NLR test nieuwe vliegtuigconcepten in de vorm van grote drones

Aan het op de markt brengen van een nieuw vliegtuigconcept gaat jaren aan ontwerpen, simuleren en testen vooraf. Maar ook al vliegt een vliegtuigprototype op papier nog zo goed, de praktijk is vaak net even wat weerbarstiger. Daarom werkt Koninklijke NLR onder de noemer SCALAIR aan een testmethode voor vliegende schaalmodellen voordat het vliegtuigprototype wordt gebouwd.

Opmaat naar emissieloos vliegen

Eén van de grote ambities van NLR is om een bijdrage te leveren aan emissieloos vliegen in 2070. Daartoe verkent het onderzoeksinstituut wat de mogelijkheden zijn om vliegtuigen aan te laten drijven door waterstof. En in het kader van Urban Air Mobility worden geheel nieuwe vervoersmodaliteiten onderzocht, zoals verticaal opstijgende elektrische luchtvaartuigen (eVTOLs).

Maar daar blijft het niet bij. Om duurzame vliegtuigtechnologie ten behoeve van grootschalig passagiersvervoer mogelijk te maken zijn radicaal nieuwe vliegtuigontwerpen nodig. Neem bijvoorbeeld de Flying-V van de TU Delft en KLM: door een betere aerodynamische vorm en een lager gewicht zou dit toestel 20% minder brandstof verbruiken dan een conventioneel vliegtuig met dezelfde capaciteit.

Beperkingen van windtunneltesten

Maar tussen theorie en praktijk zit vaak een grote kloof. De resultaten van computersimulaties kunnen nog zo goed zijn, maar dat wil niet zeggen dat het vliegtuig ook in de realiteit presteert zoals verwacht. Dat is de reden dat windtunneltesten met schaalmodellen van essentieel belang zijn bij de ontwikkeling van een nieuw type vliegtuig. Daarbij wordt onder verschillende condities een luchtstroming langs het model geleid. Hiermee worden de aerodynamische prestaties en limieten in kaart gebracht. Dit dient als een van de ontwerpvalidatie methoden, voordat een prototype op werkelijke schaal wordt gebouwd. Het bouwen van een vliegtuigprototype is een kostbare zaak en ermee vliegen is niet zonder risico’s.

Maar ook windtunnelproeven hebben zo hun beperkingen, vertelt Floris Bremmers, NLR Chief Design Engineer voor SCALAIR. “Het voordeel van een test met een schaalmodel in een windtunnel is dat je het ontwerp in de praktijk kunt valideren, voordat er een vliegtuigprototype op werkelijke schaal wordt gebouwd. Eigenlijk wil je de vliegeigenschappen tijdens proefvluchten met een vliegend model in kaart brengen.”

Scaled Aircraft

Dat is waar het project SCALAIR – kort van Scaled Aircraft – om de hoek komt kijken, als onderdeel van het onderzoeksprogramma EU Cleansky 2 waar NLR in samenwerking met Orange Aircraft in participeert. Het doel is niet alleen om een vliegend schaalmodel van een bestaand verkeersvliegtuig te ontwikkelen, maar ook om te achterhalen in hoeverre het vlieggedrag van het model afwijkt van ‘the real thing’.

Bremmers: “De uitdaging van een daadwerkelijk vliegend schaalmodel zit hem in het feit dat bepaalde parameters niet evenredig meeschalen. Voor deze schalingsfouten zullen correcties gedaan moeten worden. Een model vliegt bijvoorbeeld een stuk ‘gevoeliger’ dan een echt vliegtuig. Dat zie je ook bij kleinere drones. Voor alle parameters (zoals massa, tijd, rates, snelheid) gelden bepaalde schalingsregels, en die willen we inzichtelijk maken en ervaring mee opdoen.”

Voor- en nadelen van Scaled Aircraft

De belangrijkste voordelen van het vliegen met schaalmodellen ten opzichte van prototypes op werkelijke grootte zijn de verminderde kosten, doorlooptijd en risico’s. Het voordeel ten opzichte van windtunnelproeven is dat er met een model dynamische testen uitgevoerd kunnen worden.

Er zijn ook nadelen verbonden aan de SCALAIR methode. Ten opzichte van een full scale model is een proef met een schaalmodel minder representatief, vanwege de schalingseffecten. En vergeleken met windtunneltesten zijn de nauwkeurigheid en testcondities minder goed in de hand te houden.

Met computermodellen / numerieke methoden kan een hogere betrouwbaarheid gehaald worden maar dit zal ook meer kosten. Vooral bij een volledige nieuw, en dus onbekend, vliegtuigconcept is een schaalmodel uitermate geschikt om de prestaties te verkennen.

Leren vliegen met grote schaalmodellen

Het eerste model waar NLR in het kader van SCALAIR mee vliegt betreft een verkleinde Airbus A320, omdat hier veel informatie over beschikbaar is, en er daarom goed te vergelijken valt. Om met het model te leren vliegen heeft NLR een theorie- en praktijkopleiding ontwikkeld die toegespitst is op het vliegen met 25+ kg RPAS. Daaraan nemen ook de eigen testpiloten van NLR deel.

Probleem is nog wel dat er in Nederland maar een paar locaties zijn waar er met dergelijke grote fixed wing toestellen gevlogen kan worden. Bremmers: “De NLR vestiging in Marknesse is heel geschikt, maar heeft een beperkte baanlengte. Dan zijn er nog het militaire vliegveld Deelen en vliegveld Twente. Voor SCALAIR kijken we ook naar locaties in Italië. Mijn persoonlijke favoriet: een zoutvlakte in Amerika.”

Kijk voor meer informatie over de diensten die NLR levert aan professionele dronevliegers op nlr.nl/dronecentre.