Vliegtuig met omgekeerde vleugels

Het ziet er vreemd uit. Alsof de vleugels er verkeerd op zijn gemonteerd. Het zakenvliegtuig heeft namelijk omgekeerde vleugels. “In de luchtvaart wordt heel vaak via een vast stappenplan gemaakt, omdat de technologie zich bewezen heeft. Maar daarom wordt weinig vernieuwd. Wij besloten de vleugels in een andere richting te zetten omdat het anders is en voordelen heeft. Hetzelfde oppervlakte creëert bijvoorbeeld meer lift”, zegt teamlid en Lucht- en Ruimtevaarttechniekstudent Mathias Claeys.

Over de kop

Het vliegtuig met omgekeerde vleugels is een van de opzienbarende ideeën die bachelorstudenten in 22 teams presenteerden tijdens een symposium rond hun afstudeeronderzoeken. Deze ‘Design Synthesis Excercise’ (DSE) wordt jaarlijks gehouden op de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek van de TU Delft en staat garant voor innovaties. Al moet daarbij aangetekend worden, dat niet alle plannen even eenvoudig uitgevoerd kunnen worden in de praktijk.

Neem het vliegtuig met de omgekeerde vleugels. Om het daadwerkelijk te bouwen is nog meer onderzoek nodig. “We moeten bijvoorbeeld nog goed kijken welk materiaal we gaan gebruiken. Omdat de vleugels in deze richting de neiging hebben om over zichzelf heen te draaien. Door de vleugels heeft het vliegtuig de neiging om over de kop te gaan, maar dit hebben we opgelost met behulp van de staart en de voorste, kleine vleugel”, aldus Claeys. De begeleider van het team, Wim Verhagen (TU Delft), onderstreept dat. “De ‘front swept wing’ is zo scherp ontworpen dat deze constructie zeer moeilijk te realiseren is met een conventioneel materiaal als aluminium. De groep heeft nog wat werk te doen op dit gebied.”

Birdplane

De ontwerpen worden dus niet al binnen een paar weken uitgevoerd en op de markt gezet. Het zijn vooral interessante en vaak goed onderbouwde uitwerkingen van wilde en veelbelovende plannen. Een ander interessant voorbeeld is de ‘Birdplane’. Het meest opzienbarende aan het vliegtuig in de vorm van een gans zijn de klapperende vleugels. “Weinig vliegtuigen bewegen zich voort als een vogel. Dat is zonde, want de natuur heeft al een optimale en zeer efficiënte manier gevonden om te vliegen. Maar het is voor mensen ontzettend lastig om dat na te bootsen.”

Dat heeft vooral te maken met het mechanisme in de robotgans. De vleugels klapperen en dat is een heel andere beweging dan de draaiingen van de elektromotor. De studenten zetten het draaien om in fladderen met behulp van heel veel tandwielen. “De motor draait sneller dan de vleugels moeten klapperen daarom combineren we grote en kleine tandwielen. Dat was een kwestie van veel berekenen, ontwerpen en onderdelen 3D uitprinten om te testen of ze werken.”

De gans kan voor verschillende doeleinden gebruikt worden. Bijvoorbeeld voor wetenschappelijk onderzoek. Terwijl de Birdplane met een troep ganzen mee vliegt, kan het gegevens verzamelen over de samenstelling, omgeving en het vliegen. Op die manier komen onderzoekers meer te weten over migratie. De Birdplane kan maar liefst honderd minuten en honderd kilometer achter elkaar vliegen. “Een andere mogelijkheid is het wegleiden van vogels bij luchthavens. Nu nog zijn er veel ongelukken met vogels bij vliegvelden. De Birdplane moet dan vogels mee lokken ergens anders heen. Dat is een andere aanpak, dan het al bestaande vogelvliegtuig Robird dat vogels wegjaagt.”

De Birdplane vliegt autonoom en communiceert via het 4G-netwerk. Dat is hetzelfde netwerk als veel nieuwe smartphones gebruiken. “Alleen verstuurt ons vliegtuig dan geen sms’jes, maar onderzoeksgegevens of waar het zich precies bevindt. Via een HD-camera worden beelden gemaakt. Er is ook nog een thermische camera aan boord om de positie van vogels te volgen. Twintig keer per seconde gaat Birdplane na waar andere ganzen zijn en baseert daar de positie op.”

Extreme omstandigheden

De studenten Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek richten zich niet alleen op het ontwerp van vliegtuigen, maar ook op windturbines. Een team van afstudeerders onderzocht de mogelijkheid van windturbines op Antarctica. Daar staan tientallen onderzoeksstations, waaronder een van de British Antarctic Survey die nu nog gebruik maakt van een dieselgenerator. De studenten ontwierpen voor hen een windturbinepark en hebben ook contact met de onderzoekers aldaar.

De turbine moet onder extreme omstandigheden werken. Het kan veertig graden vriezen met harde wind. “In Nederland zijn windsnelheden van honderd kilometer per uur uitzonderlijk. Op onze locatie waait het tot wel 210 kilometer per uur”, benadrukt teamlid en student Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek Marthijn Bontekoning.

Het team ontwierp daarom een zeer robuuste turbine. “De wieken kunnen veel harder en vaker draaien dan in Nederland. Dit wordt berekend door de ‘capacity factor’, dat aangeeft hoeveel energie de turbine oplevert ten opzichte van het theoretisch maximum. Daaruit blijkt dat onze turbine op Antarctica vaker aan staat en meer energie opwekt dan de turbines in Nederland. Terwijl in Nederland bij windsnelheden van honderd kilometer per uur al een code rood wordt afgegeven door het KNMI, draait onze turbine door.”

Ozonlaag

De toren is wat dikker en van steviger materiaal gemaakt dan de Nederlandse evenknieën. De bladen bestaan deels uit vlasvezel. “Dat is erg sterk, omdat we het als composieten gebruiken. Bovendien is het een natuurproduct. We willen een zo laag mogelijke ‘carbon foot print’ achterlaten. De dieselgenerator die er nu staat, laat een 3,5 keer zo grote carbon footprint achter in vergelijking met onze turbine over een periode van vijftien jaar.”

De locatie levert ook nog een voordeel op. “Normaal moet de generator in de turbine actief gekoeld worden. Nu niet. De wind is zo koud dat we aan een variabel ventilatiegat genoeg hebben.” Ook bij het bepalen van de windrichting, passen de studenten een slimmigheidje toe. “We gebruiken het omhulsel van de generator als windvaan, zoals die ook op een kerk staat. Daardoor hebben we geen duur en onderhoudsgevoelig systeem nodig dat de windrichting bepaalt.”

De studenten hebben contact met de onderzoekers van British Antarctica Survey en hun ontwerp naar hen opgestuurd. “We hebben nog niets van ze gehoord”, aldus Bontekoning. “Maar we zijn benieuwd. We laten zien dat een windturbine daar zeker kan werken. De wetenschappers kunnen ook extra experimenten doen met onze turbine. Stel dat het lang hard waait en de batterijen vol zitten. Dan kunnen ze overtollige energie gebruiken voor energetisch veeleisend onderzoek. Ze analyseren dan bijvoorbeeld de ozonlaag met een laserbeam door te kijken naar de terugkaatsing. Dat vraagt veel energie, maar is geen probleem met onze groene stroom.”