De volgende fase in vliegtuigontwerp

Het vliegtuigontwerp van de Flying-V is potentieel veel efficiënter dan de traditionele “buis met vleugels”. Het concept werd met veel enthousiasme ontvangen, maar als de duurzame vliegende vleugel tegen 2040 klaar moet zijn, zal er eerst nog flink wat werk verzet moeten worden.  

In juni 2019 presenteerden TU Delft en KLM hun plannen voor de Flying-V: een toestel dat door zijn unieke vorm twintig procent op brandstof en emissies moet besparen. KLM sponsort het project voor duurzaam vliegen in het kader van haar 100-jarig bestaan. Tijdens de viering daarvan in oktober was er grote belangstelling voor het schaalmodel en de mock-up van het interieur van de Flying-V. Van Dutch Design Week tot DWDD besteedden er aandacht aan. “Het werk waar wij al jaren mee bezig waren, stond ineens in de schijnwerpers”, vertelt Roelof Vos, projectleider Flying-V en universitair docent vluchtprestaties en voortstuwing.

Goed narekenen

De aandacht van Vos werd al in 2014 getrokken door een patent dat in de media verscheen. Afstudeerder Justus Benad van de TU Berlijn had voor Airbus een conceptontwerp van een vliegende vleugel voor 300 passagiers bedacht. “De meeste nieuwe vliegtuigconcepten zijn niet zo radicaal anders dan de huidige, dus dit intrigeerde me”, vertelt Vos. “Het beloofde maar liefst een verbetering van tien procent aerodynamisch efficiëntie en twee procent reductie van het startgewicht ten opzichte van een conventioneel toestel, dus ik dacht ook meteen: die claims moeten we als kritische onderzoekers even goed narekenen.”

Vos dacht ook het concept nog te kunnen verbeteren: “Met een ovalen romp in plaats van een ronde buis werd het de Delftse Flying-V.” Het aerodynamische onderzoek op basis van deze variant gaf nog veel positievere resultaten dan de gehoopte tien procent verbetering. Ook de verwachting over het lagere startgewicht leek uit te komen, al was dat lastig te berekenen voor een vliegtuig dat alleen nog op papier bestond. “In overleg met experts van Airbus kwamen we tot de conclusie dat het toestel in ieder geval niet zwaarder zou worden. Het leeggewicht wordt ongeveer zeven procent minder, claimen wij, maar het totaalgewicht wordt straks mede bepaald door het interieur en alle systemen.”

Constructiegewicht

Dat lagere gewicht heeft alles te maken met de bijzondere vorm van het toestel: “Normaal zitten passagiers in het midden van een vliegtuig en genereert de vleugel de lift; die krachten moeten vervolgens worden doorgeleid naar de cabine. Dit vereist extra constructiegewicht, wat hier niet nodig is.” Dat is geen nieuw idee; het is ook een van de achterliggende gedachten achter een toestel als de Blended Wing Body-vliegtuigen (BWB), waarbij vleugels, cabine en motoren één vormen. “Vanuit een industrieel perspectief bleek die Blended Wing Body echter niet aantrekkelijk, omdat je ieder toestel opnieuw moet ontwerpen.

De Flying-V daarentegen is makkelijk te verlengen of te verkorten. Op die manier kun je een serie van vliegtuigen bouwen, waarbij je 95 procent van dezelfde onderdelen kunt gebruiken”, legt Vos uit.

Testmodel

In de Vliegtuighal van de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek wordt intussen gewerkt aan een Flying-V schaalmodel met een spanwijdte van drie meter. Dat gebeurt onder leiding van onderzoeker Malcom Brown. Net als bij de andere onderdelen van het project zijn studenten daar nauw bij betrokken. “Het is heel mooi om te zien hoeveel studenten leren van zoiets praktisch als een model maken dat ook echt werkt”, zegt Brown. “Je merkt dan ook dat niet iedereen even praktisch is ingesteld als het gaat om zaken als boren of vijlen, maar dat is net zo goed onderdeel van het leerproces. Het model wordt straks wel voor echte onderzoeksvluchten gebruikt, daarom moeten we zo nauwkeurig mogelijk werken.”

Meet-arm

Een speciaal aangeschafte 3D meet-arm met laserscanner moet daarbij helpen. “Met die meet-arm kunnen we de vorm en locatie van onderdelen op een tiende millimeter exact bepalen. Op die manier kunnen we controleren of alle bestelde onderdelen aan onze opgaven voldoen en precies op de juiste plek zitten”, vertelt Brown. Ondanks alle nauwkeurigheid blijft het bouwen van een testmodel tot het laatste moment spannend. “De realiteit is altijd anders dan de berekeningen, dus tijdens de testvluchten weten we pas of het toestel echt vliegt en wat de vliegeigenschappen dan zijn. Uit de windtunneltests bleek bijvoorbeeld dat het toestel onder een bepaalde, hoge invalshoek minder stabiel zou kunnen worden. Dat was in de computersimulaties niet naar voren gekomen”, zegt hij. “Sowieso is het schalen van windtunnelmetingen naar testmodellen naar ware grootte altijd een enorme uitdaging in de luchtvaart.” Een promovendus onderzoekt nu hoe de theorie achter dat opschalen verbeterd kan worden; onderzoek waar meer dan alleen dit project van zal kunnen profiteren.

