Straalmotoren worden nog steeds verder geoptimaliseerd op het

Toekomst
Het ontwerp van passagiersvliegtuigen is de laatste vijftig jaar nauwelijks veranderd. Dat is
toch vreemd? Natuurlijk, propellers zijn straalmotoren geworden en de stroomlijn heeft een
flinke metamorfose ondergaan, maar dat is evolutie. Men wil revolutie:
De straalturbine is nog steeds in ontwikkeling. Onderzoekers willen zuinigere en stillere
motoren ontwikkelen, die zo min mogelijk vervuiling uitstoten.
Het geluid kan gereduceerd worden door het creëren van ‘electrical arcs’ zodat de turbulentie
in de luchtuitlaat verminderd wordt, dit veroorzaakt hoofdzakelijk het motorgeluid.
Ook kan de turbine efficiënter worden door het gebruik van een turbofan met een
versnellingsbak.
Ventilatoren werken het beste als ze langzaam draaien, turbines als ze snel draaien.
In de conventionele straalmotoren zijn deze aan elkaar bevestigd en draaien ze dus even snel.
Met behulp van een versnellingsbak kunnen ze afzonderlijk draaien waardoor ze stiller zijn,
meer vermogen kunnen produceren, minder brandstof verbruiken, minder CO2 uitstoten en
30% minder kost in onderhoud.
Ook een verplaatsing van de motor kan een
vliegtuig aanzienlijk stiller maken. Diverse
tests hebben uitgewezen dat zo’n aangepast
vliegtuig efficiënt kan vliegen.
Straalmotoren hangen meestal onder de
vleugels. Dat is handig: monteurs kunnen er gemakkelijk bij. Het is vooral efficiënt, want
boven de vleugel zijn de luchtsnelheden hoog, terwijl onder de vleugel de luchtsnelheden
significant lager zijn. Helaas is die plaats onder de vleugels voor de verspreiding van het
motorgeluid juist erg ongunstig. Het geluid straalt onbelemmerd naar beneden en reflecteert
bovendien tegen de onderkant van de vleugel. Zo hoor je de straalmotor op de grond twee
keer.
Helaas blijkt zo’n vliegtuig niet efficiënt te kunnen vliegen. Aerodynamische berekeningen
laten zien dat de motoren de luchtstroming met hoge snelheden boven de vleugel te veel
verstoren. Er ontstaan zware schokgolven.
Een ander onderzocht alternatief is een vliegtuig met straalmotoren boven de horizontale
staartstukken. Die schermen een deel van het geluid af. Windtunnelproeven wezen uit dat de
motor bij de staart een geluidsreductie oplevert van 6 tot 10 dB onder het toestel ten gevolge
van afscherming door de romp en het horizontale staartvlak: dat is twee tot drie keer minder
geluid.
Straalmotoren worden nog steeds verder geoptimaliseerd op het gebied van geluid, efficiëntie
en emissies. De luchtvaart heeft echter afgelopen eeuw slechts een tweetal fundamentele
veranderingen doorgemaakt.


De eerste was de overgang van houten naar metalen vliegtuigen, mogelijk gemaakt
door steeds sterkere motoren.
De tweede overgang was de introductie van de straalmotor die grotere en sneller
vliegtuigen mogelijk maakte.
Daarna zijn de verbeteringen stapsgewijs doorgevoerd en is er van een doorbraak niet echt
sprake geweest. Men geeft voor de komende decennia drie veranderingen weer die we op het
gebied van de luchtvaart kunnen verwachten.
Het betreft de volgende 3 veranderingen:
1. De introductie van de Blended Wing Body (BWB) vliegtuigen. Dit zijn grote vliegende
Vleugels waarbij geen sprake is van een romp met vleugels maar alleen vleugels met daarin
ruimte voor passagiers. Het grote voordeel van deze vliegtuigen is dat ze deze zuiniger dan
conventionele vliegtuigen, comfortabeler voor de passagiers en minder belastend voor de
omwonenden van luchthavens zijn.
