de details. Van de zomer hebben ze voor het eerst gemeten met hun nieuw ontworpen array van 64 microfoons, over een oppervlak van vier bij vier vierkante meter. Daarmee kunnen ze ook bij kleine vliegtuigen voldoende onderscheid maken tussen de verschillende geluidsbronnen. Voordat ze gaan meten bellen de onderzoekers altijd met de luchthaven. “Je staat daar toch met een groot wit vlak. Ook nu komt er nog altijd iemand van de luchthaven langs, maar dat is uit interesse.” Zulke arraymetingen leveren indrukwekkende plaatjes op waarmee goed te zien is welk onderdeel van een vliegtuig welk geluid voortbrengt. De luchtstroming rond de vleugels resulteert typisch in wat lagere geluidsfrequenties, de motoren zelf en de straal daarachter juist in hogere frequenties. “Met onze metingen toetsen we modelvoorspellingen. Als we nauwelijks geluid van het onderstel verwachten en onze metingen laten anders zien, dan is dat aanleiding om het model te herzien.” Verschillende vliegtuigtypes hebben dus een verschillende ‘vingerafdruk’, en vereisen daardoor mogelijk een andere aanpak om de geluidsoverlast te verminderen. Stillere vliegtuigen De luchthavens Schiphol en Lelystad lopen tegen hun geluidslimieten aan en zetten in op toekomstige stillere vliegtuigen. Samen met het DLR (das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt) organiseerde Prof. Simons in 2014 een workshop met experts uit de hele wereld. De centrale vraag was hoeveel stiller vliegtuigen nog kunnen worden, en wat men daarvoor moet doen. “Dat valt best tegen,” zegt Mirjam Snellen. “We kunnen bijvoorbeeld naar ultra-high bypass motoren gaan. Die zijn veel stiller maar ook ontzettend groot en dus zwaar. De extra stuwkracht die je moet leveren om daarmee op te stijgen en te vliegen, vertaalt zich mogelijk weer in extra geluidsoverlast. Met gebruik van andere materialen kan er nog wel wat gewonnen worden.” De vakgroep werkt hiervoor samen met de windenergie groep binnen dezelfde faculteit, welke onder andere het gebruik van poreuze materialen voor windturbines onderzoekt. “Neus- en vleugelkleppen of het landingsgestel van een vliegtuig kunnen daarmee ook wat stiller worden.” Zulke nieuwe ontwikkelingen test men eerst in een windtunnel. Voor dit onderzoek plaatste de vakgroep een microfoon-array in de relatief stille verticale windtunnel. De muren hiervan zijn bekleed met ‘punten’ van absorberend materiaal om geluidsreflecties te minimaliseren. Mirjam Snellen: “De uitdaging is om alleen het object te meten. Het array zelf mag geen geluidsreflecties veroorzaken, en de microfoons moeten zo geplaatst zijn dat we nauwkeurig kunnen meten en beamformen.” Virtueel geluid Je zou hem bijna vergeten, maar ook de luisteraar speelt een belangrijke rol bij geluidshinder en daarmee bij de richting van nieuwe ontwikkelingen. Als een groep testpersonen zich niet stoort aan de brom van de romp, dan hoef je die ook niet aan te passen. Dick Simons was nauw betrokken bij het ontwikkelen van de zogenaamde Virtual Community Noise Simulator van het Nederlands Lucht- en Ruimtevaartcentrum (NLR). Daarmee kan men bijvoorbeeld het geluid van een landend vliegtuig ervaren in een volledig gesimuleerde natuurlijke omgeving. Daar is nauwkeurig gemeten of gemodelleerd geluid voor nodig, wat de ANCE vakgroep kan aanleveren. Mirjam Snellen: “In een simulator is het bijvoorbeeld mogelijk om alleen het geluid van de vleugels en motoren uit te zetten, of om de toonhoogte van het geluid te veranderen.” Dat laatste klinkt als toekomstmuziek, maar er zijn groepen die dit met slimme aanpassingen van vorm en materiaal proberen te bereiken. Scheepvaartveiligheid Beamforming speelt ook een belangrijke rol bij echometingen van waterdieptes en daarmee