Als je iets ziet vliegen in de lucht, denk je eerder aan een vliegtuig dan aan een vlieger. Niet zo raar, aangezien vliegtuigen een veel grotere rol spelen in ons dagelijks leven. Een vlieger kennen we bijna alleen van het strand. Om die reden is er dan ook nooit veel aandacht geweest voor het ontwerpproces van een vlieger. Een vliegtuig werd steeds complexer en duurder om te maken, waardoor je niet meer lukraak kon klussen. Bij een vlieger kan dat geen kwaad, omdat de materialen goedkoper zijn en makkelijker te hanteren.
Tenminste, tot nu toe. Er is namelijk een toenemende interesse in vliegers voor industriële doeleinden, zoals bijvoorbeeld het opwekken van windenergie. En zulk soort vliegers zijn een stuk moeilijker om te maken. Reden voor promovendus Jeroen Breukels (TU Delft) om op zoek te gaan naar een wetenschappelijk onderbouwde methode voor het ontwerpen van vliegers, zodat je meer controle hebt over het proces én de uitkomst.
Net een vliegtuig?
Een computer is in veel gevallen een goed instrument voor een efficiënt en gecontroleerd ontwerpproces; ook voor een vlieger. Want als je op de computer een nieuw prototype kunt maken én uittesten, scheelt dat veel tijd, geld en energie. Breukels werkte daarom aan een computermodel: een representatie van de vlieger in getallen, zodat een computer ermee kan werken.
Voor zo’n model moet je weten hoe een vlieger zich precies gedraagt in de lucht, maar daar is tot nu toe weinig over bekend. Er is echter wél veel onderzoek gedaan naar vliegtuigen en Breukels heeft daarom gekeken of je een vliegtuigmodel kunt toepassen op vliegers.
Een vliegtuig wordt in de computer meestal gepresenteerd als een onbuigzaam object met zes vrijheidsgraden; zes richtingen waarin het object kan bewegen (zie afbeelding). Een vlieger is echter veel flexibeler en zit vast aan de grond, dus het is maar de vraag of je hetzelfde model kunt gebruiken.
Breukels heeft in zijn onderzoek vastgesteld dat het kan. Samen met masterstudenten Stefan de Groot en Edwin Terink heeft hij twee vliegtuigmodellen aangepast door goed te kijken naar het ‘vluchtgedrag’ van een vlieger. Je hebt bijvoorbeeld gegevens nodig over de windrichting langs de vleugels. Bij een vliegtuig monteren ze hiervoor windvanen (vlaggetjes) aan de buitenzijde, waaraan je de luchtstroming langs het vliegtuig kunt zien. Maar een vlieger vliegt zo langzaam dat de vaantjes amper bewegen.
Vliegtuigmodellen
Voor de liefhebbers onder ons: één van de vliegtuigmodellen was op basis van de conventionele Wetten van Newton en een ander op basis van bewegingsvergelijkingen van Lagrange
Ook andere gegevens over bijvoorbeeld de stabiliteit zijn lastig te verkrijgen: de meetapparatuur is zo zwaar ten opzichte van de vlieger, dat deze teveel de metingen beïnvloedt.
Met veel rekenwerk zijn Breukels en zijn studenten er toch in geslaagd de vliegtuigmodellen zo aan te passen dat ze behoorlijk kloppen met een echte vlieger. Het enige dat er nog aan mankeert is dat de modellen geen rekening houden met de flexibele structuur van de vlieger, wat juist een belangrijk kenmerk is. Breukels heeft daarom nóg een model gemaakt.
In drie delen
Bij de flexibiliteit van een vlieger denk je al snel aan het vliegerdoek, dat in de lucht gemakkelijk vervormt. Maar om die vervorming bij een simulatie te berekenen, heb je een zware computer én heel veel tijd nodig. Breukels heeft daarom gekozen het derde model te vereenvoudigen en gebruik te maken van multi-body dynamics. Het complete systeem (de vlieger) is dan opgebouwd uit een aantal onderdelen die elk niet kunnen buigen, maar ten opzichte van elkaar wel flexibel zijn.
Breukels vliegermodel bestaat uit drie onderdelen: een kabel, opblaasbare buizen en een vleugel (het doek). De kabel spreekt voor zich, al is deze in het computermodel wel opgebouwd uit een aantal losse stukken, zodat die ook enigszins flexibel is.
De opblaasbare buizen klinken misschien minder voor de hand liggend. Toch is ook daar een goede reden voor: vliegers voor op het strand kun je wellicht maken van smalle latjes, maar eentje die windenergie moet opvangen, heeft sterker materiaal nodig. Dat mag echter niet teveel wegen, want anders blijft de vlieger niet vliegen. Vandaar Breukels’ keuze (samen met masterstudent Roland Verheul) voor opblaasbare buizen.
