Zuinig en zachtjes

Vliegtuigen moeten stiller en efficiënter. En er zijn allerlei ideeën hoe dat zou ­moeten, tot de meest futuristische toekomstontwerpen aan toe. Maar de luchtvaart is een sector met complexe techniek, hoge veiligheidseisen en relatief lage marges. Dus snelle veranderingen zijn niet te verwachten. De grootste kans maken aanpassingen aan de vleugels en de motoren.

Sinds de Britse Comet in de jaren vijftig het luchtruim koos – als eerste door straal­motoren aangedreven passagierstoestel – zijn niet alleen de constructie en de veiligheid van vliegtuigen enorm verbeterd. Ook het brandstofverbruik en de geluidsoverlast verminderden sterk: het verbruik is per passagierskilometer tot de helft gereduceerd, het geluid met zo’n 75 %. Geweldige cijfers, maar tegelijk is in de grafieken zichtbaar dat de vermindering afvlakt. Kennelijk zijn de grote sprongen gemaakt, tenminste met het type vliegtuig dat bestaat uit een cilindervormige romp en twee vleugels waar de motoren onder hangen.

Nieuwe vliegtuigmodellen

De logische volgende stap is het bedenken van nieuwe vliegtuigmodellen. Op internet zijn de meest fantastische ontwerpen te vinden, vaak het resultaat van competities voor het meest efficiënte vliegtuig. Ze zijn cirkelvormig met meerdere rompen en trapeziumvormige vleugels of lijken juist meer op een raket. De meest serieuze kandidaat is het vliegtuig met de zogeheten blended wing, waarbij de romp zich achter de cockpit verbreedt tot de vleugels en de motoren bovenop het brede rompdeel zijn geplaatst.

Het model heeft twee belangrijke voordelen. De romp en de vleugels vormen één geheel en dragen samen bij aan de draagkracht, terwijl bij de huidige toestellen alleen de vleugels voor de draagkracht zorgen. Het toestel zal daardoor veel efficiënter vliegen. Het tweede voordeel is dat er volop ruimte is om de motoren bovenop de body te zetten, die dan functioneert als extra geluidsscherm.

Blended wing

Ruim vijf jaar geleden maakte de faculteit Lucht- en Ruimtevaart van de TU Delft furore met zo’n blended wing-ontwerp, het Zero Emisson Flying Testbed. Dat gebeurde ook bij andere onderzoeks­instituten, zoals het Amerikaanse Massachusetts Institute of Technology (MIT) dat de Double ­Bubble D8 ontwierp. Het brandstofverbruik zou volgens de meest optimistische schattingen zo’n 20 % verminderen, het lawaai met zo’n 40 %. Indrukwekkende cijfers, maar het concept is tot nu toe alleen door Boeing in de praktijk gebracht bij de ontwikkeling van de onbemande X-48.

Daar zijn verschillende verklaringen voor, zegt prof.dr.ir. Leo Veldhuis, hoogleraar Flight Performance & Propulsion aan de TU Delft. ­‘Veranderingen in de luchtvaartindustrie gaan zeer langzaam. Dat heeft te maken met regelgeving en veiligheid, maar er is op dit ogenblik ook geen noodzaak om met iets nieuws te komen. De orderportefeuilles van de grote fabrikanten zijn goed gevuld.’ Het be­­tekent volgens hem dat sterk afwijkende concepten als de blended wing weinig kans maken door de industrie te worden ontwikkeld. ‘Het blijven tekentafelideeën.’

Een ander probleem van de blended wing is de constructie van de ingewikkeld gevormde romp. ‘Voor het passagiersgedeelte heb je een drukcabine nodig. De cilinder is daarvoor een ideale vorm, veel beter dan zo’n ingewikkeld gevormde body. Daarbinnen zijn dan cilinderachtige constructies nodig die hem alleen maar extra zwaar maken.’ Wat ook speelt, is de passagiersveiligheid. ‘De vorm maakt het bereiken van de deuren in geval van nood ingewikkelder.’
 

