Te midden van de corona-pandemie ontwierpen vijf studenten luchtvaart- en ruimtevaarttechniek van de TU Delft een verticaal start- en landingsvliegtuig op basis van Leonardo da Vinci’s luchtschroef (Aerial Screw) en toonden ze er de haalbaarheid en de (natuurkundige) werking van aan. Met hun SolidityONE wonnen de studenten de First Prize Award en de Best New Entrant Honours van de Vertical Flight Society Student Design Competition 2020.  

De helikopter van Da Vinci nieuw leven inblazen

De oudste, ons bekende tekeningen voor een luchtmachine die je een helikopter zou kunnen noemen, zijn in de 15e eeuw gemaakt door de wereldberoemde Italiaanse wetenschapper en kunstenaar Leonardo da Vinci (1452-1519). Zijn schets van de ‘Aerial Screw’ wordt gezien als het allereerste ontwerp van een verticale start- en landingsmachine (VTOL). Da Vinci zette gedetailleerde instructies bij zijn schetsen, wat suggereert dat hij misschien van plan was om de machine daadwerkelijk te bouwen. Wetenschappers van nu geloven echter dat de machine niet in staat zou zijn geweest om te vliegen. Het ontwerp was te zwaar voor de aandrijving door menskracht alleen.

Da Vinci (links) versus TU Delft (rechts)

We wilden antwoorden vinden op Da Vinci's onopgeloste vragen en de techniek achter zijn uitvinding beter in kaart brengen.

In 2020, 500 jaar na Da Vinci, daagde de Vertical Flight Society (VFS) studenten van over de hele wereld uit om Da Vinci’s droom om te vliegen na te bootsen en een luchtwaardig vliegtuig te ontwerpen met een of meer luchtschroeven. De studenten Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek Mark van den Ham, Thijs van Herwerden, Seoung Houn Han, Nick Pauly en Kenny van Gaalen en hun begeleider dr. Marilena Pavel gingen de uitdaging aan: "We wilden antwoorden vinden op Da Vinci's onopgeloste vragen en de techniek achter zijn uitvinding beter in kaart brengen.” Met hun ontwerp, SolidityONE, herontwerpen de studenten Da Vinci’s helikopter ook voor gebruik in deze tijd.

Team from left to right: Mark van den Ham, Thijs van Herwerden, Dr. Marilena Pavel, Seoung Houn Han, Nick Pauly, Kenny van Gaalen

Kan een ‘ducted fan’ de Aerial Screw liften?

De opdracht was niet eenvoudig: “Herontwerp Leonardo da Vinci's Aerial Screw, rekening houdend met alle positieve en negatieve aspecten ervan en demonstreer een in de praktijk werkende toepassing van het concept.” En specifieker, ontwerp de luchtschroef als een enkelbladige rotor met een doorlopend oppervlak die:

  • voldoende lift heeft om één passagier van minstens 60 kg te vervoeren,
  • verticaal moet kunnen opstijgen,
  • die positie minstens 5 seconden vast kunnen houden,
  • minstens één minuut moet kunnen vliegen,
  • over een afstand van minstens 20 meter,
  • en op een hoogte van minstens 1 meter.

Een van de uitdagingen die het team moest overwinnen waren de hoge ‘bladtipverliezen’: Da Vinci’s rotors verliezen teveel ‘lift’, zodat het vliegtuig niet kan opstijgen. Het Delftse ontwerp, de SolidityONE, heeft twee luchtschroefrotors die geïnspireerd zijn op Da Vinci’s concept. De rotors zijn gemonteerd in een tandemconfiguratie, wat betekent dat de een voor de ander staat. Bovendien gebruikt het team ‘ducted fans’, waarbij de rotoren een cilindervormige mantel hebben. Deze constructie – vandaag de dag heel normaal – reguleert de luchttoevoer. Hierdoor wordt het verlies van lift door de lengte van de rotorbladen beperkt. Ook beschermt deze constructie de piloot. Daarnaast bleken de ‘ducted fans’ ook een sterk stabiliserend effect te hebben, waardoor het voertuig zelfs gemakkelijker te vliegen was dan conventionele helikopters.

Om hun berekeningen te valideren heeft het team tests gedaan in de windtunnel van de TU Delft. Deze tests kwamen met hun eigen uitdagingen en hindernissen. Omdat de geometrie van de luchtschroef niet aansluit bij conventionele rotortheorie, moest het team op maat gemaakte 3D geprinte prototypes bouwen. Daarnaast zorgden ook de eigenaardigheden van de luchtschroef voor interessante uitdagingen en moest het team het ontwerp herhaaldelijk aanpassen om de prestaties te verbeteren. 

Testing the design through virtual reality

Een winnend ontwerp

Uit de berekeningen bleek dat de SolidityOne een bereik heeft van 4.500 meter (14.800 ft) en een piloot van 60 kg (132 lbs) kan dragen op een vlieghoogte van 1 meter (3,28 ft). Hiermee voldoet de SolidityONE aan de criteria van de wedstrijd. Ook toonden de berekeningen aan dat het ontwerp geschikt is om in de toekomst gebruikt te worden als elektrisch persoonlijk luchtvoertuig. Hiervoor heeft het team specifiek gekeken naar duurzaamheid: de SolidityOne is ontworpen met duurzame en lichtgewicht materialen en een emissievrije aandrijving. De lage tipsnelheid en de elektrische aandrijving van het ontwerp zorgen voor een lage geluidsproductie, waardoor de SolidityONE geschikt is voor stedelijk gebruik. Ook kan de SolidityONE, in tegenstelling tot andere persoonlijke luchtvoertuigen die worden ontworpen, veilig en met minimale overlast in de buurt van gebouwen vliegen.

Met hun ontwerp van de SolidityONE wist het team ook de juryleden van de Vertical Flight Society te overtuigen. Zij wonnen de eerste prijs voor ‘undergraduates’ en de eervolle vermelding ‘Best New Entrant Honours.’

/* */