Europa streeft ernaar om klimaatneutrale luchtvaart mogelijk te maken tegen 2050. Dit vraagt om nieuwe luchtvaartuigconcepten. Er zullen nieuwe aandrijfmethoden ontwikkeld moeten worden, bijvoorbeeld op basis van elektriciteit, waterstof en duurzame brandstoffen. Nieuwe materialen en innovatieve constructies kunnen er bovendien voor zorgen dat vliegtuigen in de toekomst minder brandstof verbruiken.
“Schaalmodellen gaan de luchtvaart helpen
grote stappen vooruit te zetten.”– Leo Timmermans NLR
De hedendaagse luchtvaartindustrie maakt bij het ontwerpen van nieuwe vliegtuigtypen gebruik van diverse analyses, simulaties en windtunneltests. Om de technologische ontwikkeling naar een hoger niveau te tillen, kunnen schaalmodellen – ook wel Scaled Flight Demonstrators (SFD’s) genoemd – een uitkomst zijn. Dit zijn kleinere, onbemande vliegtuigen die vanaf de grond worden bestuurd. NLR onderzoekt de mogelijkheden van deze techniek als onderdeel van het Clean Aviation Large Passenger Aircraft Programme, een Europees programma dat zich richt op de ontwikkeling van schone luchtvaarttechnologieën op korte termijn.
Het overbruggen van de kloof tussen onderzoek en praktijk
Het idee is dat schaalmodellen de kloof tussen onderzoek en praktijk kunnen overbruggen, legt Timmermans uit.
“Als je een nieuw vliegtuig ontwerpt, voer je in de windtunnel allerlei berekeningen en testen uit. Dan moet je al snel de grote stap zetten en het echte model ontwikkelen. Het probleem daarmee is dat je de dynamische bewegingen van een vliegtuig – zoals een gecoördineerde bocht – niet in een windtunnel kunt testen. Je weet dus nooit helemaal zeker of het vliegtuig zich in de praktijk zal gedragen zoals je in eerste instantie had berekend.” Volgens Timmermans kan het testen met schaalmodellen helpen om dynamische bewegingen te begrijpen. “Hiermee minimaliseer je het risico dat je terug naar de tekentafel moet.”
Uiteindelijk bespaart dit tijd en kosten en versnel je het certificeringsproces. Dit proces kan nu nog jaren duren, omdat het vlieggedrag van het nieuwe type vliegtuig nog niet volledig bekend is.
Airbus A320
Om het gebruik van schaalmodellen in de luchtvaart te onderzoeken, bouwde NLR in samenwerking met Orange Aerospace een onderzoeksvliegtuig: een schaalmodel van de Airbus A320, een passagiersvliegtuig dat vooral voor middellange vluchten wordt gebruikt. Het schaalmodel is ongeveer acht keer kleiner, heeft een spanwijdte van 4 meter, een startgewicht van 140 kg en een kruissnelheid van 95 knopen (175 km/u). Tijdens het onderzoek staat de vraag centraal hoe goed het dynamische vlieggedrag van het schaalmodel overeenkomt met dat van de echte A320.
Missievluchten in Italië
De SFD werd voor het eerst getest in de windtunnel van DNW in Marknesse, in maart gevolgd door de eerste vluchten in het Nederlandse luchtruim, in Deelen. Nadat deze kwalificatievluchten succesvol waren afgerond, werd het gehele systeem naar Aeroporto di Taranto-Grottaglie in Zuid-Italië getransporteerd om meetvluchten uit te voeren.
CIRA, het Italiaanse centrum voor lucht- en ruimtevaartonderzoek, heeft het Guidance, Navigation and Control (GNC)-systeem ontwikkeld. Met dit systeem heeft het schaalmodel in Italië in totaal 70 geautomatiseerde manoeuvres uitgevoerd. De GNC is in feite een tweede automatische piloot aan boord van het vliegtuig. Het vliegtuig wordt door camera’s gecontroleerd en wordt, net als een echt vliegtuig, vanuit de cockpit bestuurd, maar dan vanaf de grond. De camera is aan de staart van de SFD bevestigd. Voor het doorgeven van informatie aan de piloot wordt gebruikgemaakt van een door NLR ontwikkeld head-up display (HUD). Het GNC-systeem kan vanuit het grondstation worden ingeschakeld, waarna het een vooraf geprogrammeerde route vliegt en manoeuvres uitvoert.