Bij het ontwerpen van een dergelijk project komen verschillende overwegingen naar voren. Je
kunt bijvoorbeeld een heel grote vleugel ontwerpen die veel 'lift' oplevert (net als bij een
zweefvliegtuig), maar een grotere vleugel betekent ook een zwaarder vliegtuig en dus een
hoger brandstofverbruik.
Bij dit ontwerp verdwijnt de scheiding tussen een romp voor de lading en vleugels voor de
lift. Je stopt de lading in één grote vleugel en dat scheelt dan een kwart van de benodigde
brandstof. Wat wel in overweging moet worden genomen is dat de romp van een vliegtuig
onder druk moet worden gebracht, zodat de passagiers normaal kunnen ademen. Met een
cilindervormige romp is dat relatief eenvoudig, omdat de lucht overal even hard tegen de
structuur van het vliegtuig aan duwt. In een niet-ronde structuur ontstaan lokaal te grote
drukpunten. Wil je een vliegende vleugel maken, dan moet je dus ook een andere manier
vinden om de luchtdruk in het vliegtuig op peil te houden. Verder zijn er ook nog
veiligheidsknelpunten die moeten worden opgelost. Een vliegtuig moet namelijk binnen
negentig seconden geëvacueerd kunnen worden - en de beleving van de passagiers mag niet
worden aangetast.
Over het algemeen vinden mensen het niet prettig om in een afgesloten ruimte te zitten,
helemaal als er geen ramen zijn. 'Dat zou je kunnen oplossen met schermen gekoppeld aan
webcams buiten het vliegtuig. Alternatieven zijn 'vriendelijke' verlichting en een aantal échte,
grote ramen. Daar kunnen mensen dan heen lopen als ze een blik naar buiten willen werpen.
Een andere veelbelovende techniek probeert de luchtstroom die langs een vleugel gaat zo lang
mogelijk aan die vleugel te laten 'plakken'. Nu haakt die stroom halverwege af, waardoor veel
turbulentie en weerstand ontstaat. Als je het vliegtuig inpakt in een heel dun vlies van
geïoniseerde luchtdeeltjes, dan glijdt het makkelijker door de lucht. Net als een orka die
soepel door het water glijdt dankzij een vlies om zijn huid. En met een optimale luchtstroom
wordt vliegen dertig procent efficiënter.
Er is nog meer winst te halen uit het ontwerp van de vleugel. De ideale vleugel zou er laag bij
de grond heel anders uitzien dan op tien kilometer hoogte. Met een nieuw type koolstofvezels
(kunststofcomposiet) wordt dat mogelijk. De vleugel verandert van vorm om in elke fase van
de vlucht met een optimale configuratie te vliegen.
Verder worden er nog een aantal ideeën geopperd om efficiënter te kunnen vliegen
bijvoorbeeld:
Formatievliegen
Door net als vogels in een v-formatie te vliegen, kunnen vliegtuigen gebruik maken van
elkaars wervelstroom voor stijgkracht (lift). Grote jets die vanuit Europa naar de VS vliegen,
zouden elkaar boven Engeland kunnen treffen voor een gezamenlijke kruisvlucht. Dit kan - in
theorie - tien procent reductie in brandstofverbruik opleveren. Maar eerlijk gezegd
Zwaarder of lichter
De Boeing 787 Dreamliner en de Airbus A380-800 zijn beide ontwikkeld om brandstof te
besparen. De Boeing is voor een groot deel gemaakt van lichtgewicht kunststofcomposiet en
daardoor twintig procent lichter. De Airbus moet het juist hebben van massa en kan per vlucht
555 tot 853 passagiers meenemen. Ruim tweehonderd meer dan een Boeing 747. Maar alleen
met grotere en lichtere vliegtuigen kom je er niet, constateert de Europese Commissie. De
luchtvaartsector groeit de komende jaren zo hard, dat alle registers open moeten.