Ten slotte nog de vleugel: ook die moest vereenvoudigd worden om het model ‘berekenbaar’ te houden. Breukels koos voor losse draden die met elkaar in verbinding staan, in plaats van één groot vlak.
Simuleren en controleren
Breukels heeft verschillende experimenten gedaan om het model te controleren. Eerst voor elk modelonderdeel apart; die bleken alle drie goed te matchen met het bijbehorende deel van een echte vlieger. Daarna heeft hij samen met masterstudenten Aart de Wachter en Roland Verheul een test uitgevoerd met een complete vlieger, de Kiteplane. Dat is een vlieger speciaal ontworpen voor het opwekken van energie.
Vliegers voor windenergie
Wel eens afgevraagd waarom windmolens zo hoog zijn? Dat is omdat wind op grotere hoogte van het aardoppervlak harder waait (en er dus meer energie mee op te wekken is). Maar windmolens kunnen niet alsmaar hoger en daarom is er steeds meer interesse in vliegers.
De TU Delft begon hun onderzoek met de Laddermill. De naam verwijst naar een ladder, omdat het systeem daar een beetje op lijkt: aan een lange lusvormige kabel hangen meerdere vliegers die de kabel zo door een generator trekken. Het ontwerp bleek echter nog te complex en de lus werd vervangen door een enkele kabel. Een vlieger trekt die heen en weer door de generator, vandaar de nieuwe naam: pumping Laddermill.
Een nadeel van het ‘pompen’ is dat het energie kost om de vlieger omlaag te trekken (wat nodig is om de vlieger daarna weer omhoog te laten gaan). De vlieger zou daarom moeten kunnen vliegen als een vliegtuig, namelijk zonder touw. Zo ontstond het derde concept, de Kiteplane. Hiervan is inmiddels een groot prototype gebouwd met een spanwijdte van zo’n 10 m2.
De Kiteplane werd in een windtunnel opgehangen, waarin je precies kunt meten hoe de wind langs het doek stroomt. Die metingen heeft Breukels vervolgens vergeleken met wat er uit de simulatie met het model komt. Daarvoor gebruikte hij fotogrammetrie (photogrammography): een methode om op basis van foto’s een 3D-model van een object te maken.
Veertien camera’s maakten tijdens het testen foto’s van de vlieger, elk vanuit een andere hoek. Vervolgens zocht de software in elk plaatje naar bepaalde vaste elementen, in de vorm van door de onderzoekers aangebrachte rode stippen op het doek van de vlieger. Die elementen staan op elke foto net op een andere plek en door de verschillende posities met elkaar te vergelijken, maakt de software een 3D-object.
Met dat 3D-model van de echte vlieger, kon Breukels de metingen uit de windtunnel vergelijken met die in de simulatie. Ze bleken goed overeen te komen. Alleen met zwakke wind was er een verschil: het doek staat dan niet helemaal strak, wat wel was aangenomen in het model, en daardoor klopte de simulatie in dat geval niet helemaal met de echte metingen.
Meer kennis, betere vlieger
Okee, de modellen kloppen allemaal, maar wat heb je daaraan? Om dat te laten zien, analyseerden Breukels en zijn studenten de bestaande Kiteplane met de simulatiesoftware. De vlieger had namelijk een stabiliteitsprobleem: kort na het opstijgen, daalde hij steeds naar rechts of naar links. Met behulp van één van de aangepaste vliegtuigmodellen kon Breukels het vluchtgedrag heel precies analyseren om te achterhalen waar het aan schortte. Of beter gezegd: hoe het ontwerp verbeterd kon worden. Breukels paste het model steeds iets aan om vervolgens in de simulatie te zien of het vliegen beter ging. Zo kwam hij uit op een nieuwe Kiteplane: een heel nieuwe vlieger die wél lang in de lucht blijft. Hieronder zie je deze versie.
Het experiment laat zien dat het erg belangrijk is een goed onderbouwde ontwerpmethode te hebben, ook voor vliegers. Zeker wanneer we in de toekomst vliegers willen inzetten voor het opwekken van windenergie. Dat zullen solide en efficiënte systemen moeten zijn die niet zomaar uit de lucht komen vallen.
Ir. Jeroen Breukels promoveert vrijdag 21 januari 2011 op het proefschrift ‘An Engineering methodology for Kite Design’ (Aula TU Delft, 10.00 uur).
Zie ook:
- Artikel over projecten met vliegers voor windenergie (BBC News, juni 2010)
- Toekomst van vliegerenergie (Intermediair, juli 2008)
Lees meer over vliegers en vliegtuigen op Kennislink:
Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/vlieger/vliegtuig/index.atom?m=of", “max”=>"8", “detail”=>"minder"}