Veldhuis ziet de huidige configuratie van het vliegtuig, de cilinder­vormige romp voor de passagiers en de vleugels voor de draagkracht, dan ook niet zo gauw veranderen. ‘Beide zijn optimaal voor hun eigen taak.’ Tegelijkertijd beseffen de vliegtuigbouwers dat er iets moet gebeuren. ‘De brandstofkosten bedragen nu zo’n 40 % van het totaal, dus zuiniger vliegen loont. En ook vliegtuigmaatschappijen hebben te maken met een licence to operate, vliegtuiglawaai staat dat in de weg.’ Het zuiniger en stiller vliegen – ‘het mooie is dat beide vaak samen gaan’ – moet dus ergens anders vandaan komen. ‘Daarvoor komen de voortstuwing en de integratie van de motoren in het vliegtuig in beeld.’

Veldhuis heeft met zijn team een nieuw type vliegtuig ontworpen dat beide samenvoegt. ‘We zijn met dat project gestart om een antwoord te geven op directe vragen vanuit de industrie, waaronder van Airbus, die op zoek is naar een efficiënt onconventioneel ontwerp van een vliegtuig voor afstanden tot 1000 km. Daarop wordt ook het meest intensief gevlogen.’

Het ontwerp, Delft University Unconventional Configuration (DUUC) gedoopt, heeft propellervoortstuwing. ‘De DUUC gebruikt bij kortere afstanden en lagere vlieghoogte zo’n 20 % minder brandstof dan een straalvliegtuig.’ De motoren zitten aan de achterkant. ‘Daar presteren ze het beste.’ Een nadeel is dat een propeller meer lawaai maakt. En precies daarvoor komt de integratie met de staartvlakken van pas. ‘Onze motor is afgeschermd door een ringvleugel, die op zijn beurt de staartvlakken vervangt.’ Stuurvlakken achterin de ringvleugel zorgen voor een efficiënte besturing. ‘We combineren zo aerodynamica en geluidsscherm met elkaar.’

Het inmiddels gepatenteerde ontwerp verkeert nog in het beginstadium. Met een vereenvoudigd schaalmodel staan de eerste testvluchten wel al op het programma. ‘We moeten nu fondsen zien te vinden om verder te gaan met onze DUUC.’

Er zijn ook minder onconventionele ontwerpen die de motor achterop het vliegtuig zetten met het oog op afscherming van het geluid en het benutten van de turbulentie van de lucht­stroom achteraan de romp. Dat komt de stuwkracht van de motor ten goede en draagt zo bij aan een brand­­­stofbesparing van zo’n 5 %. Een voorbeeld is het Concept Plane van Airbus, dat de Europese vliegtuigbouwer in 2011 presenteerde.

Vleugels

Aan de vleugels is ook het nodige te doen. Zo werken de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA en vliegtuigbouwer Boeing aan een toestel met extra lange, dunnere en lichtere vleugels, die voldoende draagkracht leveren en tegelijkertijd minder luchtweerstand. Die vleugels hebben wel een extra ondersteuning nodig, wat weer extra weerstand oplevert. Vooral bij langzaam vliegen is zo’n vakwerkvleugel in het voordeel. Dit voorjaar zijn windtunnelproeven gedaan met een schaalmodel van een toestel met zulke slanke vleugels.

Verder vinden er volop experimenten plaats met andere typen kleppen aan de voor- en achterkant van de vleugel, zodat die minder turbulentie veroorzaken. Het meest tot de verbeelding spreekt de zogeheten morphing wing, waarbij de vleugels vloeiend ­vervormen om te kunnen opstijgen of landen.

Veldhuis voorziet dat de industrie voor gewichtsreductie in toe­nemende mate kunststoffen gaat gebruiken, bijvoorbeeld koolstof­vezel versterkt composiet. ‘De vermoeiingseigenschappen ervan zijn veel beter dan die van aluminium.’ Hij verwacht ook dat op termijn de hydraulische bediening van de kleppen en het landingsgestel wordt vervangen door elektrische bediening. ‘Ook dat scheelt enorm in het gewicht.’

