Er is geen wendbaarder vliegmachine dan een helikopter. Achterwaarts vliegen, ronddraaien in de lucht of zweven; een helikopter kan het allemaal. Politie, brandweer, medische hulpdiensten, leger en de gewone luchtvaart maken dankbaar gebruik van zijn grote vliegvrijheid. Maar de staartrotor is nog steeds een onveilig, energieverslindend en lawaaiig onding. Weliswaar bestaat inmiddels het NOTAR-systeem, dat de staartrotor vervangt door een regelbare luchtuitlaat, maar ook hieraan kleven nadelen.
In 1939 ontwikkelde de in Rusland geboren en naar Amerika geëmigreerde ingenieur Igor Sikorsky de eerste bruikbare helikopter met staartrotor. De essentie van een helikopter is dat het toestel een opwaartse druk genereert met snel ronddraaiende vleugelvormige rotorbladen. Omdat hij geen voorwaartse beweging nodig heeft om een opwaartse druk op te wekken, kan hij verticaal opstijgen en landen, in de lucht stilhangen en zelfs achteruit vliegen als een kolibrie.
Door een verandering van de instelhoek van de rotorbladen kan de piloot de opwaartse kracht vergroten of verkleinen, al naar gelang hij wil stijgen of dalen. Door de instelhoek van elk blad tijdens de draaibeweging te wijzigen, kan hij zwenken naar links of rechts. Maar de draaiing van de grote rotorbladen creëert ook een fundamenteel mechanisch probleem. De ronddraaiende rotorbladen wekken een tegengesteld krachtenkoppel op, dat werkt op het hele toestel. Volgens Newtons derde wet levert elke actiekracht namelijk een tegengesteld gerichte reactiekracht op. Als de rotorbladen linksom draaien, zou de helikopter zelf, zodra hij vrij in de lucht hangt, rechtsom gaan tollen. Om dit tegen te gaan is de staartrotor ontwikkeld: kleinere rotorbladen die in verticaal in plaats van in horizontaal vlak draaien, aan het uiteinde van de helikopterstaart. Deze beweging is voldoende om het reactorkoppel op te heffen. Door te spelen met de staartrotor kan de piloot ook kleine rondjes draaien. Een helikopterpiloot heeft beide handen en beide voeten nodig om een helikopter te besturen: de handen voor besturing van de hoofdrotor en de voeten voor bediening van de staartrotor.
Probleemoplossing bij de bron
De staartrotor is echter een onding. Hij slurpt vijf tot tien procent van het motorvermogen op, hij produceert veel lawaai (het typische hoge, gierende geluid), hij is kwetsbaar en gevaarlijk voor omstanders op de grond. Bij een ongunstige wind levert de staartrotor bovendien maar weinig controle. Talrijke oplossingen zijn aangedragen om de staartrotor de wereld uit te helpen. De meest succesvolle is de NOTAR, de NO TAil Rotor. Een luchtstroom wordt door een grote ventilator in de staart van de helikopter gedreven. Via sleuven in de staart ontsnapt een deel van de lucht naar buiten, waar hij rond de staart circuleert. Hierdoor ontstaat een kracht op de staart die het vervelende reactiekoppel kan compenseren. De piloot kan zwenken naar links of rechts door een variatie van de hoeveelheid lucht die uit de staart ontsnapt. De Nederlandse politie heeft inmiddels helikopters die uitgerust zijn met een NOTAR.
‘Ook dit ingenieuze systeem heeft echter nog steeds het nadeel van benodigd extra vermogen en van een complex systeem’, zegt Theo van Holten, hoogleraar prestaties en voorstuwing van luchtvaartuigen bij de faculteit lucht- en ruimtevaarttechniek. ‘Wij hebben daarom het probleem van de staartrotor bij de bron aangepakt. Kunnen we niet een rotor maken die geen reactiekoppel opwekt en dus geen staartrotor ter compensatie behoeft, vroegen we ons af. Iedereen roept dan echter meteen: dat kan niet, want we weten van Newton dat actie = – reactie. Wij beweren dat zo’n rotor wel kan, overigens uiteraard zonder Newtons derde wet geweld aan te doen, want dat kan natuurlijk niet.’