bij de scheepvaartveiligheid. Een nauwkeurig inzicht in actuele waterdieptes dient bijvoorbeeld als input voor de baggerfrequentie in en rond de haven van Rotterdam, zodat deze ook voor de grootste schepen bereikbaar blijft. Dit in kaart brengen van waterdieptes kan efficiënt met zogenaamde multi-beam echo sounders (MBES). Een MBES is te zien als een echolood dat gelijktijdig meerdere smalle geluidsbundels uitzendt (een ‘ping’). Elk van deze bundels plant zich voort door het water, weerkaatst op de bodem, en wordt weer door de MBES geregistreerd. De helft van de tijd tussen het uitzenden en ontvangen van een ping geeft, samen met het geluidssnelheidsprofiel als functie van de diepte, de afstand van de MBES tot de bodem. Elke ping brengt de bodem in kaart over een brede lijn loodrecht op de vaarrichting van het onderzoeksschip. En met meerdere parallelle vaarbewegingen brengt men de hele bodem in kaart. Mirjam Snellen: “Binnen Nederland zijn wij als een van de weinigen goed op de hoogte van alle technische details van MBES; van het systeem, de invloed van de omgeving en de algoritmes.” De MBES systemen zijn ingewikkeld en duur maar voldoen aan de door Rijkswaterstaat gewenste nauwkeurigheid van enkele centimeters bij dieptes tot enkele tientallen meters. Nieuwe systemen, en goedkopere alternatieven, moeten ook aantoonbaar aan deze criteria van Rijkswaterstaat voldoen voordat bijvoorbeeld een baggerbedrijf ze mag gebruiken. Mirjam Snellen: “Wij hebben het rekenmodel ontwikkeld dat bepaalt of metingen, gegeven een set aan meetsystemen, aan deze normen voldoen.” Bovendien kan er meer informatie gehaald worden uit de huidige systemen, bijvoorbeeld door naast de tweeweg looptijd van het echo-signaal ook naar de intensiteit hiervan te kijken. Mirjam Snellen: “De afgelopen jaren hebben wij een aantal methodes ontwikkeld om uit metingen met MBES niet alleen de waterdiepte, maar ook de bodemsamenstelling te bepalen. Is het bijvoorbeeld een gunstige bodem voor het plaatsen van een windmolenpark?” Alle data gebruiken Het was haar drang om alle informatie uit geluid te halen dat resulteerde in een methode om de nauwkeurigheid van dieptemetingen met MBES te vergroten. De ruwe data van een MBES-systeem moet voor veel variabelen gecorrigeerd worden, waaronder het geluidssnelheidprofiel onder water. Dit is afhankelijk van de druk (diepte), temperatuur en het zoutgehalte. Met name in riviermondingen of bij gebieden met getijdenwerking kunnen lokale variaties in de geluidssnelheid leiden tot meetonnauwkeurigheden. Mirjam Snellen: “De onnauwkeurigheid wordt groter naar de randen van de gemeten strook. Men accepteerde dat of voerde de metingen (deels) opnieuw uit. Maar dat is niet nodig als je je realiseert dat de gemeten stroken elkaar deels overlappen.” Ze ontwikkelde een algoritme dat de extra data van deze overlap gebruikt om de geluidssnelheidsprofielen te berekenen. “Het is geen schatting, het is fysica,” zegt Mirjam Snellen. “Wel af en toe nameten, he,” voegt ze er lachend aan toe. Meten is weten Haar algoritme voor het onder water geluidssnelheidsprofiel is recent geïmplementeerd in commerciële hydrografische software, maar stamt al uit 2009. “Net als in andere vakgebieden vinden niet alle oplossingen snel hun weg naar de praktijk,” zegt Mirjam Snellen. Een actueel onderwerp waarvoor dit ook geldt, is het berekenen van de geluidsimpact van het vliegverkeer bij luchthavens. Daarvoor gebruikt men zogenaamde ‘ noise-power-distance tables’ . “Niemand weet precies hoe nauwkeurig het gebruik van deze tabellen is. We leven in 2018, laten we een paar arrays bij het vliegveld plaatsen en deze geluidservaring daadwerkelijk meten.” Bekijk hier meer informatie over de ANCE vakgroep.

