Lanceren met een magnetische katapult

Lanceren met een magnetische katapult
Magnetische levitatie is tot nu toe vooral bekend van de zweeftreinen in Japan.
Sinds 2000 onderzoekt NASA de mogelijkheid om met behulp van magnetische
levitatie (MagLev) scramjet-vliegtuigen weg te katapulteren. Daarbij vormden
trillingen altijd een van de grootste problemen. Het afstudeerwerk van een
student werktuigbouwkunde van de TU Eindhoven draagt bij aan de oplossing.
Tekst: Jim Heirbaut
Verschenen in De Ingenieur nr. 21, 2 december 2005
De overbekende zweeftreinen, 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 hebben een motor die pas bij Mach 4
(viermaal de geluidssnelheid, ongeveer 5000 km/h) kan werken, vanwege de geometrie
van de motor. Deze motor heeft namelijk geen schoepen om de instromende lucht
samen te persen, zoals bij een straalmotor. Dat moet puur gebeuren door de snelheid die
het vliegtuig al heeft. In de ruimtevaart zou de scramjet een veel veiliger en goedkoper
alternatief kunnen zijn voor de huidige spaceshuttle. Zonder externe brandstoftank en
boosterraketten kan het immers met hoge snelheid richting de ruimte bewegen. Maar
ook de civiele luchtvaart toont interesse. Met een scramjet zou je in twee uur van New
York naar Sydney kunnen vliegen. De Amerikaanse marine tenslotte ziet er wel brood in
voor het katapulteren van straaljagers van vliegdekschepen. Dat gebeurt nu nog met een
lineaire motor die het vliegtuig met behulp van lagers over rails trekt. Veel slijtage
kortom, waardoor de installatie vaak opnieuw uitgelijnd of zelfs vervangen moet worden.
Met een MagLev-baan op een vliegdekschip, is het idee, zou je de fighter zonder slijtage
de benodigde versnelling mee kunnen geven.
Voor het proof-of-principle bouwde NASA een tien meter lange testbaan, die later in
bruikleen werd gegeven aan het Florida Institute of Technology (FIT). Daar werd het
onderzoek aan de baan grotendeels gesponsord door de US Navy. Student
werktuigbouwkunde Jeroen de Boeij van de TU Eindhoven maakte van de gelegenheid
gebruik in Florida op dit onderwerp af te studeren. Hij vertelt: “Praktische toepassingen
te over, maar zo gemakkelijk is de toepassing helaas niet. In de lucht- en ruimtevaart
moet het net even sneller dan bij de zweeftreinen. Die gaan 400 km/h en de scramjet
moet zo’n tien keer zo snel. En dan blijkt magnetische levitatie helemaal niet meer zo
stabiel te zijn. Dit type MagLev werkt met permanente magneten langs een lange rij
dubbele spoelen, steeds twee boven elkaar. Doordat een magneet die langs een spoel
beweegt, een tegengesteld magneetveld in die spoel opwekt, 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.”
Het probleem is nu dat kleine toevallige trillingen in verticale richting steeds groter
worden en zelfs kunnen leiden tot het uit de baan raken van het voertuig. De Boeij: “Als
je het krachtenspel van de langs de spoelen vliegende magneet vergelijkt met een veer,
zou je kunnen zeggen dat de veer aan het trillen wordt gebracht door de hoge snelheid.
Dit zou niet erg zijn als er ook een goede demping aanwezig zou zijn. Denk maar aan je
auto: als je met een vaartje over een verkeersdrempel rijdt, vangen de schokbrekers de
klap op. Maar als er niet ook een demper aanwezig was, zou je tot het eind van de wijk
op en neer blijven gaan! En dat is het zwakke punt van magnetische levitatie: die
demping is er nauwelijks.”
Ook de zweeftreinen zouden veel last van de trillingen hebben als niet allerlei trucs
uitgehaald zouden worden. De Japanse versie heeft speciale extra spoelen die tussen de
reguliere spoelen zijn aangebracht om de trillingen te dempen. Daarnaast is de
aërodynamica van de trein aangepast om de trillingen te onderdrukken. De Boeij: “Dit
zijn in feite lapmiddelen die goed werken bij de gewenste snelheden voor zweeftreinen.
Maar voor de supersonische snelheden werken ze niet meer en zul je de ongewenste
vibraties echt op een slimme manier moeten verwijderen.” Het idee van De Boeij’s
begeleider, dr. Hector Gutiérrez, was nu om over te gaan op actieve spoelen, waarmee
de stromen door de spoelen instelbaar werden. Daardoor zouden de trillingen
weggeregeld moeten worden. Dit moest mogelijk zijn door ongeveer duizend keer per
seconde de spoelen actief aan te sturen met informatie uit positiesensoren op de
magneetbaan. Het is vergelijkbaar met het op je vinger balanceren van een stok: deze is
in (labiel) evenwicht en zal erg gemakkelijk omvallen. Je neemt waar welke kant op en
stelt de positie van je hand bij om hem weer recht te laten staan.
“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 de trilling geen kans krijgt te ontstaan. Uiteindelijk bleek een eenvoudig
numeriek model het beste te voldoen: niet supernauwkeurig, maar door zijn eenvoud
was het wel héél snel (real-time, in ongeveer 1 ms, red.) uit te rekenen. En daardoor
werkte het.”
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 beweegt. Een regelalgoritme berekent de krachten die nodig zijn om de slede naar
de gewenste positie te bewegen. Met het numerieke model worden deze krachten
vervolgens gekoppeld aan de benodigde stromen door de spoelen. En dat een kleine
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 snelheden de trillingen zouden kunnen
wegregelen. Gewoon een kwestie van snellere regeltechniek.”
Eén van de grootste hindernissen voor de magnetische katapult lijkt dus te nemen te
zijn. “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. En
momenteel kijken we bijvoorbeeld ook naar aërodynamische effecten, zoals schokgolven.
Door steeds meer van dit soort effecten in het model mee te nemen en steeds snellere
regeltechniek toe te passen, zullen we ook bij supersonische snelheden de vibraties
kunnen weghalen.” Naast dit onderzoek houdt het FIT zich bezig met onderzoek naar het
opslaan van de energie voor een lancering in supergeleidende spoelen”
Voor de zweeftreinen hebben deze resultaten 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.”
http://www.nasa.gov/missions/research/x43-main.html
www.deboeij.com
Figuren:
Dubbele spoel met een permanente magneet die erlangs beweegt. De Lorentz-kracht zal de magneet altijd
terug naar de neutrale as proberen te sturen. Bron: Jeroen de Boeij
Experiment met één spoel en één magneet. De draaiende arm bevat de spoel, een stroomsensor en een
draadloze datalink. De permanente magneet zit via een krachtsensor vast aan de ‘vaste wereld’. Bron:
Jeroen de Boeij
Gezien vanuit de lengterichting heeft de baan een w-vorm. De binnenste spoelen dienen voor de
aandrijving van de slede en zijn buiten beschouwing gelaten door De Boeij. De twee rijen spoelen aan de
buitenkant zorgen voor de ‘liftkracht’ op het sleetje. Bron: Jeroen de Boeij.