Clean Sky
Onder die noemer steken de Europese Commissie en de Europese vliegtuigindustrie de
komende zeven jaar 1,6 miljard euro in innovatie met als doel voor 2020: vliegtuigen die de
helft minder koolstofdioxide uitstoten dan in 1990, tachtig procent minder stikstofoxiden
(NOX), en de helft minder geluid produceren bij stijgen en landen.
2. De introductie van Supersonische vliegtuigen. Op zich niets nieuws, want de Concorde
was ook als supersonisch. Het probleem was echter de geluidsbarrière. Deze mag alleen
boven water doorbroken worden anders levert dit een te grote knal op. De innovatie is dat de
nieuwe supersonische vliegtuigen zo ontworpen zijn dat deze nauwelijks een knal opleveren
bij het doorbreken van de geluidsbarrière en snelheden van Mach 1.6-1.8 boven land kunnen
bereiken.
3. De Personal Air Vehicle. Als laatste innovatie wordt besproken of de auto kan worden
vervangen door een eenvoudig te besturen vliegtuig, zoals vroeger het paard werd vervangen
door de auto. Hij spreekt hier van de 'zogenaamde Personal Air Vehicle'. De PAL (Personal
Air Vehicle) is een conceptvoertuig. Het kan gezien worden als een compacte Autogiro die
zich ook over de openbare weg kan verplaatsen. Het is ontwikkeld door de Nederlander John
Bakker. Het voertuig haalt waarschijnlijk een hoogte tot zo'n 1.500 meter. Voor de besturing
is zowel een rijbewijs als een vliegbrevet nodig.
Keilen op de dampkring
Waar zal het met de luchtvaart naartoe gaan? Het meest prangende onderdeel van deze vraag
is ongetwijfeld van ecologische aard. De verwachting is dat de komende decennia het
vliegverkeer jaarlijks met maar liefst vijf procent zal groeien. Efficiëntere motoren en meer
passagiers per vliegtuig meegerekend, betekent dit dat de uitstoot van broeikasgassen door de
luchtvaart met minimaal drie procent per jaar toeneemt. Kan de aarde de milieudruk van de
luchtvaart nog aan?
De verwachting is dat het vliegen, net als autorijden, diverser wordt. De luchtvaart zal meer
een afspiegeling vormen van de maatschappij. Net zoals je goedkope auto’s voor de
massamarkt hebt, komen er massavliegtuigen waarin duizend mensen tegelijk zich laten
verschepen. De ontwikkeling van de nieuwe Airbus laat die trend al duidelijk zien: het gaat
om veel mensen vervoeren, niet om snelheid. Daarom is de Concorde uit de lucht genomen,
en heeft Boeing de ontwikkeling van een supersonisch passagiersvliegtuig, de Sonic Cruiser,
vorig jaar afgeblazen. Het is ook nog maar de vraag of hypersonische vliegtuigen, zoals de
door de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA ontwikkelde Scramjet, ooit gebouwd
zullen worden. De scramjet kan met zes keer de snelheid van het geluid in de buitenste laag
van de atmosfeer vliegen, en keilt daarbij als het ware op de dampkring.
De scramjet kan met zes keer de snelheid van het geluid in de buitenste laag van de atmosfeer
vliegen, en keilt daarbij als het ware op de dampkring.
Horx: ‘Snelheid is een visioen uit de jaren zeventig. Wat nu telt, zijn eersteklas vliegtuigen
waarin vliegen als onderdeel van de lifestyle wordt gezien. Het zijn een soort cruiseschepen
voor de lucht. Het gaat daarbij niet om snel ergens te zijn, maar om ritueel verwend te worden
in de lucht. Voor zakelijk gebruik zal zich de trend doorzetten dat er steeds meer luxe
businessjets worden gehuurd. Het gaat om het genot van vliegen.’ Dus als het deze eeuw ooit
nog zal lukken om mensen in een flits rond de aarde te beamen, dan zullen daarmee vooral de
minder bedeelden heen- en weer worden geschoten, geen mensen die heer en meester van hun
eigen tijd zijn.
