De ontwikkeling van toekomstige vliegtuigen versnellen

De luchtvaart moet verduurzamen en dat vereist onder meer innovatieve vliegtuigmodellen en alternatieve manieren van aandrijving. Om de ontwikkelingen op dat gebied te versnellen, onderzoekt Koninklijke NLR samen met Airbus, en de Italiaanse en Franse kennisinstituten CIRA en ONERA, de potentie van schaalmodellen die de dynamische bewegingen van een vliegtuig op ware grootte nabootsen. “We zorgen ervoor dat de vliegtuigen van de toekomst sneller en efficiënter ontwikkeld kunnen worden”, zegt Leo Timmermans, Senior R&D Engineer bij NLR.

Europa heeft als doel een klimaatneutrale luchtvaart in 2050 mogelijk te maken. Daarvoor zijn nieuwe vliegtuigconcepten nodig. Zo moeten er nieuwe manieren van voortstuwing ontwikkeld worden op basis van elektriciteit, waterstof en duurzame brandstoffen. Bovendien kunnen nieuwe materialen en innovatieve constructies vliegtuigen in de toekomst zuiniger maken.

De hedendaagse luchtvaartindustrie maakt bij het ontwerpen van nieuwe type vliegtuigen gebruik van een verscheidenheid aan analyses, simulaties en testen in windtunnels. Om de technologische ontwikkeling naar een hoger plan te tillen, kunnen schaalmodellen, of Scaled Flight Demonstrators (SFD’s), een uitkomst bieden. Dit zijn geschaalde, onbemande vliegtuigen die vanaf de grond bestuurd worden. NLR onderzoekt de potentie ervan in het kader van het Clean Aviation’s Large Passenger Aircraft Programme. Dit Europese programma beoogt de ontwikkeling van schone luchtvaarttechnologieën voor op de korte termijn.

Brug tussen onderzoek en praktijk
Het idee is dat schaalmodellen een brug slaan tussen onderzoek en praktijk, legt Timmermans uit. “Als je een nieuw vliegtuig ontwerpt, dan doe je allerlei berekeningen en testen in de windtunnel, waarna je vrij snel de grote stap moet nemen om het echte model te gaan ontwikkelen. Het probleem daarbij is dat je in een windtunnel niet de dynamische bewegingen van een vliegtuig kunt testen, zoals het vliegen van bochten. Je weet dus nooit honderd procent zeker of het vliegtuig zich in de praktijk gedraagt zoals je in eerste instantie berekend had.” Testen met schaalmodellen kunnen volgens Timmermans wel helpen inzicht te krijgen in de dynamische bewegingen. “Zo minimaliseer je het risico dat je opnieuw terug moet naar de tekentafel.”

Uiteindelijk scheelt dat tijd en kosten en komt het certificeringsproces in een versnelling terecht. Dat is nu nog een proces dat vele jaren kan duren omdat het vlieggedrag van een nieuw 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 vergelijkbaar met de Airbus A320. Dit is een verkeersvliegtuig dat vooral gebruikt wordt voor de middellange afstanden. Het schaalmodel, ongeveer acht keer zo klein, 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 in hoeverre het dynamische vlieggedrag van het schaalmodel overeenkomt met de echte A320.

Missievluchten in Italië
De SFD is eerst getest in de windtunnel van DNW in Marknesse (NL), waarna in maart de eerste vluchten plaatsvonden op Nederlandse bodem, in Deelen. Na een succesvolle voltooiing van deze kwalitifcatievluchten werd het volledige systeem getransporteerd naar Aeroporto di Taranto-Grottaglie in het zuiden van Italië om er meetvluchten uit te voeren.

