nasa doet onderzoek naar wegschieten scramjet

ILLUSTRATIE GEORGE RETSECK
NASA DOET ONDERZOEK NAAR WEGSCHIETEN SCRAMJET-VLIEGTUIGEN
Magnetische katapult
tekst ir. jim heirbaut
Computertekening van
de lancering van een
ruimtevaartuig met een
magnetische katapult.
MAGNETISCHE LEVITATIE IS TOT NU TOE VOORAL BEKEND VAN ZWEEFTREINEN. SINDS 2000 ONDERZOEKT NASA DE MOGELIJKHEID OM MET
BEHULP VAN MAGNETISCHE LEVITATIE (MAGLEV) SCRAMJET-VLIEGTUIGEN WEG TE SCHIETEN. DAARBIJ VORMDEN TRILLINGEN ALTIJD EEN VAN DE
GROOTSTE PROBLEMEN. JEROEN DE BOEIJ, STUDENT WERKTUIGBOUWKUNDE VAN DE TU EINDHOVEN, WERKTE MEE AAN DE OPLOSSING.
De overbekende zweeftreinen,
Jeroen de Boeij van de TU Eindhoven maakte
van de gelegenheid gebruik om in Florida op
dit onderwerp af te studeren. ‘Praktische toepassingen te over, maar gemakkelijk is het
helaas niet. In de lucht- en ruimtevaart moet
het net even sneller dan bij de zweeftreinen.
Die gaan 400 km/h, de scramjet moet tien
keer zo snel. En dan blijkt magnetische levitatie helemaal niet meer zo stabiel te zijn.’
De MagLev in Florida werkt met permanente magneten langs een lange rij dubbele
spoelen, steeds twee boven elkaar. Als een
magneet langs een spoel beweegt, wekt die
een tegengesteld magneetveld in deze spoel
op. Hierdoor is de verticale kracht op de magneten steeds naar de scheidslijn tussen de
spoelen gericht: de magneten willen
tussen de spoelen door bewegen.
Zo houden ze de trein aan
het zweven.
aandrijfspoel
STABIEL
Voor een proef bouwde NASA een tien
meter lange testbaan, die later in bruikleen
is gegeven aan het Florida Institute of
Technology (FIT). De Amerikaanse marine
financierde het onderzoek aan de baan grotendeels. Student werktuigbouwkunde
44
heden de trillingen zouden
kunnen wegregelen. Gewoon
een kwestie van snellere
regeltechniek.’
Het probleem bij het zweven is dat kleine
toevallige trillingen in verticale richting toenemen met ontsporing als mogelijk gevolg.
De Boeij: ‘Het krachtenspel van de langs de
spoelen vliegende magneet is vergelijkbaar
met een veer, die door de hoge snelheid aan
het trillen wordt gebracht. Bij een goede
demping is dat niet erg. In een auto vangen
de schokbrekers de klappen op. Maar zonder demping is het rijden over verkeersdrempels ook geen pretje. Dat is het zwakke
punt van magnetische levitatie: nauwelijks
demping.’
ILLUSTRATIE SCHWANDT INFOGRAPHICS/BRON JEROEN DE BOEIJ
die zich zeer snel zonder rolweerstand of slijtage voortbewegen, brachten NASA op het
idee om het principe te gebruiken voor het
katapulteren van scramjet-vliegtuigen. Deze
toestellen hebben een motor die pas bij Mach
4 (viermaal de geluidssnelheid, ongeveer
4800 km/h) werkt. De motor heeft namelijk
geen schoepen om de instromende lucht
samen te persen, zoals bij een straalmotor.
Dit gebeurt alleen door de snelheid van het
vliegtuig. Voor ruimtevaart is de scramjet
veel veiliger en goedkoper dan de huidige
Space Shuttle. Zonder externe brandstoftank
en boosterraketten beweegt het toestel met
hoge snelheid
door het lucht‘Zweeftreinen ruim.
Daarnaast
gaan 400 km/h,
heeft ook de civiede scramjet moet le luchtvaart intetien keer zo snel’ resse. Met een
scramjet is de
afstand New YorkSydney in twee uur te overbruggen. De
Amerikaanse marine ten slotte ziet er wel
brood in straaljagers van vliegdekschepen te
katapulteren. Dat gebeurt nu nog met een
lineaire motor die het vliegtuig met behulp
van lagers over rails trekt. Dit veroorzaakt
veel slijtage, waardoor herhaaldelijk uitlijning en vervanging van de installatie moet
plaatsvinden. Het idee is om met een
MagLev-baan op een vliegdekschip gevechtsvliegtuig weg te schieten, zonder slijtage wel
te verstaan.
permanente
magneten
8-vormig gewikkelde
spoelen zorgen dat
het karretje zweeft.