Samen met een groep medewerkers en studenten werkt Van Holten aan de ontwikkeling van de ornicopter, een helikopter zonder staartrotor en met klapwiekende vleugels, net als een vogel. ‘Ornicopter’ is een samentrekking van ‘helikopter’ en ‘ornithopter’. Ornithopters waren de allereerste, mislukte vliegtuigontwerpen van vliegmachines met klappende, zijwaartse vleugels. Leonardo da Vinci ontwierp al zo’n klapwiekend vliegtuig. De Delftenaren willen nu het klapwieken nieuw leven inblazen bij een helikopter in plaats van bij een vliegtuig.
Het NOTAR-systeem: lucht wordt in de motor gezogen en via de staart naar een rooster geblazen. De kracht die dat oplevert werkt precies de draaiing van de wieken tegen.
Bij een gewone helikopter hebben de rotorbladen weliswaar dezelfde bewegingsvrijheid als vogelvleugels, maar alleen de instelhoek van de bladen verandert de piloot actief. De rest beweegt alleen passief, onder invloed van de luchtstromen. Rotorbladen flappen normaliter ook al lichtjes in de lucht, maar ongecontroleerd. Een vogel controleert daarentegen alle vrijheidsgraden actief. ‘Vogels doen dat heel slim’, zegt Van Holten. ‘Met hun vleugelspieren wekken ze zowel lift op als voortstuwing. Tijdens de vlucht kunnen ze de vleugels in alle richtingen dynamisch variëren. Dat gebeurt met zeer verfijnde coördinatie.’
Vanzelf ronddraaiende bladen
Van Holtens idee is nu om de rotorbladen van een helikopter actief te klapwieken. ‘Gebeurt dat goed, dan krijgen de bladen zowel lift als voortstuwing, net als bij een vogel het geval is. Zo draaien de bladen zichzelf rond en hoef je dat niet meer via de aandrijfas te doen. Als je de as niet meer aandrijft, heb je ook geen last meer van een reactiekoppel. Motorvermogen gaat dan niet meer in het ronddraaien van de as zitten, maar in het flappen van de rotorbladen.’
Een duw-trekstang die meedraait met de rotor zorgt voor de flapbeweging van de bladen. De flapbeweging wordt gesynchroniseerd met het toerental. Een maal per omwenteling bereikt de klapbeweging van een rotorblad een maximum, en een maal, aan de tegenovergestelde kant, een minimum. In feite kantelt het rotorblad dus een beetje. De synchronisatie wordt aangepast aan de eigenfrequentie van het blad, net als het zetje dat je op het juiste moment tegen een schommel geeft. Het zetje is dan gesynchroniseerd met de schommelfrequentie. Om ook de natuurlijke flap te laten bestaan, zit er een slappe veer aan de rotorbladen. De natuurlijke flap is een beweging die een rotorblad van nature maakte als hij in de lucht ronddraait. Bij elke gewone helikopter zwiepen de rotorbladen ook lichtjes op en neer bij het ronddraaien. De ornicopter moet zorgen dat deze natuurlijke bewegingen kunnen blijven bestaan.
Testmodel van de Delftse orniicopter in de windtunnel. bron: prof. dr. ir. Th. van Holten, Faculteit Lucht- en Ruimtevaarttechniek, TU DelftKlik op de afbeelding voor een grotere versie.
De kunst wordt vervolgens om een optimum van instelhoek en flapbeweging te zoeken voor een constante lift en voldoende voorstuwing. Een vogel zien we vaak op en neer deinen als gevolg van de fluctuerende liftkrachten die hij opwekt. Dat is echter ongewenst. Een helikopter moet bij voorkeur een constante lift krijgen, zodat de passagier of piloot niet voortdurend op en neer beweegt.
Met theoretische basisberekeningen van vermogen, bestuurbaarheid, flapuitwijking en verticale trillingen onderzocht Van Holten de praktische haalbaarheid van de ornicopter. ‘Die berekeningen zien er hoopgevend uit. We denken dat we de meeste problemen kunnen oplossen.’
De benodigde vermogens voor het ronddraaien en klappen van de bladen blijken geheel uitwisselbaar. Als de ornicopter volledig op het klapwieken vliegt, is het vermogen net zo groot als bij een gewone helikopter nodig is voor aandrijving van de rotorbladen. ‘Dat betekent ook dat dit de besturing naar links of rechts mogelijk maakt’, zegt Van Holten. ‘De rotorbladen draaien in een vlak dat onder een bepaalde hoek staat. Stel dat we uitgaan van de situatie waarin het rotorvlak precies de goede hoek heeft. Dan draaien de flappende bladen vanzelf rond. Kantelt de piloot het draaivlak nu een beetje, dan is de flapbeweging niet meer voldoende. De piloot moet weer wat motorvermogen toevoeren via de as. Dan blijft wel een reactiekoppel over, dat de piloot heel goed voor de besturing kan gebruiken.’
