Drone Impact Model van NLR moet kostbare crashtesten overbodig maken

Wat zijn de consequenties als een vliegtuigonderdeel geraakt wordt door een drone? Om antwoord te krijgen op die vraag werken onderzoekers van Koninklijke NLR aan een rekenmodel dat inzichtelijk maakt welke schade verwacht kan worden als gevolg van een aanvaring. De bedoeling is dat het Drone Impact Model kostbare crashtesten overbodig maakt.

Drones nabij vliegvelden

Helaas worden er steeds vaker drones in de buurt van vliegvelden gesignaleerd. In december 2018 werd het vliegveld van Londen Gatwick zelfs dagenlang achtereen stilgelegd nadat er verschillende meldingen binnen waren gekomen van drones. Het onderzoek naar die gebeurtenis lijkt te zijn vastgelopen, maar vast staat dat er met enige regelmaat drones vliegen in de buurt van luchthavens, ook in Nederland.

De vrees is dat een drone in het geval van een aanvaring met een vliegtuig aanzienlijke schade veroorzaakt. Denk aan een uitvallende motor of structurele schade aan een vleugel. Er zijn in het verleden vliegtuigen neergestort als gevolg van bird strikes, en het vermoeden is dat een drone strike minstens zo catastrofaal kan aflopen. Het helpt niet mee dat drones allerlei harde onderdelen bevatten, zoals accu’s en motoren, in tegenstelling tot het relatief zachte botweefsel van een vogel.

Om meer inzicht te krijgen in de vraag wat de gevolgen zijn van een drone strike stelde de Europese luchtvaartveiligheidsorganisatie EASA een Drone Collision Task Force in. En in de VS werd onder auspiciën van de Amerikaanse luchtvaartautoriteit een onderzoek gedaan door Assure UAS. Beide onderzoeken kwamen tot de conclusie dat er nog altijd veel vragen en onzekerheden zijn, met name als het gaat om het afzonderlijke gedrag van de verschillende componenten van een drone in het geval van een impact.

Van praktijktest naar simulatie

In het verleden werden er daadwerkelijk vogels afgeschoten op onderdelen van vliegtuigen om te bepalen welke schade te verwachten was. Later werden die vogels vervangen door gel-achtige projectielen. Dergelijke praktijktests zijn echter zeer kostbaar om uit te voeren. (Om nog maar niet te spreken over de rotzooi die zo’n test met zich meebrengt, zoals je in onderstaande video kunt zien.)

Met de opkomst van krachtige computers bleek het ook mogelijk om bird strikes te simuleren. Deze simulaties werden dusdanig betrouwbaar, dat in sommige gevallen de praktijktesten zelfs overbodig werden. Ook bij NLR werden in de loop der jaren diverse ‘bird impact’ modellen ontwikkeld. Op basis van de resultaten van die simulaties konden ontwerpers beter bepalen hoeveel materiaal er bijvoorbeeld nodig is voor een vleugelrand, om te voldoen aan de veiligheidseisen.

De simulaties zijn gebaseerd op de eindige-elementenmethode. Deze rekenmethode wordt vooral gebruikt in de werktuigbouwkunde, om bijvoorbeeld de stijfheid van complex gevormde objecten te kunnen berekenen. Daartoe wordt een model van het te bestuderen object opgedeeld in duizenden kleine elementen. Door hierop een hele serie berekeningen los te laten kunnen zowel statische als dynamische simulaties worden uitgevoerd.

Drone Impact Model

Kunnen bird strike-computermodellen ook gebruikt worden om de impact van drones op een vliegtuigonderdeel te berekenen? En zo ja, welke aanpassingen moeten er dan gedaan worden aan het model? Die vraag werd door onderzoekers van NLR als uitgangspunt genomen bij de ontwikkeling van het zogenaamde Drone Impact Model. Het doel is om betrouwbare uitspraken te kunnen doen over de gevolgen van een aanvaring tussen een drone en een vliegtuig, zonder dat hiervoor dure praktijktesten nodig zijn.

