De eerste straalmotor (dia 3)

De eerste straalmotor (dia 3)
In 1930 verkreeg F. Whittle octrooi op een turbostraalmotor (turbojet), werkend met
een centrifugale compressor. De proefvlucht van het eerste Engelse vliegtuig, de Gloster
E.28/39, vond plaats in mei 1941. Onafhankelijk hiervan ontstond een Duits octrooi. De
proefvlucht van een Heinkeltoestel, de He-178, was in augustus 1939. Militaire
behoeften hebben in de Tweede Wereldoorlog de ontwikkeling van vliegtuigen met
straalaandrijving sterk bevorderd. Duitsland kreeg een voorsprong door de toepassing
van axiale compressoren en gekoelde turbineschoepen. In de Verenigde Staten werd de
achterstand na de oorlog, door het ter beschikking komen van de Duitse kennis, snel
ingelopen.
De simpelste versie van een straalmotor wordt een ramjet (stuwstraalmotor) genoemd.
Deze ramjetmotor heeft geen bewegende delen en kan zichzelf pas voortstuwen
wanneer hij op snelheid is gebracht door een extern apparaat. Er moet namelijk eerst
zuurstof in zijn verbrandingskamer geperst worden en aangezien een ramjet niet
beschikt over een turbine of compressor kan deze lucht alleen worden aangevoerd door
eerst snelheid te maken. Een variant van de ramjet was de pulserende straalmotor, die
in de Tweede Wereldoorlog door de Duitsers in de V-1 werd toegepast. Door een
systeem met verende klepjes aan de ingang kon bij lagere snelheid al voldoende druk
opgebouwd worden om stuwkracht te leveren. De V-1 werd met een katapult
gelanceerd.
De pulserende straalmotor is in feite een holle pijp, met vooraan een soort raam met
kleppen. Op dat raam zit ook een soort spruitstuk voor het toevoegen van brandstof. De
lucht stroomt door de kleppen de motor in en wordt tegelijk vermengd met brandstof.
Dan wordt het mengsel met een bougie ontstoken, en duwt de explosie de kleppen dicht.
De gassen stromen met geweld uit de achterzijde van de motor en duwen deze
voorwaarts. Zo ontstaat er een luchtledige ruimte, die weer wordt opgevuld met door de
kleppen stromende lucht, en het proces begint weer van voor af aan.
De kokervormige ruimte heeft een verbrandingskamer ergens rond het midden en een
vernauwing aan het eind. Aan de voorzijde bevindt zich een eenrichtingsklep waardoor
lucht naar binnen kan stromen (illustratie 1). Als de motor met verse lucht is gevuld
wordt geïnjecteerde brandstof ontstoken, waardoor de druk in de motor sterk toeneemt.
Aan de voorzijde sluit hierdoor de inlaatklep, waardoor het hete verbrandingsgas de
motor aan de achterzijde verlaat (illustratie 2). Hierdoor ontstaat een voorwaartse
impuls die de motor en het daarmee verbonden voertuig voortdrijft. Als de druk in de
motor tot lage waarde is gedaald opent de eenrichtingsklep en begint een nieuwe
cyclus(illustratie 3). De eenrichtingsklep is meestal een mechanisme bestaande uit een
of meer veerbelaste kleppen. Er is echter ook een uitvoering waarbij de uitstroom van
het geëxpandeerde gas wordt geblokkeerd door de interne schokgolf die de explosie met
zich meebrengt; in dat geval is het aantal bewegende delen dus nul.
Een volgende stap in de ontwikkeling van de straalmotor was door een turbine en
compressor aan de ramjet toe te voegen zodat er ook tijdens stilstand lucht in de
verbrandingskamer kon worden geperst. Dit principe werd voor het eerst werkend
tentoongesteld door Sir Frank Whittle. Ook werd er bij de straalmotor van Whittle
gebruikgemaakt van meerdere verbrandingskamers. Deze eerste motoren waren
uitgerust met centrifugale compressoren. Deze hadden echter een relatief grote
diameter, waardoor de motor noodzakelijkerwijs een grote diameter kreeg en dus meer
luchtweerstand veroorzaakte. Voor snelvliegende vliegtuigen is daarna de axiale
1
compressor toegepast, waarbij inkomende lucht stapsgewijs, door in serie geplaatste
schoepenraderen, wordt gecomprimeerd. De kleinere motordiameter woog op tegen het
nadeel van toegenomen complexiteit.