Interieur

Van het schaalprobleem heeft professor Peter Vink dan weer geen last. De hoogleraar Environmental Ergonomics werkt aan het interieur van het toestel. Een deel van dat interieur is op ware grootte gebouwd en momenteel te bewonderen bij de faculteit Industrieel Ontwerpen. “We hebben het project aangegrepen om het comfort voor passagiers te verbeteren”, zegt hij. Uit een ontwerpwedstrijd voor studenten zijn vier winnende ideeën gekozen voor respectievelijk bedden, loungeplekken, groepszitjes en individuele zitplaatsen. De bedden maken horizontaal slapen voor economy-class-prijzen mogelijk volgens Vink: “We plaatsen drie bedden boven elkaar, waarvan het middelste straks kan worden omhooggeschoven zodat passagiers op het onderste bed kunnen zitten tijdens het opstijgen en landen. Dat moet, omdat je anders niet snel genoeg zou kunnen evacueren. Op deze manier verlies je echter geen zitplaatsen, want de drie bedden nemen net zoveel ruimte in als drie stoelen”, vertelt hij.

Op de groepsplekken zitten passagiers tegenover elkaar zoals in de trein. “Meer dan een kwart van de passagiers vliegt in groepjes. Tegenover elkaar kun je beter praten, of spelletjes doen met de kinderen”, zegt Vink. “In de loungestoelen kun je verschillende posities innemen, van helemaal relaxed tot werkend met je laptop op schoot. Regelmatig wisselen van houding is belangrijk en je houding wordt bepaald door je activiteit; dat maakt deze stoel mogelijk.”

De individuele zitplaatsen staan niet pal naast elkaar, maar verspringen en staan onder een hoek van 26 graden in de vliegrichting opgesteld. Dat laatste is een veiligheidsvoorschrift. “Te veel buiten de hoek van de vliegrichting zitten is minder veilig in geval van een crash” legt hij uit. “Hier heeft het een bijkomend voordeel: je hebt veel meer been- en schouderruimte.” Het in- en uitstappen wordt op deze plekken vergemakkelijkt doordat je de stoelkussen kunt omklappen. “Die opgeklapte stand kun je ook gebruiken als je even wat hoger wilt zitten”, aldus Vink.

Duurzaamheid

Ook bij het interieur is aan duurzaamheid gedacht. “Het interieur is gewicht, en hoe zwaarder hoe meer brandstof je nodig hebt. Daarom zijn onze stoelen zo ontworpen dat ze drie tot vijf kilo lichter zijn dan huidige modellen. In de rest van het interieur hebben we zo veel mogelijk met opengewerkte in plaats van massieve structuren gewerkt, via het principe van ‘generative design’, wat ook weer materiaal, en dus gewicht, scheelt.” Veel van deze ideeën zouden ook in standaardtoestellen gebruikt kunnen worden, maar voor het interieur van de Flying-V zijn er eerst nog veel vragen te beantwoorden. “Zoals we het nu bedacht hebben, is er bijvoorbeeld te weinig ruimte voor handbagage”, zegt Vink. “Maar ach, we hebben nog tot 2040.”

Er is nog zoveel te doen

De media-aandacht is intussen een beetje geluwd, maar achter de schermen gaat het werk op volle kracht verder. “We hebben het project vanaf het begin integraal opgezet en alle disciplines erbij betrokken. Je wilt bijvoorbeeld niet uitkomen op een prachtig aerodynamisch ontwerp dat dan heel zwaar blijkt te zijn”, vertelt Vos. “Recent zijn we daarom ook weer met experts uit de hele sector om de tafel gaan zitten, om te kijken wat zij nog voor uitdagingen zagen. Daar kwam een waslijst van bijna 50 onderwerpen uit die we nader moeten bestuderen.”

Die varieerden van heel praktisch tot heel theoretisch. “Zo’n nieuw toestel moet wel op bestaande vliegvelden kunnen landen en onderhouden worden. Stel, je moet de motor vervangen. Die zit bovenop de vleugels. Op Schiphol komt er dan een kraan aanrijden, maar hoe zit dat elders ter wereld?” Veel conceptueler zijn vragen over de dynamische stabiliteit van het ontwerp. “Daarvoor moet je weten hoe de massa precies verdeeld is en hoe de aerodynamica verandert bij verschillende snelheden”, zegt Vos. “Dat kunnen we straks voor een deel tijdens de testvluchten meten, maar een klein testmodel vliegt niet hard genoeg om daar met zekerheid iets over te zeggen. We kunnen het ook proberen te schatten aan de hand van bestaande methodes, maar die zijn afgestemd op de huidige toestellen. Daarvoor moeten we resultaten van verschillende tests en analyses op een slimme manier met elkaar combineren.”

Volgende fase

Over de noodzaak van een nieuwe configuratie zijn ze het alle drie eens. “Je kunt niet doorgaan met de huidige oplossingen”, stelt Vink. “Met bestaande configuraties zijn alleen nog incrementele, kleine verbeteringen mogelijk”, vult Vos aan. “Misschien is dit wel de eerste stap in de volgende fase van de luchtvaart”, zegt Brown. “De sector weet dat hij moet vernieuwen. Uit economische overwegingen, want brandstof is de grootste kostenpost voor luchtvaartmaatschappijen, maar ook vanwege het steeds strenger wordend emissiebeleid.”

Vliegen we dus in 2040 in een Flying-V? “Airbus, Schiphol en KLM en andere bedrijven zijn allemaal enthousiast. Volgend jaar gaan we een consortium vormen om nog intensiever met al die partijen samen te werken aan de ontwikkeling”, vertelt Vos. Toch houdt de wetenschapper nog een slag om de arm. “Er is nog zoveel dat we niet weten over dit toestel; het kan natuurlijk ook nog dat we over vijf jaar tot de conclusie komen dat het toch niet haalbaar is.”

Met bestaande configuraties zijn alleen nog incrementele, kleine verbeteringen mogelijk.