Twee van de betrokken onderzoekers zijn NLR R&D Engineers Wouter van den Brink en Bert de Wit. “Het Drone Impact Model stelt ons in staat om impact studies op vliegtuigonderdelen te doen waarbij inzicht verkregen wordt in het gedrag en advies op het gebied van materiaal en ontwerpkeuzes gegeven kan worden. Zonder daarvoor een ‘dure’ impact test te doen. Naast de bestaande bird impact eisen kan nu ook advies gegeven worden om de gevolgen van een drone impact op onderdelen te verminderen.”

Lichte vs. zwaardere drones

Het onderzoek richt zich met name op de wat zwaardere modellen drones. “Uit de onderzoeken blijkt dat lichte drones (0.5 kg) voor vliegtuigen weinig gevaar vormen, dat wil zeggen dat er in het geval van de vleugel/rompconstructie een minimale kans is op vliegkritische schade. In het geval van motor of meetinstrumenten kan dat anders zijn, dat onderzoeken we nog. Bij zwaardere drones tot 1.5 kg bestaat de kans dat de vleugelhuid scheurt bij een drone impact. Dit is zeker niet toelaatbaar, omdat eventuele systemen die achter de vleugelhuid zitten dan mogelijk niet meer zouden werken. De verschillende gewichtscategorieën (small 0.5 kg, medium 1.5 kg. en large 3.5 kg) zijn overigens afkomstig van de EASA Drone Collission Task Force.”

Naast oppervlakkige schade zoals een barst in een ruit of een deuk in een vleugel zou een zwaardere drone ook interne schade kunnen veroorzaken. “Wanneer een drone uit de zwaarste categorie (tot 3.5 kg) zou inslaan dan bestaat de kans dat onderdelen in het vliegtuig komen te zitten. Er bestaat ook de kans dat zogenaamde primaire vliegtuigonderdelen beschadigd raken. Een eventuele reparatie betekent in dat geval dat het vliegtuig voor een zeer lange tijd niet gebruikt kan worden”, aldus de onderzoekers.

Los van de directe schade die ontstaat door de impact van de drone zijn ook de oplaadbare accu’s van drones een onderwerp van aandacht. “Wanneer de accu na impact in het vliegtuig zit en kortsluit, bestaat de kans dat de temperatuur in de accu oploopt. Sommige systemen direct achter de huid van een vliegtuig zijn erg warm en in combinatie met een oververhitte batterij zou dit tot brand kunnen leiden. Het is daarom belangrijk om naast de kracht van de impact ook de afzonderlijke onderdelen van de drone te kunnen volgen.”

Ontwerpaanpassingen

De onderzoekers denken dat het ontwerp van de drone van grote invloed is op eventuele schade in het geval van een aanvaring. “Uit experimenten uit de literatuur blijkt dat met eenvoudige ontwerpaanpassingen aan de drone de impact schade op vliegtuigonderdelen afneemt. Dit betekent overigens niet dat men in de toekomst drones zal zien die, wanneer je ze uit je handen laat vallen, meteen in duizenden stukjes liggen.”

Een voorbeeld van zo’n ontwerpaanpassing betreft de accu die de drone aandrijft. “Wat we in de simulaties zien is dat de accu een vrij compact onderdeel is met relatief hoge massa. Naast verlagen van de massa kan het opdelen van de accu in kleinere accu’s of een absorberend omhulsel de consequenties verlagen. We hebben simulaties gedaan met een conventionele accu en eentje met losse cellen, en dit gaf duidelijk een andere schade.”

Validatie middels praktijktesten

De belangrijkste conclusie tot nu toe is dat vliegtuigcomponenten die gecertificeerd zijn om een bird strike te doorstaan, mogelijk niet bestand zijn tegen een aanvaring met een drone. Om hier meer inzicht in te krijgen wordt het model in de toekomst verder uitgebreid met meerdere drones in verschillende gewichtsklassen. Ook willen de onderzoekers meer te weten komen over het gedrag van een li-ion accu nadat een impact heeft plaatsgevonden, en dan specifiek op het vlak van kortsluiting en brandgevaar.

Maakt het Drone Impact Model praktijktesten dan helemaal overbodig? Zover is het nog niet, stellen de onderzoekers. Dan gaat het met name om het valideren van de uitkomsten van de simulaties. “We hebben veel ervaring met schademodellering van vliegtuigonderdelen en hebben een gevalideerde materiaal database die we gebruiken. Een validatie in de zin van een drone afschieten op een object staat zeker op de planning.”

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