Via de kanteling van het rotorvlak van de ornicopter kan de piloot dus spelen met flapvermogen en draaivermogen, en daarmee ook de besturing regelen. Het totale reactiekoppel is zo groot dat het onhandig is, maar als er een klein reactiekoppel overblijft, kan de piloot dat voor de besturing gebruiken. Het vermogen van de staartrotor, dat een conventionele helikopter verbruikt, spaart de ornicopter sowieso uit.
De piloot moet de ornicopter net als een gewone helikopter kunnen besturen. Hij mag niets merken van de aanpassing. Van Holten: ‘Eerst drijft de piloot de rotor gewoon aan via de motor, en als de bladen eenmaal op toeren zijn, schakelt hij de flapbeweging in. Als dat op de juiste manier gebeurt, draaien de bladen zichzelf rond. Onze constructie is dan zodanig dat het motorvermogen naar het flappen gaat en niet meer naar de asaandrijving. De piloot hoeft daar niets speciaals voor te doen. Interne materiaalspanningen zorgen er automatisch voor naar welke van de twee mechanismen de energie toegaat. Met dit principe lossen we in feite alle besturingsproblemen op.’
Kleine flaphoek
Traditionele ornithopters probeerden te vliegen met grote vleugeluitslagen. Weliswaar lukte dat destijds niet, maar het doet misschien vermoeden dat de flaphoek bij de ornicopter ook wel groot zal zijn. Dat is echter niet zo. De benodigde flaphoek bij een hoog toerental van de rotorbladen is volgens de berekeningen slechts vijf tot zes graden. Overigens zijn er tegenwoordig wel vliegende ornithopters, maar dan in de vorm van kleine onbemande vliegtuigjes.
Dan lijkt er een nieuw probleem te ontstaan door de extra trillingen van het flappen. Ook die leveren reactiekrachten op. De verticale trillingen van de flappende bladen komen echter als reactiekrachten direct via de rotoras weer op de romp terug, net zoals de reactiekrachten op de flapspieren van een vogel. Het klapwieken levert dus geen extra verticale trillingsproblemen op. De enige bronnen van verticale rompbeweging ontstaan uit de fluctuerende liftkrachten die de klapwieken opwekken en uit de verticale beweging van de zwaartepunten van de bladen. Om deze twee problemen op te heffen verzon Van Holten de pendelrotor bestaande uit twee lange, loodrecht op elkaar staande, rotorbladen, elk bestaande uit twee kleinere bladen. Het geheel is dan een vierbladig rotorbladsysteem. Als de ene kant van een rotorblad omhoog staat, staat het andere uiteinde omlaag, net als bij een wip. Beide rotorbladen bewegen bovendien uit fase met elkaar: de vlakken waarin ze bewegen, staan gespiegeld ten opzichte van elkaar.
‘Natuurlijk is overal netjes voldaan aan de wetten van Newton’, legt Van Holten uit. ‘Er is een gesloten mechanische lus, en een gesloten aërodynamische lus. In de gesloten mechanische lus wordt het reactiekoppel van de motor op de romp opgeheven door een tegenkoppel op de schijf van het nieuwe aandrijfsysteem. In de gesloten aërodynamische lus, zorgt een kanteling van de liftkracht voor de voortstuwing. De reactiekracht daarop is terug te vinden in de lucht, namelijk in grotere rotatie van de lucht in het zog van de rotor.’
Toch blijven er nog wel problemen over, zoals het gedrag van de romp om z’n eigen horizontale as die door staart en romp loopt. Dat zijn hogere harmonische trillingen die de motor op de romp uitoefent. Speciale trillingsdempers moeten die elimineren. ‘Daar kijken we echter niet van op’, zegt Van Holten. ‘Huidige helikopters zitten ook vol trillingsdempers.’ Na de basisberekeningen, is de volgende stap in het onderzoek het experimenteren met een windtunnelmodel. Inmiddels staat een vijf maal zo klein schaalmodel gereed om de diverse berekeningen in de windtunnel te testen. Waar de rotor normaal zo’n 7,5 meter diameter heeft, heeft het windtunnelmodel een rotor van zo’n anderhalve meter. Aan de hand van de uitkomsten van de windtunnelexperimenten kan het ornicopterontwerp op ware schaal worden fijngeregeld.
