Vervormbare vleugels en adaptieve structuren

De vleugels van een vliegtuig kunnen niet zo effectief functioneren in verschillende stadia van de vlucht als gevolg van de traditionele stijve structuur van een vliegtuig. Met de opkomst van nieuwe technologieën kunnen ingenieurs nu vervormbare vliegtuigontwerpen maken die tijdens het vliegen van vorm kunnen veranderen. Vervormbare vleugels, die geïnspireerd zijn door vogels, bieden de mogelijkheid om de vliegprestaties tijdens verschillende fasen van de vlucht te optimaliseren en tegelijkertijd belangrijke zaken als brandstofefficiëntie, emissiereductie en wendbaarheid aan te pakken.

De natuur is al heel lang een bron van ideeën die mensen inspireren tot uitvindingen. Wetenschappers zijn altijd al gefascineerd geweest door het gemak waarmee vogels, insecten en zelfs vissen zich aanpassen aan hun leefomgeving. Het idee van vervormbare vleugels, die het vermogen van levende dieren om van vorm te veranderen nabootsen, is geïnspireerd op deze natuurlijke aanpassingen. Ingenieurs creëren vleugels die hun configuratie in realtime kunnen veranderen door te modelleren hoe vogels hun vleugelvormen veranderen tijdens verschillende vliegmanoeuvres.

Hoe passen vliegtuigstructuren zich aan?

Het idee van "veranderende vleugels" verwijst naar een aantal technieken, elk bedoeld om een bepaald aerodynamisch voordeel te bieden. Deze mechanismen zijn onder andere:

Verdraaiing en buiging - De flexibiliteit van de vleugelstructuur maakt veranderingen in de kromming van de vleugel mogelijk, die lift en weerstand beïnvloeden in verschillende stadia van de vlucht. Soepeler opstijgen, effectiever navigeren en stabieler landen worden allemaal mogelijk gemaakt door deze eigenschap.

Geheugenmetaal (SMA, Shape Memory Alloy) - Op SMA gebaseerde vervormbare vleugels maken gebruik van materialen die zich aanpassen aan temperatuurveranderingen door van vorm te veranderen. Ingenieurs kunnen vleugels ontwerpen met SMA ingebed in de vleugelstructuur die zich automatisch aanpast aan veranderende vliegomstandigheden, waardoor prestaties en brandstofefficiëntie worden gemaximaliseerd.

Pneumatische actuators - Deze actuators veranderen de vorm van de vleugel door bepaalde delen ervan op te blazen of leeg te laten lopen met behulp van luchtdruk. Deze benadering biedt nauwkeurige geometrische controle over de vleugel en kan worden aangepast aan verschillende vliegbehoeften.

Elektroactieve polymeren (EAP’s) - EAP’s passen hun vorm aan in reactie op elektrische stimulatie. EAP’s bieden realtime morfologische aanpassingen van de vleugel wanneer ze in vleugelstructuren worden geïntegreerd, waardoor de wendbaarheid wordt verbeterd en de luchtweerstand wordt verlaagd**.**

In 2023 startte een onderzoeksproject naar vervormbare vleugels aan het Imperial College in Londen om te ontdekken hoe de vleugel van een vliegtuig zich optimaal kan aanpassen aan de vliegomstandigheden.

BLI (Boundary Layer Ingestion)

Bij het ontwerpen van vliegtuigen die momenteel in gebruik zijn, worden het casco en het aandrijfsysteem traditioneel als aparte entiteiten beschouwd. Als gevolg daarvan nadert de voortstuwingsefficiëntie van conventionele vliegtuigmotorarchitecturen zijn limiet en leveren technologische doorbraken steeds minder rendement op. BLI verwijst naar de positionering van motoren dichter bij de romp van het vliegtuig, waardoor ze de grenslaagstroming van het casco kunnen opvangen en opnemen. De voordelen van BLI zijn onder andere een verbeterde voortstuwingsefficiëntie, minder luchtweerstand en een verhoogde brandstofefficiëntie. Ingenieurs van het NASA Glenn Research Centre testen dit nieuwe type aandrijfsysteem in hun hogesnelheidswindtunnel. Het testen kan jaren duren, maar de organisatie heeft gezegd dat ze het onderzoek naar en de ontwikkeling van BLI-technologie de komende jaren zal voortzetten.

Numerieke stromingsleer (CFD)

Door gebruik te maken van de enorme computerkracht die momenteel beschikbaar is, is CFD (Computational Fluid Dynamics) een geavanceerde technologie die de ingewikkelde interacties van vloeistoffen, zoals lucht, simuleert en weergeeft wanneer ze over vliegtuigoppervlakken bewegen. CFD heeft het ontwerpen van vliegtuigen, prestatieanalyses en testmethoden veranderd door ingenieurs een diepgaand inzicht te geven in aerodynamica en het gedrag van luchtstromen. Het is een pijler geworden van next-generation aerodynamica.

De kern van CFD bestaat uit het oplossen van uitdagende wiskundige vergelijkingen die de fysica van vloeistofbewegingen kenmerken. Deze vergelijkingen produceren een grondige beschrijving van hoe lucht zich gedraagt rond de oppervlakken van een vliegtuig door rekening te houden met variabelen zoals vloeistofdichtheid, snelheid, druk en viscositeit.

