Schaalmodel Flying-V: Uitvinden terwijl we bouwen

De vrachtwagen trekt heel langzaam op, onderweg van de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek naar Schiphol. De lading aan boord is kostbaar: het 3 meter brede vliegende schaalmodel van het revolutionaire Flying-V vliegtuig. Het team van hoofdingenieur Malcom Brown heeft er de afgelopen zomer non-stop en onder grote druk aan gewerkt. Grootste uitdaging? Brown: “Onder de 25 kg blijven”.   

(foto: Henri Werij)

Aan de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek wordt sinds 2017 gewerkt aan de Flying-V, een revolutionair, energiezuinig vliegtuigontwerp, waarbij passagiers, vracht en brandstof allemaal in de vleugel zitten. Computersimulaties en windtunneltests laten zien dat het toestel 20% minder brandstof gebruikt dan het meest moderne vliegtuig van nu, de Airbus A350. Vliegtests met een vliegend schaalmodel zijn nodig om te testen hoe zo’n vliegende V zich echt in de lucht gedraagt. Blijft het toestel stabiel? Wat is de ideale hoek om op te stijgen en te landen?

Als KLM in het voorjaar van 2019 aan boord komt als partner, is daar opeens een harde deadline: eind september moet het model klaar zijn voor de KLM Experience Dagen ter ere van KLM100. 

Een nog grotere uitdaging dan tijdsdruk 

Malcom Brown, een nuchtere luchtvaartingenieur uit Johannesburg, Zuid-Afrika, krijgt de klus het schaalmodel op te leveren: “Wat het bouwen van een schaalmodel van zo’n radicaal ander type vliegtuig zo bijzonder maakt, is dat we alles voor het eerst doen. Er is geen handboek of procedure voor. We ontdekken en vinden uit terwijl we bouwen. Leerzaam, en tegelijk niet altijd goed te plannen. Gaandeweg kwamen er echter achter dat we een nog grotere uitdaging hadden dan tijdsdruk.”  De grootste uitdaging van Browns team – bestaande uit composietexpert Frank van Wissen, elektronica-deskundige Alberto Ruiz Garcia, CAD-ontwerper Daniel Atherstone en twee masterstudenten – is het gewicht van het toestel. Brown: “We hebben er behoorlijk mee geworsteld om het toestel onder de 25 kg te houden.” Die 25 kilogram heeft overigens niets te maken met de luchtwaardigheid van het toestel, maar met de drone wet- en regelgeving. Voor drones die zwaarder zijn dan 25 kg is veel moeilijker om een vlieglicentie te krijgen. Brown: “Het steekt nogal nauw. Voor de KLM Experience Dagen hadden we bijvoorbeeld afgesproken dat we het toestel in KLM-kleuren zouden verven. Maar zelfs die dunne verflaag kan het toestel al te zwaar maken.” Gewicht is daarom leidend bij veel van de keuzes die het team maakt. 

(foto: Guus Schoonewille)

Lichtgewicht 

Van Wissen, composietexpert, legt uit: “De structuur is gemaakt van glasvezel-epoxy verstijfd met schuim. Dit vormt een stijf sandwichpaneel. Koolstofvezel is, waar nodig, gebruikt voor extra sterkte. Dat maakt het schaalmodel licht, sterk en betaalbaar.” Het frame dat de motoren en het landingsgestel aan het schaalmodel verbindt is ontworpen door CAD-deskundige Daniel Atherstone: “Door een nieuwe versie te gebruiken van onze ontwerpsoftware met topologie-optimalisatie kon ik de goede balans vinden tussen stijfheid en gewicht.” Maar het team krijgt ook een onverwachte tegenvaller. Brown: “We kwamen erachter dat het vulmiddel dat we wilden gebruiken om de winglets te bevestigen het toestel net te zwaar zou maken.“

Ook voor de behuizing van de twee elektromotoren (‘electric ducted fans’) op de bovenkant van het vliegtuig gold dat het lichtgewicht moest zijn. Brown: “De motoren komen van een Duits leverancier, maar de behuizing ervan hebben we zelf ontworpen. Nu draagt het bij aan de aerodynamica van het vliegtuig en is het door gebruik van één enkele laag koolstofvezel ook lichtgewicht.”  

Besturen én meten 

Aan boord van het schaalmodel zijn de nodige meet- en regelsystemen. Teamlid Alberto Ruiz Garcia: “We hebben zowel besturingssystemen aan boord die het toestel bestuurbaar maken als sensoren en computersystemen waarmee de vliegeigenschappen van het model worden onderzocht. Mocht het signaal naar de piloot op de grond verloren gaan, kan een autopilot het toestel veilig terugsturen.” Om het risico te verminderen kiest het team ervoor om een bestaand besturingssysteem in te bouwen. De sensoren en meetinstrumenten zijn op maat gemaakt en de interface hebben ze zelf geprogrammeerd.  

Schuimbolletjes 

Ook voor het te zware vulmiddel voor de winglets vond het team een oplossing. Brown: “We hebben schuimbolletjes toegevoegd aan het materiaal. Een oplossing die bij andere soorten lijmen en harsen al was toegepast, maar nog nooit voor dit type filler. Hiermee konden we het gewicht voldoende verlagen terwijl de stijfheid van de connectie behouden bleef.” Uiteindelijke gewicht van het model: 24,8 kilogram. 

(foto: Guus Schoonewille)

KLM100 

Uiteindelijk is het ook met de deadline goed gekomen. Op 30 september hebben Malcom en Alberto het schaalmodel – voorzichtig - met een vrachtwagen naar Schiphol gebracht. Daar bezoeken van 3 t/m 13 oktober zo’n 65.000 mensen het schaalmodel tijdens de  KLM Experience Dagen. Deze vinden plaats ter ere van de 100ste verjaardag van KLM. Daarna komt het schaalmodel weer naar de Vliegtuighal. Er wordt nog precisiewerk verricht aan de ‘control surfaces’ op de huid van het toestel, de accu’s worden dan  aangesloten en er wordt een grondige systeemtest gedaan. Brown: “Ook dan werken we weer onder grote tijdsdruk. De volgende deadline komt eraan: de vliegtests.”  

Brown: we hebben altijd vertrouwen gehad in dat het zou lukken.