Vliegtuigonderhoud met datasnelheid

Terwijl het vliegtuig waarin u zit onderweg is naar zijn bestemming, zijn alle systemen en onderdelen in dat toestel ook langzaam onderweg: van een gezonde naar een defecte toestand. Vier tenure trackers van TU Delft verwachten dat de terabytes aan data die een modern vliegtuig dagelijks genereert, kunnen worden gebruikt om de gezondheidstoestand te bepalen van elk onderdeel van het toestel, van de wielen en de remmen tot de airco en de structurele integriteit van het vliegtuig zelf. Het projectvoorstel ReMAP, resultaat van een door hen opgezet sectoroverschrijdend samenwerkingsverband, werd beloond met een Horizon2020-subsidie van 6,8 miljoen euro. Dit project maakt wellicht de weg vrij naar een radicaal nieuwe kijk op vliegtuigonderhoud, die alleen al voor Europa een jaarlijkse kostenbesparing tot wel 700 miljoen euro zou kunnen opleveren. Adaptieve onderhoudsschema’s Wanneer een brandend lampje aangeeft dat er iets mis is met een van de boordsystemen, is het niet altijd duidelijk in welk deel van een (sub-)systeem het probleem zich bevindt. “Op basis van historische en actuele vluchtdata kunnen we de feitelijke oorzaak traceren, wat zowel tijd als geld scheelt,” aldus projectleider dr. Bruno Santos. “Belangrijker nog is echter dat nu het meeste onderhoudswerk in de luchtvaartwereld preventief is, wat inhoudt dat veel systemen en componenten worden geïnspecteerd terwijl ze nog prima functioneren. We willen ziektediagnoses en -prognoses ontwikkelen voor de overstap naar realtime interventies op basis van de feitelijke toestand van componenten.” Die overstap naar conditie-afhankelijk onderhoud (CBM) vormt de inspiratiebron voor de onderzoekers. Ze stellen dat de duizenden sensoren in een modern vliegtuig, de toegankelijkheid en snelle overdracht van de enorme hoeveelheid data die uit deze sensoren worden verkregen en de almaar groeiende mogelijkheden van data-analyse-instrumenten de perfecte voorwaarden voor implementatie scheppen. Bruno Santos: “We verwachten dat de gegenereerde data een betrouwbare schatting kunnen opleveren van de resterende levensduur van alle onderdelen in een vliegtuig. Dat beperkt de noodzaak van handmatige inspecties en maakt tussentijds adaptief onderhoud mogelijk.” Als onderdeel van hun onderzoeksplan willen ze de hoeveelheid gegenereerde data nog verder vergroten door het toevoegen van sensoren voor bewaking van de structurele integriteit van vliegtuigen. Momenteel wordt er gewerkt met een onderhoudsschema voor vliegtuigen dat gebaseerd is op vaste tussenpozen, waarvan de lengte afhangt van de limiet die het eerst bereikt wordt: het aantal vlieguren, vluchtcycli of kalenderdagen. Het onderhoudswerk varieert van korte dagelijkse controles tot een complete revisie van het vliegtuig, die een aantal weken in beslag neemt. Afwijken van de strikte, in regelgeving vastgelegde onderhoudsschema’s is alleen toegestaan voor onderdelen die niet essentieel zijn voor het functioneren van het toestel. Maar zelfs dan nog kost het veel moeite om regelgevende instanties ervan te overtuigen dat hetzelfde hoge veiligheidsniveau ook met een alternatief onderhoudsschema gewaarborgd blijft. De visie van de onderzoekers wordt echter gedeeld door ACARE (Advisory Council for Aeronautical Research in Europe), waar men verwacht dat CBM in 2050 de norm voor alle nieuwe vliegtuigen zal zijn. “Het concept van conditieafhankelijk onderhoud is niet nieuw,” stelt Bruno Santos, “maar het wordt nauwelijks toegepast in de luchtvaartindustrie, en een routekaart voor de feitelijke implementatie ontbreekt. Wij willen deze routekaart bieden en daarmee bewijzen dat het huidige veiligheidsniveau gehandhaafd kan blijven of zelfs nog verbeterd kan worden.” Slimme diagnoses en prognoses Het ReMAP-voorstel gaat uit van een geschatte opbrengst van ruim 700 miljoen euro per jaar door directe verlaging van onderhoudskosten, een