Ingenieurs kunnen veel scenario’s visueel onderzoeken en analyseren zonder dat er uitgebreide fysieke prototypes nodig zijn door gebruik te maken van CFD-simulaties, die een digitale weergave geven van de interacties tussen luchtstromen door deze vergelijkingen te splitsen in kleinere rekenkundige stukjes. Een van de toonaangevende vliegtuigbouwers, Airbus, gebruikt CFD om een beter inzicht te krijgen in aerodynamica en de efficiëntie van vliegtuigen te maximaliseren.

Stedelijke luchtmobiliteit en eVTOL

Stedelijke luchtmobiliteit (UAM, urban air mobility) ziet een toekomst voor zich waarin elektrische verticale start- en landingsvliegtuigen (eVTOL’s), uitgerust met geavanceerde aerodynamica, passagiers en goederen vervoeren tussen stadscentra, buitenwijken en andere stedelijke bestemmingen. Door gebruik te maken van de kracht van net-generation aerodynamica kan UAM een revolutie teweegbrengen in het stedelijk vervoer en zorgen voor sneller woon-werkverkeer, minder opstoppingen en een duurzamere manier van reizen. Het Duitse bedrijf Volocopter test zelfs het gebruik van zijn Volocity-vliegtuig tijdens de Olympische Spelen in Parijs in 2024.

Belangrijkste kenmerken van UAM:

Verticaal opstijgen en landen (VTOL, vertical take-off and landing) - UAM-vliegtuigen zijn gebouwd met gespecialiseerde aerodynamica waardoor ze verticaal kunnen opstijgen en landen, waardoor er geen conventionele start- en landingsbanen nodig zijn. Dankzij deze mogelijkheden kunnen ze daken, helikopterplatformen en zelfs goedgekeurde stedelijke landingszones gebruiken aandoen.

Korteafstandsvluchten - Korteafstandsvluchten binnen steden en voorsteden kunnen het best worden uitgevoerd door UAM-vliegtuigen. In vergelijking met vervoer over de grond bieden deze vluchten snellere verbindingen, vooral tijdens periodes van druk verkeer.

Elektrische aandrijving - UAM-vliegtuigen maken vaak gebruik van elektrische aandrijvingstechnologieën om de uitstoot te verminderen, geluidsoverlast te beperken en milieuvriendelijker stedelijk vervoer te bevorderen.

UAM kan opstoppingen in steden verminderen door een alternatieve manier van vervoer aan te bieden, reistijden te verkorten door het grondverkeer te omzeilen en bij te dragen aan wereldwijde inspanningen om koolstofuitstoot te verminderen, dankzij de elektrische aandrijving.

Supersonisch reizen

Door de vluchttijd aanzienlijk te verkorten, bieden supersonische en hypersonische reizen een paradigmaverschuiving in de luchtvaart die het potentieel heeft om langeafstands- en internationale reizen volledig te veranderen. Er wordt verwacht dat deze innovaties in de toekomst een revolutie teweeg zullen brengen in de luchtvaart en nieuwe mogelijkheden zullen creëren dankzij next-generation aerodynamica.

In één van het ene naar het andere continent reizen?

Supersonisch vliegen overschrijdt de geluidssnelheid, die op zeeniveau ongeveer 1.235 km/u bedraagt en verandert met de temperatuur en de hoogte. De beroemde Concorde, een supersonisch passagiersvliegtuig, bood een glimp van de toekomst van supersonisch vliegen aan het eind van de 20e eeuw. De Concorde werd in 2003 buiten gebruik gesteld als gevolg van talrijke operationele en financiële problemen. Supersonische vliegtuigen zien echter een opleving en zouden in 2029 weer in gebruik worden genomen.

De Amerikaanse luchtvaartmaatschappij Boom Supersonic heeft onlangs een order geplaatst voor 20 supersonische vliegtuigen die de naam ‘Overture’ krijgen. De luchtvaartmaatschappij van 201 ft. gebruikt 100% duurzame vliegtuigbrandstof en kan snelheden bereiken tot Mach 1,7 (2.099 km/u) - het snelste commerciële vliegtuig ter wereld. Met deze snelheden zou een vlucht van New York naar Londen slechts 3,5 uur duren.

Conclusie

Next-generation aerodynamica, op het kruispunt tussen innovatie en noodzaak, heeft de potentie om de manier waarop we vliegen waarnemen en ervaren opnieuw te definiëren. Van het ontzagwekkende concept van vormveranderende vleugels tot de heroplevende dromen van supersonisch reizen, aerodynamica stuwt ons naar een toekomst met snellere, efficiëntere en een onderling verbonden luchtruim. Ondanks deze geweldige innovaties blijven er uitdagingen bestaan. Om het potentieel van deze aerodynamica van de volgende generatie te benutten, zal het nodig zijn om door de fijne kneepjes van materialen, wetten en infrastructuur te navigeren. Dit zal ervoor zorgen dat het luchtruim van de toekomst niet alleen sneller en effectiever is, maar ook veiliger en duurzamer.