Zelfbouwkit
Toen Van Holten het ornicopteridee octrooieerde, bleek de Bulgaar Vladimir Savov hem net voor te zijn geweest. ‘We dachten dat we het systeem hier hadden uitgevonden. Dan is het als uitvinder een schok dat een ander je net voor is geweest.’ Savov kiest echter voor een heel andere aanpak en voor andere toepassingen, bijvoorbeeld op het gebied van onbemande spionagevliegtuigen of speelgoedvliegtuigjes. Hij denkt dat de ornicopter te veel nieuwe, onoplosbare problemen geeft. ‘Wij denken dat we die nieuwe problemen wel kunnen oplossen’, zegt Van Holten. ‘Onze basisberekeningen steunen ons daarin.’
Het principe van klapwieken in een rotor bleek dan weliswaar al niet meer octrooieerbaar, Van Holten deponeerde vorig jaar wel een octrooiaanvraag op de toepassing op praktische helikopters en de uitvoeringsvorm van zijn specifieke flapmechanisme. Er zitten veel nieuwe dingen in het octrooi, zoals de lay-out van veerstijfheden en faseverschuivingen, waardoor het geheel bestuurbaar wordt. Nu het octrooi op papier staat, kan hij er voor het eerst mee naar buiten komen.
Luchtvaartingenieur Kathleen Boonen ontfermt zich over het management van het project. Want nu het idee de wijde wereld in mag, is het toch vooral zaak geld te vinden om een echte ornicopter te bouwen. ‘Je kunt lang rekenen met modellen, maar op een gegeven moment moet je het ontwerp gewoon in het groot gaan bouwen en controleren of de sommetjes in de praktijk nog steeds kloppen’, zegt Boonen. ‘Het handigste is dat we een helikopterzelfbouwkit aanschaffen. Die kit willen we dan aanpassen naar ons ornicopterontwerp. In de bestaande rotoraandrijving willen we ons flapmechanisme inbouwen.’ Volgend jaar willen de onderzoekers zo’n zelfbouw helikopterkit aanschaffen. Binnenkort gaan ze proberen diverse bedrijven voor het project te interesseren.
Boonen vliegt als ingenieur-vlieger met vastevleugelvliegtuigen en wil spoedig ook slagen voor een helikopterbrevet. ‘Kathleen moet straks haar leven gaan wagen in onze eerste ornicopter’, lacht Van Holten. ‘Dan moet het ontwerp natuurlijk wel werken.’
Hoe vogels vliegen
De eerste gevleugelde insecten verschenen zo’n 320 miljoen jaar geleden op het aardse toneel. De vroegste vogels lieten tot 150 miljoen jaar geleden op zich wachten. Maar de mens vliegt pas een eeuw, een peulenschil vergeleken bij de gevleugelde dieren. Zelfs met de modernste techniek en materialen kan de mens het vliegen van een vogel of een insect in de verste verte niet evenaren.
Vogels gebruiken combinaties van drie belangrijke vleugelstanden: de vleugel heeft geen instelhoek (horizontaal); de vleugel heeft een constante instelhoek (vleugel maakt een constante hoek met een horizontaal vlak); of de hoek die de vleugel met de luchtstroom maakt (invalshoek) is constant, dat wil zeggen dat de hoek die de vleugel maakt met een horizontaal vlak meebeweegt met de baan van de klapbeweging.
Een vleugel zonder instelhoek die op en neer beweegt, creëert netto een voortstuwing, maar geen netto lift. Een vleugel met een constante instelhoek die op en neer klapt, krijgt zowel een gemiddelde lift als een gemiddelde voortstuwing, maar de lift varieert. Bij het flappen met een constante invalshoek ten opzichte van de luchtstroom, krijgt de vleugel een positieve constante lift, maar geen voortstuwing.
Een vogel speelt vrijelijk met deze drie situaties. Al naar gelang de vluchtfase past hij de stand van de vleugels aan. Hij doet dat met een zeer verfijnde coördinatie. Verschillende delen van de vleugel kunnen verschillende bewegingen maken. De vorm van het vleugelprofiel kan zelfs veranderen tijdens het vliegen.
Het mooie spieren- en pezensysteem van een vogel kan de mens in een vliegmachine niet nabootsen. Vogels hebben zelfs luchtkamers in hun botten en het verenprofiel is zo geraffineerd dat het bijvoorbeeld ook wervelgeneratie kan voorkomen. ‘Een vogel is één groot brok ’smart structure’’, zegt Van Holten met ontzag.