Vliegtuigen worden groter en groter. Het grootste vrachtvliegtuig ter wereld, de Antonov An-225 weegt inclusief vracht maximaal 640 ton en heeft een spanwijdte van bijna negentig meter. Grotere vliegtuigen hebben dikkere vleugels nodig voor de juiste stijfheid en om voldoende opslagcapaciteit voor de brandstof te houden. Maar die dikke vleugels hebben nadelen. Zo ontstaan rond de vleugels meer luchtwervels en dat heeft nadelige gevolgen voor de aërodynamica van het vliegtuig.

Dr.ir. Jurriën Olsman (29), opgeleid tot werktuigbouwkundige in Twente, deed bij de vakgroep Turbulence and Vortex Dynamics (Technische Natuurkunde) onderzoek naar dit fenomeen. Hij geeft aan wat de nadelen zijn van wervelvorming: “Wervels zijn snel ronddraaiende luchtstromen, waarin veel bewegingsenergie wordt opgeslagen. Als deze wervels door het vliegtuig worden afgeschud, nemen ze die energie als het ware mee.” En de energie die in de wervels verloren gaat, komt uiteindelijk gewoon uit de vliegtuigmotor. Dat is natuurlijk zonde. Daarbij komt nog dat het afschudden van de wervels het vliegtuig uit balans kan brengen en zo het vliegvermogen kan aantasten.

Olsmans onderzoek was onderdeel van een groot Europees project, VortexCell2050, waarbinnen een mogelijke oplossing van dit wervelprobleem wordt onderzocht. De gedachte is dat het mogelijk moet zijn om een sleuf over de lengte van de vleugel aan te brengen (zie afbeelding) en daarin de wervels op te vangen en vast te houden, zodat ze de luchtstroming niet langer verstoren. In het ideale geval krijg je een evenwichtssituatie waarin de wervel precies net zo hard aangroeit als dat hij afslijt door de wrijving met de wand van de sleuf. Meerdere sleuven achter elkaar is ook een optie, volgens Olsman: “Russische vliegtuigbouwers hebben het naar verluidt al eens geprobeerd met zes of zeven sleuven achter elkaar.”

De specifieke onderzoeksvraag voor Olsman was of het eventuele afschudden van de wervels vanuit de sleuf problemen zouden opleveren. Als de vleugel door de lucht beweegt, gaat hij trillen met een specifieke frequentie. De vleugel zou in datzelfde ritme wervels kunnen afschudden en dat kan een gevaarlijke versterking van de trillingen veroorzaken.

Olsman stelde diverse tweedimensionale computermodellen op om het gedrag van de wervels te voorspellen. Uit de eerste experimenten bleek de stroming in de sleuf echter driedimensionaal te zijn. Het was niet duidelijk of die 3D-effecten nu gunstig zijn, of juist niet. Maar het doorrekenen van zo’n 3D-configuratie is moeilijk, zegt Olsman: “Driedimensionale systemen kosten extreem veel rekenkracht om te analyseren. En dus veel tijd en geld.”

Daarom richtte Olsman zich op meer gedetailleerde experimenten: hij deed tests in de windtunnel in Cascade, met enkele vleugels van ongeveer een halve meter lang. In plaats van de vleugels te laten trillen, wat erg veel moeite kost bij hoge frequenties -zoals de 340Hz die relevant was voor dit onderzoek- paste hij een foefje toe uit de koker van zijn promotor prof.dr.ir. Mico Hirschberg. Die bedacht dat je hetzelfde effect krijgt als je in plaats van de vleugel de erlangs stromende lucht kunt laat trillen. Zo krijg je toch een relatieve beweging tussen lucht en vleugel, zonder dat je de vleugel honderden keren per seconden op en neer moet trekken.

Die luchtbeweging wekte Olsman simpelweg op met twee geluidsboxen. Daar was wel een vermogen van meer dan een kilowatt voor nodig. Bij 340 Hz komt dat neer op het geluid van een stoomfluit, vertelt Olsman: “Dat was in het gehele Cascadegebouw te horen. Niet iedereen zal dat fijn gevonden hebben, maar ze wisten in ieder geval dat ik aan het werk was.” De truc met de boxen was volgens hem een novum en leidde tot een aparte publicatie.

Om de krachten op de vleugel te kunnen analyseren, werden op strategische punten in de vleugel piepkleine druksensoren aangebracht, negen in totaal. Ze zijn cilindervormig en slechts enkele millimeters in doorsnede en door bedreven technici vakkundig in de vleugel weggewerkt. “De lokale druk is gerelateerd aan de kracht, dus aan de hand van de druksensoren kun je ook iets zeggen over de krachten op de vleugel.”

De conclusie van de metingen: de wervelafschudding heeft geen dramatisch effect op trillingsgerelateerde krachten. Dat komt voornamelijk doordat de bewegingen van de vleugel worden gedomineerd door de zogeheten ‘toegevoegde massa’ die de vleugel voelt doordat het bij het trillen de omliggende lucht meesleept. Denk aan de weerstand die je voelt als je flippert in het zwembad. Die toegevoegde massa bepaalt de krachten op de vleugel zelfs voor meer dan negentig procent, en de invloed van de wervels valt daarbij in het niet, zegt Olsman. “Dat is voor ons misschien een beetje teleurstellend, maar voor het project als geheel is het natuurlijk goed nieuws.”

Toch ziet hij niet snel commerciële vliegtuigen gebruikmaken van de wervelsleuven. “Als het al lukt om een wervel te vangen in de sleuf, is het een enorme aanpassing voor zo’n kostbare industrie. Daarbij komt dat de productiekosten van een vleugel met sleuf hoger zullen zijn dan van een conventionele vleugel. Maar voor bijvoorbeeld onbemande observatievliegtuigen, die lang in de lucht moeten blijven, kan het wel gunstig zijn. En als dat een succes wordt, weet je nooit of je het niet later alsnog in de commerciële luchtvaart terug ziet.” (TJ)/.

Model van een vliegtuigvleugel met sleuf.