beperking van het aantal niet-geplande onderhoudsbeurten en grotere beschikbaarheid van de toestellen. “Je krijgt gewoon te veel informatie als je de gezondheidsbewaking van vliegtuigen uitbreidt naar een reeks systemen en structuren. Daarom ontwikkelen we besluitvormings ondersteunende systemen voor betrouwbare en consistente toepassing van CBM. Uiteindelijk zal de mens toch de definitieve beslissing blijven nemen.” De onderzoekers willen offline-algoritmes ontwikkelen voor de verbetering van de diagnose (er is een defect, en waarschijnlijk ligt de oorzaak in dit subsysteem) en de prognose (dit subsysteem of onderdeel zou binnen een bepaald tijdsbestek kunnen uitvallen). De enorme hoeveelheid data die door een complete vloot toestellen wordt gegenereerd, zou dan op basis van diagnose en prognose moeten worden verwerkt. Ter aanvulling zijn er dan compacte boordversies van de algoritmes voor snelle controles tijdens de vlucht, die zelfs niet-geplande onderhoudsbeurten tijdens een normale stop-over kunnen ondersteunen. Verbeterd inzicht in de achteruitgang van systemen en structuren kan bovendien leiden tot een aanzienlijke beperking van het gewicht van het toestel en de complexiteit van de systemen. Op lange termijn kan dit leiden tot vermindering van het aantal back-upsystemen aan boord, terwijl belaste structuren lichter kunnen worden uitgevoerd als gevolg van de nieuwe, door CBM ondersteunde ontwerpvisie. TU Delft als projectleider De vier tenure trackers hebben hun voorstel ingediend bij het Horizon2020-programma, dat onderzoeksinstellingen en het bedrijfsleven stimuleert om innovatieve technologieën op een hoger plan te brengen. Bruno Santos, Wim Verhagen en Mihaela Mitici maken deel uit van de groep Air Transport and Operations en Dimitrios Zarouchas werkt bij de groep Structural Integrity and Composites. Beide groepen zijn onderdeel van de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek. “Onze groep richt zich op alle uitvoerings- en planningsaspecten van het luchttransport, van ondersteuning tot onderhoud en bemanning,” aldus Bruno Santos. “Met als gemeenschappelijk kenmerk dat al het onderzoekswerk betrekking moet hebben op vliegtuigen. Wij zijn van mening dat we steeds meer met data moeten gaan doen en daar snel op moeten inspelen. De wereld zit niet deterministisch in elkaar, en stochastische onzekerheden moeten worden meegenomen in het besluitvormingsproces.” TU Delft zal leiding geven aan het project, zoals dat al eerder gebeurde voor diverse projecten over dit thema. De onderzoekers van TU Delft hebben in korte tijd een aantal partners bij elkaar gebracht, waaronder grote namen uit de Europese luchtvaartindustrie, zoals KLM, vliegtuigbouwer Embraer Portugal, het onderzoekscentrum van UTC (de grootste fabrikant van boordsystemen ter wereld) en IT-multinational ATOS. Diverse universiteiten en onderzoeksinstituten zijn inmiddels ook toegetreden tot het consortium, dat bovendien steun krijgt van drie mkb’s. Voor de meeste partijen was de samenwerking met het team van TU Delft nieuw, maar ze wilden graag instappen, vaak al na het eerste contact. “Deze bedrijven zouden niet hebben deelgenomen als ze er niet in hadden geloofd dat wij, als consortium, in staat zijn dit onderzoek uit te voeren en de markt te interesseren,” aldus Bruno Santos. “Daarbij komt dat hun bijdragen uiterst waardevol waren voor het beoordelen van de behoeften vanuit het bedrijfsleven en van de meerwaarde van de voorgestelde oplossing. Ook kwamen ze met waardevolle bijdragen voor die gedeelten van het voorstel die betrekking hadden op de economische effecten.” ReMAP is het eerste voorstel van Bruno Santos als projectleider, en het was al meteen een succes. Nog geen tien van de ruim honderd voorstellen die naar aanleiding van deze specifieke Horizon2020-oproep waren ingediend, werden beloond met een subsidie. Vier à vijf nieuwe promovendi van TU Delft zullen bij