Met schaalmodellen kun je sneller en goedkoper schonere en zuinigere vliegtuigen ontwikkelen. Dat hoopt het team engineers van NLR te bewijzen bij de ontwikkeling van de Scaled Flight Demonstrator, een test- en validatiemethode voor vliegtuigen op schaal. Het team bouwde een A320 tot in detail na op een schaal van 1:8.5 en ontwikkelde hoogwaardige meetinstrumenten.
Je bouwt een vliegtuig na in het klein en experimenteert met innovaties. Waarom heeft de vliegtuigindustrie dit niet eerder gedaan als je weet hoeveel goedkoper en sneller je met schaalmodellen nieuwe vliegtuigen kunt ontwikkelen? Een belangrijke reden hiervoor is dat het (passagiers)vliegtuig dat wij vandaag de dag kennen, het zogeheten tube-and-wing concept, radicaal zal veranderen met innovatieve voorstuwingsconcepten, materialen en structuren, gedreven door de noodzaak om energiezuiniger en schoner te vliegen. Juist de dynamica van deze nieuwe typen vliegtuigen kun je effectief met scaled flight testing onderzoeken.
Maar zo’n schaalmodel zo fabriceren dat hij zich net zo gedraagt als zijn grote broer, onder dezelfde omstandigheden in de lucht is vanwege de zogeheten schalingseffecten een complexe aangelegenheid. Zo vliegt een grote kist veel harder dan een mini-versie, waardoor de samenstelling van de lucht verandert en andere krachten gelden. En hoe meet en vergelijk je dit zo dat je het vlieggedrag van het grote toestel eruit kunt opmaken?
Kleine A320
Naar deze oplossingen zoekt luchtvaartingenieur Floris Bremmers van NLR. Hij ontwikkelt in een internationaal team een betrouwbare testmethode met een schaalmodel, de Scaled Flight Demonstrator (SFD). NLR werkt samen met vliegtuigbouwer Airbus, het Franse onderzoekscentrum ONERA (validatie en schaling) en het Italiaanse CIRA (navigatie- en controlesysteem en remote Pilot Ground Station).
Het team van NLR bouwde samen met het Nederlandse MKB Orange Aerospace (structureel ontwerp en bouw) een Airbus A320 (een middelgroot vliegtuig) na tot in detail op een schaal van 1:8.5. Dit schaalmodel heeft een spanwijdte van vier meter en weegt zo’n 140 kg. De SFD bereikt een snelheid van 85 knopen, dit is zo’n 160 km per uur. Ook ontwikkelde NLR de vliegtestapparatuur.
‘Voor zo’n 10.000 euro koop je een mooie replica van een A320 op eBay’, zegt Bremmers, die verantwoordelijk is voor het technische ontwerp en de meetmethodiek. ‘Maar een technisch hoogwaardig schaalmodel had nog niemand gebouwd.’ Naast de bouw op schaal, moet ook de meetmethode aan de hoogste eisen voldoen. De technische kenmerken en het vlieggedrag werden getest in windtunnels en met proefvluchten. De SFD beschikt over verschillende sensoren, die meer dan 150 vliegtuigparameters in kaart brengen voor het bepalen van onder meer de standhoeken, krachten en versnellingen, snelheid en hoogte.
Maiden Flight
Deze hoogwaardige technische kwaliteit van de SFD, gecombineerd met de precisie van de geavanceerde meetapparatuur en -methode, maakt deze Scaled Flight Testing Method extra bijzonder, zegt Bremmers. Ook de manier waarop NLR het schaalmodel laat vliegen is uniek. ‘De SFD wordt bestuurd vanuit een cockpit-omgeving in een mobiel grond station naast de landingsbaan met behulp van een camera en Head-Up Display (HUD), die informatie projecteert op een scherm voor de ogen van de piloot.’
Die besturing is complex omdat een schaalmodel niet is ontworpen voor deze specifieke snelheden. Daarom hebben de piloten een speciale training gekregen. Het teams testte tijdens de eerste vluchten stapsgewijs functionaliteiten, zoals het intrekken van het landingsgestel en het bewegen van de flaps (verstelbare delen van een vleugel).
Op 30 maart 2022 maakte de SFD zijn negen minuten durende maiden flight op vliegveld Deelen. Pilot in command Jan-Willem van Dooren en pilot monitoring Jasper van der Vorst, beiden van het NLR, brachten de kist naar een hoogte van 1000 voet (300 meter). ‘Een paar uur voorbereiden, landingsgestel checken, aftanken, en dan sluiten de deuren van het grondstation. Met zo’n honderd onderdelen aan boord, kan er ondanks de secure voorbereidingen en voorzorgsmaatregelen altijd wat verkeerd gaan’, herinnert Bremmers zich het spannende moment.
Vliegende vleugels
In het najaar vinden mission flight tests plaats bij partner CIRA in Italië, op de luchthaven van Puglia. Dit is om de methode in zijn geheel te testen. Als die testen goed uitpakken, ligt er een betrouwbare validatiemethode voor schaalmodellen om schonere en zuinigere vliegtuigen mee te ontwikkelen. Bremmers: ‘We gaan naar een totaal nieuw soort vliegtuig. Met de comeback van de propeller, batterijen in plaats van brandstof, of juist waterstof, en veel grotere vleugels, die het vliegtuig tot een soort vliegende vleugel maken.’ Welke techniek doorbreekt in de luchtvaart zal moeten blijken’, zegt Bremmers die best positief over het halen van klimaatdoelen in de luchtvaart. ‘We vergeten vaak hoe hard technologie gaat. Maar met technologie alleen komen we er niet. Mensen moeten minder vaak en minder ver reizen als het niet hoeft, of kiezen voor een schoner en zuiniger vervoersalternatief.’