Dat past bij een bredere ontwikkeling waarbij elektriciteit een grotere rol krijgt. Hij ziet daarin een parallel met de recente ontwikkeling van de elektrische auto, die begon met de hybride aandrijving van de Prius. ‘Volledig elektrisch vliegen is voor een passagierstoestel voorlopig nog niet mogelijk. Dat lukt hooguit bij privévliegtuigjes
met een gering vliegbereik. De energie-inhoud van kerosine is nu eenmaal vijftig keer meer dan die van een batterij. Maar van hybride verwacht ik wel het nodige. De batterijen aan boord dienen dan
voor de extra power bij het opstijgen en landen, de brandstof is er vooral voor de veel zuinigere kruisvlucht.’ Het gebruik van meerdere motoren is daarbij een serieuze optie. Zo bereidt NASA een test ­
voor met een vierzitter die is voorzien van een groot aantal elektromotoren, de X-57. De kleinere motoren in het midden zijn voor het starten en landen, de buitenste en grotere voor het vliegen op kruishoogte.

Inzet van biobrandstof is ook een mogelijkheid om meer klimaat­neutraal te vliegen. Maatschappijen als KLM en Air France mengen al bij en volledige vervanging van de kerosine is technisch best mogelijk. Punt is alleen het beslag dat biobrandstoffen leggen op teelt die ook hard nodig is voor de voedselvoorziening. Daarnaast spelen de economische wetmatigheden van de biobrandstoffenmarkt een rol. Vliegtuigbrandstof moet aan zeer specifieke, streng gecertificeerde eisen voldoen, waardoor markten met minder stringente eisen, bijvoorbeeld die voor vrachtwagens aantrekkelijker zijn voor schaarse biobrandstof.

 

Ideeën en concepten om zuiniger en stiller te vliegen zijn er al met al genoeg. Wat blijft is de constatering van Veldhuis dat wezenlijke veranderingen niet snel zijn te verwachten. ‘Dat gaat alleen anders als er stringente emissieregelgeving komt, wat in de internationale arena niet gemakkelijk is, of een initiatief van buitenaf, zoals dat van Tesla in de automobielindustrie.’

Veelmotorig

Er valt nog heel wat te sleutelen aan de huidige vliegtuigmotoren om ze zuiniger te maken. De Pratt & Whitney 1000G maakt daarmee een bescheiden beginnetje door zo’n 15 % brandstof te ­besparen en 20 dB minder geluid te veroorzaken. Het eerste toestel dat met deze straalmotor rondvliegt, is de Airbus 320neo.

Dit betere resultaat is te danken aan de grotere bypassratio, de hoeveelheid lucht die door de bypass van de straalmotor stroomt, wat leidt tot efficiëntere voortstuwing. De motor heeft daarvoor een grotere fan, het schoepenrad dat de lucht naar achter blaast. Om te voorkomen dat de uiteinden van die ronddraaiende fan te snel ronddraaien, is tussen de as van de turbine en de fan een ­vertragingsmechanisme ingebouwd. Vandaar de G achter het ­typenummer, die staat voor het Engelse geared, wat met een ­versnellingsbak betekent.

Het voorbeeld laat volgens dr. Arvind Rao zien dat de vliegtuig­motor nog lang niet is uitontwikkeld. Rao is universitair hoofd­docent Propulsion aan de faculteit Lucht- en Ruimtevaarttechniek van de TU Delft. ‘Het toont ook aan dat de bouwers van vliegtuigmotoren actiever zijn als het gaat om systeemveranderende ­innovaties dan de vliegtuigfabrikanten.’

Rao zelf werkt aan de zogeheten combined cycle-motor, bedoeld om de enorme hoeveelheid warmte die de motor uitstoot en dus verspilt, toch nuttig te gebruiken. ‘De helft van de energie die de vliegtuigmotor gebruikt, gaat verloren via de uitlaat; slechts 30 tot 40 %  komt ten goede aan de voortstuwing.’