het project betrokken worden. Het project vormt een uitbreiding van het CBM-concept zoals dat momenteel wordt verkend door AIRMES, een doorlopend Europees project waaraan TU Delft ook deelneemt, met Verhagen en Santos als betrokken onderzoekers . “Met ReMAP bieden we een compleet pakket. Het omvat zowel systemen als structuren, en we passen machine learning toe voor de optimalisering van het onderhoud. Daarnaast voeren we een veiligheidsrisicoanalyse uit om te valideren dat de onderhoudsbetrouwbaarheid minimaal intact blijft of zelfs verbeterd wordt in vergelijking met huidige normen. We hebben onszelf weliswaar al een concreet doel in de toekomst gesteld, maar we worstelen nog met een aantal uitdagingen die een belemmering vormen voor de praktische toepassing van CBM zoals die binnen dit project moet plaatsvinden.” Labtests en praktijktests De onderzoekers richten zich op twaalf boordsystemen, waaronder het aircosysteem van de cabine, het hulpaggregaat, de wielen en de remmen. De systeemdata worden door de samenwerkende partijen geleverd. Gezamenlijk gaan ze machine learning technieken en op natuurkundige wetten gebaseerde modellen ontwikkelen en toepassen voor het bouwen van diagnostische en prognostische algoritmes vanuit de verzamelde terabytes aan data. In de loop van het project zullen deze voorspellende algoritmes in het lab worden gevalideerd. Zo kunnen ze continu worden verbeterd, totdat de uiteindelijke verificatie plaatsvindt binnen een zes maanden lopende praktijktest, iets wat nooit eerder gedaan is. Deze praktijktests richten zich op de KLM-vloot van Boeing 787-toestellen (twintig vanaf 2020) en de KLM City Hopper Embraer 175 (tien vanaf 2020). Voor het testen van de structuren zullen de onderzoekers labtests uitvoeren bij TU Delft en op de Universiteit van Patras in Griekenland. In eerste instantie zullen ze werken met eenvoudige verstevigingspanelen, waarna de complexiteit wordt opgevoerd met gebogen multiverstevigingspanelen met ribben en sluitingen. De nadruk zal liggen op de composietelementen van de structuur van het vliegtuig. De onderzoekers blijven werken aan de ontwikkeling van sensortechnologieën en de optimalisering van de plaatsing ten opzichte van de panelen. Bruno Santos: “Structurele gezondheidsbewaking is in de praktijk een onderbelicht concept. Dit project is een proeftuin voor mogelijke verdere ontwikkelingen in de toekomst.” Workshops en een whitepaper De onderzoekers willen ook andere luchtvaartmaatschappijen en belanghebbende partijen betrekken door regelmatig workshops te organiseren waarin ze hun resultaten kunnen delen en enthousiasme kunnen kweken. “De schaal is een belangrijke factor voor CBM,” meent Bruno Santos. “Hetzelfde type toestel wordt door meerdere luchtvaartmaatschappijen gebruikt. Zonder feitelijke data te hoeven delen, kan het door ons te bouwen ICT-raamwerk alle data volledig benutten om het voorspellend vermogen van onze modellen te vergroten.” Aan het eind van het project zullen ze hun bevindingen in een whitepaper publiceren. “Het is een routekaart. We verwachten te kunnen aantonen dat het veilig kan zijn om bepaalde onderhoudsrestricties soepeler te hanteren, en te laten zien hoe we CBM veilig kunnen implementeren. Vervolgens mogen de wereldwijde regelgevende instanties op luchtvaartgebied gaan praten over de huidige regelgeving en over het traject naar implementatie van CBM.” De onderzoekers zullen het EASA (European Aviation Safety Agency), lokale autoriteiten, Airbus, Thales en tal van andere relevante belanghebbende partijen betrekken bij de discussie over deze whitepaper. Zulke aanpassingen van de regelgeving vergen veel tijd. Over twintig jaar is het echter misschien zo dat uw entertainmentsysteem aan boord werkt omdat de conditie en de resterende levensduur nauwlettend worden gevolgd, niet omdat er nog geen defect is opgetreden of omdat er voortijdige revisie heeft plaatsgevonden.