Het Europese ruimtevaartagentschap ESA denkt al aan het tijdperk ná de succesvolle maar
dure Ariane-raketten. De ESA financiert voorstudies naar vernieuwende soorten technologie
die lanceringen tot in de ruimte op termijn veel goedkoper zouden kunnen maken. Een van de
projecten die in het raam van dat onderzoek Europees geld hebben gekregen is Skylon, een
Brits concept voor een futuristisch ruimtevliegtuig, aangedreven door de revolutionaire motor
Sabre. Het project krijgt voor de voorstudie een miljoen euro - een minieme fractie van wat er
nodig zou zijn om het ruimtevliegtuig echt te bouwen.
Ariane raket:
De Sabre-motor is een soort combinatie van een straalmotor en een raketmotor. In de lage
atmosfeer, bij het opstijgen en landen, zuigt hij lucht naar binnen voor de verbranding, zoals
een gewone straalmotor, maar op grote hoogte verandert hij in een raketmotor die werkt op
meegenomen zuurstof. Reaction Engines Limited, het bedrijf achter Skylon, denkt dat het
ruimtevliegtuig een vracht van twaalf ton in een baan om de aarde kan afzetten. Het toestel
moet opereren zoals een vliegtuig: horizontaal opstijgen en weer landen op een gewone
landingsbaan, en na een kort onderhoud weer klaar zijn voor de volgende vlucht tot in de
ruimte.
Jaguar straalmotor-productie binnen 7 jaar mogelijk
Jaguar heeft er zin in. Het prachtige 75th-anniversary concept is meer dan alleen een show
auto. Jaguar wil weldegelijk verder met de gasturbine en laat nu ook de mogelijkheid voor
productie van de C-X75 onderzoeken. Deze zou in 5 tot 7 jaar klaar kunnen zijn.
Het is al vaker geprobeerd gasturbines in productie-auto’s te stoppen. Uiteindelijk bleken ze
onbetrouwbaar, te warm, te luidruchtig et cetera. Sindsdien is veel veranderd en Jaguar denkt
dat de wereld nu wel klaar is voor deze machines. Naast een in prestaties vergelijkbaar
traditioneel motorblok zou de ontwikkeling van de gasturbine zelfs veel goedkoper moeten
zijn. Sleutel hierin is het feit dat een turbine technisch veel minder gecompliceerd is. Er
zitten grofweg 100x minder onderdelen in.
De compacte afmetingen van de gasturbine maken designs van hybride-supercars zoals de CX75 mogelijk. Jaguar was hierbij in staat de cockpit zo’n 30cm verder naar achteren tegen
het motorblok te plaatsen. Dit geeft zowel meer ruimte (ook voor de ontwerpers) en een
betere gewichtsverdeling.
