In de serie ‘De mensen van NLR’ (NLR People) laten we zien wie de experts zijn van het Koninklijk Nederlands Lucht- en Ruimtevaartcentrum. Wat drijft hen en waar werken ze aan achter de schermen. In deze aflevering: Jaco Verpoorte, R&D Engineer Principal op de afdeling Electromagnetics, Energy Management & Qualification bij NLR.
‘Onze innovatieve antennes dragen bij aan een veilige en meer duurzame luchtvaart’
Als tiener bezoekt Jaco Verpoorte de elektronicawinkel waar zijn moeder werkt geregeld. Hier ziet hij voor het eerst een zendamateur die met zijn apparatuur over lange afstanden kan communiceren, zonder dat er draden nodig zijn. “Het waren de jaren zeventig. Internet bestond nog niet, draadloze communicatie stond in de kinderschoenen. Ik vond het geweldig.”
Van zelf radio maken tot principal engineer bij NLR
De interesse beklijft. Hij maakt radio vanuit zijn zolderkamer en schrijft zich in voor de opleiding Elektrotechniek, met een specialisatie in telecommunicatie en EMC (elektromagnetische compatibiliteit) aan de Technische Universiteit Eindhoven. Zijn afstudeerstage loopt Jaco bij Fokker Aircraft, waar hij ontdekt dat zijn interesse voor elektromagnetische golven en luchtvaart een hele interessante combinatie zijn.
Vroeger mixte hij zelf muziek en stuurde dat de ether in, inmiddels geeft hij als principal engineer leiding aan de groep elektromagnetische technologie bij het Koninklijk Nederlands Lucht- en Ruimtevaartcentrum (NLR).
“Als tiener raakte ik geïnteresseerd in elektromagnetische verschijnselen, zoals antennes en propagatie, en daar houd ik me tot op de dag van vandaag nog steeds mee bezig.”
Storingsvrije ontvangst door slimme antennes
Elektromagnetische signalen faciliteren de navigatie en communicatie van een vliegtuig en zijn dus onmisbaar voor de veiligheid van het luchtverkeer. Soms worden de signalen met opzet verstoord, in oorlogsgebieden bijvoorbeeld. “Maar dat kan ook onbedoeld gebeuren. Zo kunnen buiten-de-band signalen’ (ongewenste producten) van communicatie- of omroepzenders frequenties voor communicatie- of navigatieapparatuur verstoren”, legt Jaco uit.
Jaco’s team doet onderzoek naar slimme, adaptieve antennes die hun antennepatroon aanpassen aan de omgevingssignalen en alleen de satellietsignalen – en dus niet de stoorbron – ontvangen. Daar komt elektromagnetische kennis van antennes en propagatie om de hoek kijken. Deze technologie helpt apparatuur in het vliegtuig zo onafhankelijk, efficiënt en goed mogelijk te laten werken.
Compactere antennes op de vleugels
Gedurende zijn carrière zag Jaco de frequenties waarop vliegtuigen communiceren steeds hoger worden en de vraag naar bandbreedte – en daarmee het aantal antennes – toenemen. “Er wordt nu veel meer data uitgewisseld dan veertig jaar geleden; toen was een vliegtuig dat boven de oceaan vloog niet te traceren. Het was al helemaal niet voor te stellen dat passagiers tijdens de vlucht communiceren met de rest van de wereld.” Dit houdt in dat er meer en betere antennes nodig zijn om die grotere capaciteit te faciliteren.
En dan is er de opgave van een groenere, duurzame luchtvaart. Nu zitten grote antennes – voor bijvoorbeeld satellietcommunicatie – vaak in een elektromagnetische, transparante koepel bovenop de romp van het vliegtuig. “We onderzoeken hoe we antennes in de romp of de vleugel kunnen integreren. Dat zorgt voor een lagere aerodynamische weerstand van het vliegtuig, minder brandstofverbruik en dus ook lagere uitstoot van gassen.”