Brandend verlangen: een risicomodel voor wensballonnen

Er is weinig zo sprookjesachtig als een zwerm traag zwevende wensballonnen. Vooral met de jaarwisseling zijn ze populair. Ook Michiel Schuurman heeft oog voor de romantiek van de wensballon. Maar als universitair docent bij de Structural Integrity and Composites Group en als docent van het vak Forensic Engineering, ziet hij ook risico’s. Schuurman: “Volgens onze metingen komen ze veel hoger dan toegestaan, op hoogtes waar vliegtuigen vliegen. Bovendien is er brandgevaar voor de omgeving.” Samen met collega Derek Gransden doet hij onderzoek om de risico’s te modelleren. Daarna is het aan de overheid om de wetgeving omtrent wensballonnen al dan niet aan te passen. Niet bij een vliegveld Wensballonnen vallen als speelgoed onder de Nederlandse Voedsel en Waren Autoriteit (NVWA). Die heeft zeer beperkt onderzoek gedaan naar de veiligheid, waarbij volgens Schuurman vooral is gelet op risico’s voor de consument en diens directe omgeving. Volgens het advies van de NVWA mogen wensballonnen alleen opgelaten worden bij windkracht twee of minder, en niet binnen een straal van 15 km rond een (zweef)vliegveld. Schuurman: “In de praktijk betekent dit dat het gebruik van de wensballon tot maximaal 20 dagen per jaar en tot ongeveer één-derde van Nederland beperkt is. Maar ja, je bruiloft is nu eenmaal vandaag en ‘hier’.” De brandweer ziet graag een landelijk verbod vanwege brandgevaar voor bos, duin en huizen met rieten daken. Er zijn genoeg voorbeelden van incidenten, maar verkopers schermen ermee te voldoen aan de veiligheidseisen van de NVWA. “Wat deze discussie nodig heeft,” aldus Schuurman, “zijn heldere data omtrent de risico’s van wensballonnen voor de omgeving.” Met zijn collega Derek Gransden ging hij aan de slag. Warme lucht Schuurman: “Ons onderzoek richt zich tot nu toe op het verticale vluchtprofiel van de wensballonnen. Wat is de maximaal haalbare hoogte en hoe lang zweven ze?” Volgens de wet van Archimedes ondervindt de ballon een opwaartse kracht gelijk aan het gewicht van de verplaatste lucht. De verticale versnelling van de ballon volgt dan, na correctie voor de zwaartekracht, uit de tweede wet van Newton: Kracht is massa maal versnelling (F = m×a). Daarnaast ondervindt de ballon tijdens het stijgen ook luchtweerstand. De drie parameters met de grootste invloed zijn vorm en volume van de ballon en het gewicht van de brander. De brander bepaalt hoeveel energie beschikbaar is om de lucht in de ballon te verwarmen. Het volume en de temperatuur van de opgewarmde lucht bepalen de liftkracht. “Ons uiteindelijke model is gebaseerd op formules voor heteluchtballon uit de jaren ’70. We hebben daarbij een paar vereenvoudigingen toegepast zoals de aanname dat de druk en temperatuur binnen de ballon uniform zijn.” Piepschuimen bolletjes Schuurman en Gransden voerden experimenten uit met vijf soorten wensballonnen. Eerst bepaalden ze het volume van de wensballonnen. Dat bleek niet eenvoudig omdat de ballonnen zeer kwetsbaar zijn en dus niet met water gevuld kunnen worden. “Vullen met piepschuimen bolletjes uit zitzakken bleek de oplossing.” Ook hebben wensballonnen een zeer geringe liftkracht die daardoor moeilijk te meten is. Schuurman: “We hebben een half jaar geëxperimenteerd voordat een eenvoudige aanpak de meest consistente