Jaguar geeft aan de gasturbine met 2-3 jaar klaar te kunnen hebben. Vervolgens moet er een
auto omheen ontworpen worden. Of de 780pk hybride Jaguar C-X75 in productie gaat moet
blijken uit onlangs gestart onderzoek. Afhankelijk van de mogelijke afzet wil Jaguar een
productielijn voor 1000 of 2000 auto’s. Mocht het zo ver komen dan neem ik over 5-7 jaar
graag plaats in de Jag als deze het tegen de Porsche 918 opneemt. (bron: autonews.com)
Toekomst
De straalturbine is nog steeds in ontwikkeling. Onderzoekers willen zuinigere en stillere
motoren ontwikkelen, die weinig emissies uitstoten. Het geluid kan gereduceerd worden door
het creëren van ‘electrical arcs’ zodat de turbulentie in de luchtuitlaat verminderd wordt; dit
veroorzaakt hoofdzakelijk het motorgeluid. Bron: Physorg Ook kan de turbine efficiënter
worden door het gebruik van een turbofan met een versnellingsbak. Ventilatoren werken het
beste als ze langzaam draaien, turbines als ze snel draaien. In de conventionele straalmotoren
zijn deze aan elkaar bevestigd en draaien ze dus even snel. Met behulp van een
versnellingsbak kunnen ze afzonderlijk draaien waardoor ze stiller zijn, meer vermogen
kunnen produceren, minder brandstof verbruiken, minder CO2 uitstoten en 30% minder kost
in onderhoud. Bron: wired
Flo design ontwerpt windturbines, sneller, groter, krachtiger
FloDesign ontwerpt windturbine als straalmotor
Steeds sneller, groter en krachtiger. Dat zijn de
huidige windturbines. Sommige van die mastodonten
meten al tachtig, negentig meter met een capaciteit
van twee, drie Megawatt. Veel groter kunnen ze bijna
niet worden voordat op de turbinebladen zoveel
spanning komt dat ze breken. Tenzij de windindustrie
geheel nieuwe technologie gaat toepassen. Het
Amerikaanse FloDesign Wind Turbine (uit
Massachussetts) biedt dat. Op basis van een
straalmotor heeft de spin-off van de gelijknamige
ruimtevaartonderneming een nieuw concept
ontwikkeld waarmee bijna twee keer de energie van
de wind wordt gevangen. Een prototype van vier
meter wordt getest. Zal de straalmotor over enkele
jaren de windturbinebladen gaan vervangen?
Onderstaande videolink laat de techniek treffend zien.
Wie via Technology Review de video van FloDesign
Wind Turbine heeft bekeken, begrijpt vrijwel
onmiddellijk waarom het bedrijf erin geslaagd is in
een eerste acquisitieronde al zes miljoen dollar
risicokapitaal aan te trekken. Bijna de helft van alle
energie van de wind komt niet in de generator van een
moderne windturbine terecht maar gaat langs de
bladen weg, verloren voor energieopwekking.
Windexperts noemen dit optimum van 59,3 procent
ook wel de Betz limiet.
Met de windturbine van FloDesign is dat anders. De
lucht gaat letterlijk door de bladen heen en wordt
vervolgens versneld, daarmee het vermogen
verdubbelend. Het nieuwe ontwerp is bijna de helft
kleiner dan huidige windturbines en minder gevoelig
voor schade. Bovendien kunnen deze
straalwindturbines op een veel kleiner oppervlak
energie opwekken waardoor er minder land voor
nodig is. Eerdere ontwerpen van straalwindturbines
waren te groot of boekten slechte resultaten omdat ze
niet goed de windrichting konden bepalen. De nieuwe
straalwindturbine kan dat volgens CEO Stanley
Kowalski wel, zelfs tot 15 graden buiten de
windrichting.
Als je het nieuwe concept bekijkt, zie je meteen
waarom P+ dit innovatieve concept alvast de
straalwindturbine heeft genoemd. De lucht komt eerst
aan op een aantal vaste bladen, de stator, die het
vervolgens naar bewegende bladen voert, de rotor. De
lucht beweegt de rotor en komt er aan de andere kant
uit, langzamer dan de lucht buiten. De turbine is zo
vormgegeven dat de snellere buitenlucht vlak achter
de rotor naar binnen wordt gebracht. Deze snellere
lucht schept een lage drukgebied achter de bladen die
nog meer lucht naar binnen zuigen. Net zoals een
straalmotor dus.
Het is de grote vraag of deze straalwindturbines tegen
de beweerde lage kosten kunnen worden gebouwd.
Testen zullen dat moeten uitwijzen. Als die succesvol
verlopen, hoopt FloDesign vanaf 2010
straalwindturbines tot een megawatt te fabriceren. P+
webtip 1: artikel Technology Review P+ webtip 2:
video FloDesign Wind Turbine