Het gebruik van die gecombineerde cyclus bestaat al lang in energiecentrales: de hitte uit de verbrandingskamer van de ­turbine creëert stoom, waarmee vervolgens een stoomturbine wordt aangedreven. ‘Dat vereist zware en volumineuze installaties die we in een vliegtuig niet willen, dus stoom is geen optie.’ In plaats daarvan wil Rao superkritisch CO₂ gebruiken. ‘Dat heb je al bij een temperatuur van 35 °C en een druk van 70 bar.’ Dat ­superkritische CO₂ lijkt prima geschikt om via warmtewisselaars de hitte uit de uitlaatgassen te halen en die te gebruiken om de fan mee aan te drijven. Volgens eerste grove berekeningen kan dat een rendementsverbetering van 5 tot 10 % opleveren.

Andere brandstof

In de toekomst verwacht Rao veel van de multifuel motor. ‘Op termijn is het gebruik van andere brandstoffen dan kerosine onvermijdelijk voor het terugdringen van de CO₂-uitstoot. Dus ik heb ­gezocht naar gemakkelijk beschikbare brandstoffen die met hun energiedichtheid per massa en volume nog redelijk presteren, en dan is vloeibaar aardgas (lng) een goede kandidaat.’

Volledig op aardgas vliegen is nog niet mogelijk. ‘Daarvoor is het verschil in de energiedichtheid met kerosine te groot.’ Maar met de combinatie van beide valt toch flinke winst te behalen. De verbrandingsgassen van het aardgas zijn te gebruiken om de kerosine vlamloos, dus in een zuurstofarme omgeving, tot ontbranding te brengen. ‘Dat is vooral gunstig voor de uitstoot van stikstofdioxide en roetdeeltjes.’ Omdat de verbranding van de kerosine gebeurt bij een hogere temperatuur, neemt ook de energie-efficiency toe. ‘En aardgas levert sowieso de minste CO₂-uitstoot.’

 

Extra kracht

De multifuel straalmotor wijkt op een aantal belangrijke punten af van de gebruikelijke straalmotor. Zo heeft hij twee verbrandings­kamers. ‘Die kunnen voor elke brandstof de optimale condities ­creëren.’ De eerste verbrandingskamer gebruikt aardgas, de tweede kerosine en de uitlaatgassen van de eerste. ‘Daarmee maken we die vlamloze verbranding mogelijk.’

Een tweede belangrijk verschil is dat de motor twee tegen elkaar indraaiende fans heeft. ‘Bij bestaande modellen is de voort­stuwingskracht vooral te verbeteren door de omvang te ­ver­groten, maar dat loopt op een gegeven moment tegen een grens aan en maakt ook het integreren van de motor in het vliegtuig vrijwel ­onmogelijk. Contra-roterende fans leveren bij een kleinere dia­meter een hogere stuwkracht, omdat de energie van de turbulenties die de eerste fan veroorzaakt door de tweede wordt gebruikt om extra kracht te leveren.’ Dat idee van tegen elkaar in draaien
is ook te zien bij nieuwe typen propellermotoren. ‘Die zijn ook een stuk efficiënter, maar ze veroorzaken veel meer geluid en trillingen, omdat er geen schild omheen zit.’

Het vloeibare aardgas komt in geïsoleerde tanks in het vliegtuig. ‘We kunnen dat lng ook als koelmiddel voor de motor gebruiken.’ Tanks nemen wel ruimte in en zorgen voor extra gewicht. ‘Maar volgens onze berekeningen resulteren de aanpassingen toch in een halvering van de CO₂-uitstoot en in 90 % minder NO_x en roetdeeltjes, vergeleken met de prestaties van een Boeing 777-200.’

De grootste bottleneck blijft voorlopig de ontwikkeling van zo’n motor en alle andere modificaties die daarvoor nodig zijn aan het vliegtuig en bij de luchthavens. ‘Het is een kansrijk concept, omdat het past binnen de technische mogelijkheden die nu voorhanden zijn’, stelt Rao. ‘Maar als het ooit wordt toegepast, zal dat op de lange termijn zijn. Ik zie de combined cycle-motor eerder van de grond komen.’