Het Italiaanse onderzoekscentrum CIRA ontwikkelde het Guidance Navigation and Control (GNC) systeem, waarmee het schaalmodel in Italië in totaal 70 geautomatiseerde manoeuvres uitvoerde. Deze GNC is dus feitelijk een tweede autopilot aan boord van het vliegtuig. Het toestel wordt met camerabeeld bestuurd en eigenlijk net als een echt vliegtuig vanuit een ‘cockpit’ gevlogen, maar dan vanaf de grond. De camera zit op de staart van de SFD bevestigd. Een door NLR ontwikkelde Head-Up Display (HUD) wordt gebruikt om informatie aan de piloot door te sturen. Vanuit het grondstation kan de GNC worden aangezet, waarna deze een voorgeprogrammeerde route vliegt waarbij de manoeuvres worden uitgevoerd.

Om de vliegeigenschappen van het vliegtuig te meten was er verder geavanceerde testapparatuur aan boord, zoals kleine sensoren voor het meten van de luchtsnelheid, vliegtuigbewegingen en standen van stuurvlakken. “Deze meetapparatuur moest natuurlijk ook meegeschaald worden. We streefden daarbij dezelfde nauwkeurigheid na als bij volschaal vliegtuigen”, zegt Floris Bremmers, R&D Engineer bij NLR. Bremmers was vanaf de beginfase betrokken bij het project en ter plekke aanwezig bij de testvluchten. “We hebben onder meer getest hoe snel het vliegtuig reageert op input vanuit de (grond)cockpit tijdens het uitvoeren van verschillende manoeuvres. Ook voerden we metingen uit naar het dynamische vlieggedrag, bijvoorbeeld als gevolg van het uitslaan van de rolroeren.”

Uitdagingen overwinnen
Vanzelf ging het allemaal niet, geeft Bremmers toe. Het team kwam in Italië voor verschillende uitdagingen te staan. Zo moest de motor van het vliegtuig meerdere keren vervangen worden vanwege vuil op de baan. Ook het overschakelen van de automatische piloot naar het GNC systeem verliep in eerste instantie niet vlekkeloos. “Ik kan me een ontzettend spannend moment herinneren waarop tijdens het proces van overschakelen, de automatische piloot een bocht nam waarbij de SFD naar opzij en naar beneden kantelde. Deze zogenoemde ‘upset’ ontstond razendsnel, binnen één seconde. Onze piloot nam direct de controle over van de autopilot. Zo hebben we goed kunnen ingrijpen. Daarna zijn we uiteraard direct geland en is er geanalyseerd wat er fout is gegaan. We hebben dit technische probleem ter plekke op kunnen lossen. Dat was zeer uitdagend, maar ik ben er trots op dat het ons gelukt is.”

Komende maanden vindt de analyse van de vluchtgegevens plaats, uitgevoerd door het Franse ONERA en Airbus, waarbij het dynamische gedrag van de SFD wordt vergeleken met de echte A320. “De eerste resultaten zien er in ieder geval al positief uit”, aldus Bremmers.

Now in the making: de elektrisch aangedreven SFD
Intussen wordt er hard gewerkt aan een vervolgversie van de SFD, de DEP-SFD (Distributed Electrival Propulsion SFD) waarbij de twee straalmotoren, nu nog aangedreven door brandstof, vervangen worden door elektrische voortstuwing door zes propellers. Hiermee wordt het gebruik van schaalmodellen bij het ontwerpen van radicaal nieuwe vliegtuigontwerpen meteen al getest.

“Het is belangrijk om meer onderzoek naar over de eigenschappen van elektrische voortstuwing. Daarmee kunnen we in de toekomst zuinigere vliegtuigen ontwerpen”, licht Timmermans toe. “De vliegeigenschappen van zo’n vliegtuig zijn anders. Door te testen op schaal kunnen we deze eigenschappen zo goed mogelijk inpassen in het ontwerp.” De testvluchten met de DEP-SFD worden naar verwachting in 2023 uitgevoerd.

“We zien uit naar de definitieve resultaten van de SFD”, besluit Timmermans. Hij heeft hoge verwachtingen en de urgentie is hoog. “Schaalmodellen gaan de luchtvaart grote stappen vooruit helpen.”