2 DECEMBER 2005EDE INGENIEURE21
Testopstelling van het karretje
op de magneetzweefbaan. De spoelen opzij zorgen dat het karretje
blijft zweven, de aandrijfspoel geeft
het karretje snelheid.
De zweeftreinen zouden zonder allerlei
trucs ook veel last van trillingen hebben. De
Japanse magneettrein heeft speciale extra
spoelen die tussen de reguliere spoelen zijn
aangebracht om de schokken te dempen.
Daarnaast is de aërodynamica van de trein
aangepast om trillingen te onderdrukken. De
Boeij: ‘Dit zijn in feite lapmiddelen die goed
werken bij de gewenste snelheden voor zweeftreinen. Maar voor supersonische snelheden
zijn ze ongeschikt; de ongewenste vibraties
moeten er echt op een slimme manier uit.’
REGELTECHNIEK
Het idee van De Boeij’s begeleider, dr.
Hector Gutiérrez, was om over te gaan op
actieve spoelen, waarvan de stroom instelbaar is. Door ongeveer duizend keer per
seconde de spoelen actief aan te sturen met
informatie uit positiesensoren op de magneetbaan kunnen de trillingen worden weggeregeld. Dit is te vergelijken met het op een
vinger balanceren van een stok: deze is in
(labiel) evenwicht en zal erg gemakkelijk
omvallen, zodat iemand de positie van zijn
hand voortdurend moet corrigeren.
De Boeij: ‘Aan de hand van experimenten
met een magneet en een spoel kon ik een
model opstellen dat bruikbaar is voor het
aansturen van de spoelen met exact de juiste
stromen, zodat er geen trilling ontstaat.
Uiteindelijk bleek een eenvoudig numeriek
model het beste te voldoen: niet supernauwkeurig, maar door zijn eenvoud was het wel
zeer snel, ongeveer in een milliseconde, uit
te rekenen. En daardoor werkte deze oplossing.’
Als het voertuig over de baan beweegt,
meten sensoren in alle richtingen zijn exacte
positie. Daarmee is continu bekend of de
slede zich te hoog of te laag of onder een
foute hoek bevindt. Een regelalgoritme berekent de krachten die nodig zijn om de slede
weer in de gewenste positie te krijgen. Met
het numerieke model worden deze krachten
vervolgens gekoppeld aan de benodigde stromen door de spoelen. En dat zo’n duizend
keer per seconde. ‘Deze frequentie is nog te
laag voor hoge snelheden op de testbaan,
maar we worden enkel beperkt door de
rekensnelheid’, legt De Boeij uit. ‘Er is geen
reden waarom we niet ook bij hogere snel2 DECEMBER 2005EDE INGENIEURE21
SCHOKGOLVEN
Eén van de grootste hindernissen voor de magnetische katapult lijkt dus te
nemen. ‘We hebben aangetoond dat het principe goed
werkt. Maar daarmee zijn we
er nog lang niet’, relativeert
Gutiérrez. ‘Voor hogere snelheden moet het model nog
beter. Momenteel kijken we
bijvoorbeeld ook naar aërodynamische effecten, zoals
schokgolven. Door steeds meer van dit soort
invloeden in het model mee te nemen en
snellere regeltechniek toe te passen kunnen
we ook bij supersonische snelheden de vibraties weghalen.’ Behalve met de MagLev houdt
het FIT zich bezig
met onderzoek
‘Door steeds snellere
naar het opslaan
van de energie
regeltechniek
voor lancering in
kunnen we ook bij
supergeleidende
spoelen.
supersonische
Voor de zweefsnelheden de
treinen hebben
deze resultaten
vibraties weghalen’
geen directe gevolgen. De Boeij: ‘De
huidige systemen zijn snel genoeg voor het
vervoeren van mensen. Daarnaast is de extra
regeltechniek erg duur. Die investering loont
alleen bij toepassingen waarbij de kosten de
pan uit rijzen. Zoals het lanceren met conventionele raketten, waarbij 90 % van de
kosten in de motor en de brandstof zit.’
www.nasa.gov/missions/research/x43-main.html
www.deboeij.com
45