Voor het ISABELLE-project keken Jaco en zijn team naar de integratie van antennes in de vleugels van het vliegtuig. Dit zou niet alleen een uitkomst zijn voor passagiersvliegtuigen, maar ook voor onbemand, kleiner vliegverkeer, zoals drones. “De uitdaging was om de individuele antennes en beamforming compacter te maken, zodat ze minder ruimte innemen en minder kwetsbaar zijn, maar ook betrouwbaarder en minder duur.” Het antennesysteem dat NLR voor dit project ontwikkelde, werd toegepast in een onbemand vliegtuig en tijdens een testvlucht gedemonstreerd aan ESA.
Geïntegreerde antennes: een gecompliceerde trade-off
NLR is gespecialiseerd in de ontwikkeling en toepassing van elektronisch stuurbare antennes (beamforming antennes). Deze antennes bestaan uit een reeks antenne-elementen zodat de antenne elektronisch in plaats van mechanisch kan worden aangestuurd. Elektronische antennes zijn minder kwetsbaar en hebben geen mechanisch onderhoud nodig. Jaco: “Ons team heeft ook prestatie- en veiligheidseisen opgesteld voor deze technologie. Daarbij houden we rekening met de omgeving waarin het systeem wordt gebruikt. NLR is van A tot Z bij het proces betrokken: van het ontwerp, tot praktijktests en kwalificatie.
Jaco onderzocht in Europees onderzoekverband ook de mogelijkheden voor het integreren van antennes in de romp. “Het is een gecompliceerde trade-off. Idealiter wil je een voldoende stevige, maar ook lichte romp. Maar een geïntegreerde antenne moet wel signalen kunnen ontvangen en uitstralen, dat stelt eisen aan de dikte en materialen die gebruikt worden.”
Voor het ACASIAS-project ontwikkelde NLR een soort transparant venster van glasvezel dat in het midden van het koolstofvezelrompwandpaneel werd geplaatst. Zo kunnen de geïntegreerde antennes goed signalen uitstralen en ontvangen. Jaco is trots op het resultaat. “Vooral omdat we heel nauw hebben samengewerkt met andere afdelingen binnen NLR en met de industrie, en van begin tot eind een compleet design hebben gemaakt dat werkt.”
Elektrificatie van vliegtuigen: hogere spanning en meer vermogen aan boord
Jaco’s expertisegebied is niet alleen van toepassing op antennes, maar ook op andere apparatuur. In de luchtvaart worden mechanische en hydraulische systemen steeds vaker ingewisseld voor elektrische systemen. En alle elektronische apparatuur zendt signalen uit, of dat nu de bedoeling is of niet.
In nieuwe vliegtuigen met (hybride) elektrische voortstuwing wordt er gebruik gemaakt van hogere spanningen en meer vermogen dan in vliegtuigen met traditionele voorstuwing. Dat zou kunnen leiden tot stoorsignalen die andere apparatuur of de antennes van navigatiesystemen beïnvloeden, legt Jaco uit. “Wij brengen die stoorsignalen in kaart, en kijken vervolgens hoe we ze kunnen voorkomen. We onderzoeken hoe we de straling van bekabeling zo laag mogelijk kunnen houden door de kabels strategisch te plaatsen, ze anders vorm te geven of een metalen afscherming toe te passen.”
NLR beschikt over een state-of-the-art EMC-faciliteit in Marknesse waar de straling van elektronische apparatuur en bekabeling in vliegtuigen, satellieten en ruimtevaartuigen getest en gekwalificeerd kan worden. Hier worden bijvoorbeeld nieuwe wetenschappelijke instrumenten voor satellieten of ‘galley equipment’ (de uitrusting in de keuken aan boord van vliegtuigen, zoals een oventje en magnetron) getest. Ook kan NLR als one-stop-shop specifieke luchtvaart gerelateerde omgevingstesten uitvoeren, zoals de indirecte effecten van blikseminslagen, vibratie testen of temperatuurtesten.
Dat Jaco met zijn passie voor techniek die ontstond in zijn tienerjaren kan zorgen dat de luchtvaart van morgen efficiënter en veiliger wordt, is de drijfveer waar alles naar terug te leiden is. “De rode draad in mijn werk is dat alle apparatuur aan boord van een vliegtuig zo veilig en ongestoord mogelijk zijn werk doet. Dat ik dat samen met een team mag doen met wie ik die drijfveer deel, vind ik fantastisch.”
—
Meer inspirerende NLR People verhalen: NLR People