“We streefden naar eenzelfde nauwkeurigheidsniveau
als bij full-scale vliegtuigen”– Floris Bremmers NLR
Er was tevens geavanceerde testapparatuur aan boord om de vliegeigenschappen van het vliegtuig te meten, waaronder kleine sensoren voor het meten van de luchtsnelheid, vliegtuigbewegingen en de posities van de stuurvlakken.
“Die meetinstrumenten moesten natuurlijk ook weer kleiner worden gemaakt”, zegt Floris Bremmers, R&D Engineer bij NLR, “en we wilden dezelfde nauwkeurigheid als bij vliegtuigen op ware grootte.” Bremmers was vanaf het begin bij het project betrokken en was eveneens ter plaatse aanwezig tijdens de testvluchten. “We hebben bijvoorbeeld getest hoe snel het vliegtuig reageert op input vanuit de cockpit op de grond tijdens het uitvoeren van verschillende manoeuvres. Ook hebben we metingen gedaan naar het dynamische vlieggedrag, bijvoorbeeld tijdens het manipuleren van de ailerons (rolroeren).”
Uitdagingen overwinnen
Bremmers geeft toe dat niet alles vlekkeloos verliep. Het team kreeg in Italië te maken met verschillende uitdagingen, zoals het meerdere keren moeten vervangen van de vliegtuigmotor vanwege vuil op de landingsbaan. Ook het overschakelen van de automatische piloot naar het GNC-systeem verliep in het begin niet helemaal soepel. “Ik herinner me een ongelooflijk spannend moment toen de automatische piloot tijdens het overschakelen een draai maakte, waardoor de SFD meer dan negentig graden zijwaarts en dertig graden omlaag kantelde. Deze ‘upset’, zoals de afwijkende vliegtuigstand in vaktaal genoemd wordt, trad bliksemsnel op, in minder dan een seconde. Onze piloot nam onmiddellijk de besturing van de automatische piloot over. Natuurlijk hebben we het vliegtuig onmiddellijk aan de grond gezet en geanalyseerd wat er fout was gegaan. Het was een technisch probleem dat we ter plekke konden oplossen. Het was erg uitdagend, maar ik ben er trots op dat het gelukt is.”
De komende maanden worden de vluchtgegevens geanalyseerd door de Franse organisatie ONERA en Airbus, waarbij het dynamische gedrag van de SFD wordt vergeleken met dat van de echte A320. “De eerste resultaten zijn in ieder geval al binnen”, zegt Bremmers, “en die zien er positief uit.”
Nu in ontwikkeling: de elektrisch aangedreven SFD
Intussen wordt er hard gewerkt aan een vervolgversie van de SFD, de DEP-SFD (Distributed Electrical Propulsion SFD), waarbij de twee straalmotoren, die momenteel op brandstof worden aangedreven, worden vervangen door elektrische voortstuwing met behulp van zes propellers. Dit is een directe test van het gebruik van schaalmodellen bij het produceren van radicaal nieuwe vliegtuigontwerpen.
“We moeten meer onderzoek doen naar de eigenschappen van elektrische voortstuwing”, legt Timmermans uit. “Zo kunnen we in de toekomst vliegtuigen ontwerpen die minder brandstof verbruiken. De vliegeigenschappen van dat soort vliegtuigen zijn anders; door ze op schaal te testen, kunnen we die eigenschappen op de best mogelijke manier in het ontwerp verwerken.”
Extra informatie:
Lees meer over de SFD op onze NLR website: https://www.nlr.org/sfd of lees hier meer over gerelateerde demonstrators.
De testvluchten van de DEP-SFD worden naar verwachting in 2023 uitgevoerd. “We kijken uit naar de uiteindelijke resultaten van de SFD”, besluit Timmermans. Hij heeft hoge verwachtingen en de situatie is nijpend. “Schaalmodellen gaan de luchtvaart helpen om grote stappen vooruit te zetten.”
Project partners:
De SFD is ontwikkeld door de partnerschap van Airbus, NLR, ONERA, and CIRA, met support van Orange Aerospace.
Deze ontwikkeling heeft financiering ontvangen van de Clean Sky 2 Joint Undertaking (JU) in het kader van het Horizon 2020 onderzoeks- en innovatieprogramma van de Europese Unie onder subsidieovereenkomsten nr. 717183 en 945583.