resultaten bleek op te leveren. Uiteindelijk konden we de liftkracht het beste bepalen door de ballonnen met lichte draad vast te maken aan gewichtjes bovenop een digitale weegschaal. De reproduceerbaarheid van de experimenten bleef uiterst matig door variatie in de productie. Zo leidde het geringe extra gewicht van iets bredere lijmranden al tot een grote verandering in het vluchtprofiel.” Schuurman en Gransden voerden hun experimenten uit in een brandveilig laboratorium vrij van horizontale luchtstromingen. Een infraroodcamera registreerde de temperatuur in de ballon en met een videocamera werden het moment van ontsteking, lancering en landing vastgelegd. “Landing in onze opstelling komt overeen met het hoogste punt in een buitenvlucht. Ons model berekent dit hoogste punt en simuleert vervolgens ook de benodigde tijd om te dalen.” Piloten verrast Schuurman: “Ons model laat zien dat vrijwel alle ballonnen na tien minuten weer geland zijn. Maar waar de NVWA concludeerde dat de ballonnen slechts bij uitzondering tot 300 meter hoogte kwamen, geeft ons model juist aan dat dit de norm is. ”De maximale hoogte is gemiddeld 500 meter. Dat is een hoogte waarbij kleine vliegtuigen vliegen maar waar ze ook opstijgende en landende grote vliegtuigen in de weg kunnen zitten. “Van veel piloten weet ik dat ze weleens wensballonnen zien. Nu zal één wensballon waarschijnlijk weinig schade aan een vliegtuig veroorzaken, maar een hele zwerm kan tot een schrikreactie bij de piloot leiden op het moment dat alle aandacht juist naar de landing hoort te gaan.” Brandgevaar “Onze eerste resultaten geven aan dat de discussie omtrent wensballonen gebaat is bij vervolgonderzoek.” Het liefst willen Schuurman en Gransden hun model in de open lucht valideren. Hierbij denken ze aan het volgen van de wensballon met een drone, waarvoor speciale toestemming nodig is. Daarnaast willen Schuurman en Gransden de horizontaal afgelegde afstand gaan modelleren. Data wat betreft de windsnelheid en windrichting in Nederland hebben ze al. De laatste stap is het modelleren van de risico’s. Ondanks dat de ballonnen geïmpregneerd (moeten) zijn, is brand het belangrijkste risico. “Als ik de ballon op deze plek oplaat,” zegt Schuurman, “wil ik weten waar hij heen kan vliegen, wat voor vegetatie en gebouwen hij tegenkomt en of hij nog kan branden op het moment van landing” Dat laatste is inderdaad mogelijk, laten zijn experimenten en die van de NVWA zien. Deze onderzoeken gebruikten slechts enkele tientallen ballonnen terwijl in 2009 al een paar honderdduizend wensballonen verkocht werden. Sindsdien is de verkoop via (vuurwerk)winkels en onlineshops daar nog bij gekomen. Wetenschappelijk èn ludiek Schuurman presenteerde het onderzoek in de zomer van 2017 op de AIAA Balloon Systems Conference in Denver, Colorado. In een zaal gevuld met NASA-medewerkers en andere ballon-onderzoekers lichtten alle ogen op. “Je moet je voorstellen,” aldus Schuurman, “dat deze mensen ballonnen gebruiken voor onderzoek van de aarde en mogelijk andere planeten. Ons onderzoek naar wensballonnen lijkt ludiek, maar het is zeker niet minder wetenschappelijk. Zodra het model af is, kunnen overheden het gebruiken om het bestaande beleid rond wensballonnen te evalueren.” Lees tips over het oplaten van wensballonnen: www.brandweer.nl/brandveiligheid/wensballonnen