Tegenwoordig wordt veelal gebruikgemaakt van twee types motoren, de turbojet en de
turbofan. De turbojet is de oudere versie die nog steeds gebruikt wordt waar snelheid de
voorkeur boven kracht verdient zoals bij straaljagers. De moderne burgerluchtvaart
maakt tegenwoordig gebruik van turbofans. Deze motoren verschillen van de turbojet
door naast de lucht te comprimeren en te verbranden ook nog koude lucht om de motor
heen in de hete uitlaatstraal te pompen, soms tot wel meer dan 90% van de totale
luchthoeveelheid. Turbofans van het "high-bypass" type zijn uiterlijk te herkennen aan
een grote luchtinlaat ten opzichte van de uitlaat. Vergelijk bijvoorbeeld de motoren van
de Boeing 707 (tf33-turbojets) met die van de 767 (cf6-80-turbofans)
De turboprop werkt op hetzelfde principe als de straalmotor. Echter de turbine wordt
hier vooral gebruikt om een propeller aan te drijven en zo voortstuwing te leveren. Deze
motor is op lage snelheden efficiënter dan de straalmotor.
V1 (dia 4)
De V1 werd ontworpen door Robert Lüsser van de Duitse vliegtuigfabriek Fieseler en
Frits Gosslau van de Argus-motorenfabriek. Het ontwerp en testteam werd in
Peenemünde geleid door Wernher von Braun en Walter Dornberger.
De V1 had vliegtuigvleugels en staartvlakken. Ze werd voortgestuwd door een Argus AS014 pulserende straalmotor, een variant van de reeds in 1932 door Paul Schmidt
ontworpen straalmotor. Hij kon een stuwkracht produceren van ca 300 kilogram en
gebruikte een doodgewone auto-bougie als ontsteking.
In technisch opzicht was de V1 eigenlijk een onbemand straalvliegtuig. Hij kon een
maximumsnelheid van 620 km/h bereiken en had een bereik van 240 km (later werd dit
400 km). De lengte was 7,9 meter en de spanwijdte 5,3 meter. Een V1 woog 2180
kilogram en had een springkop van 850 kilogram. De motor van de V1 liep op gewone
kerosine.
Het toestel was uitgerust met een explosieve lading in de neus en vloog door middel van
een primitieve straalmotoraandrijving (pulserende straalmotor) en een simpel
geleidingssysteem op eigen kracht naar zijn doel.
De eerste testvluchten vonden eind 1941 en begin 1942 plaats vanaf Peenemünde. In
juni 1944 hebben zelfs bemande testvluchten plaatsgevonden om de mogelijkheid van
zelfmoordmissies te onderzoeken, maar die zijn niet in praktijk gebracht. De meeste
lanceringen vonden plaats vanuit Frankrijk en West-Nederland. Later, in december
1944, plaatste men nog een aantal installaties in Oost-Nederland. Deze waren gericht op
Antwerpen vanwege het Ardennenoffensief.
Als een V1 overkwam, was zijn sputterende geluid duidelijk hoorbaar. Op een vooraf
ingesteld tijdstip – of als de brandstof op was – stopte de motor en dook de raket omlaag
waarna bij de inslag de springkop explodeerde. Vanwege het kenmerkende pruttelende
geluid dat de motor maakte kreeg hij van de Amerikanen de bijnaam buzz-bomb. De
Britten noemden hem doodlebug naar een groot zoemend Australisch insect.
Het V1-geleidingssysteem was erg simpel en bestond uit een automatische piloot
gekoppeld aan een gyrokompas. Deze stuureenheid regelde alleen de hoogte en de
snelheid. De afstand naar het doel werd slechts grofweg ingeschat - nauwkeurigheid was
2
geen vereiste – en een door een propellertje in de neus aangedreven teller bepaalde
wanneer deze afstand was bereikt.
Voor de lancering werd de teller zodanig ingesteld dat deze boven het ingeschatte doel
op 0 kwam te staan. Tijdens de vlucht dreef de luchtsnelheid het propellertje aan en na
elke 30 omwentelingen liep de teller één tik terug. De teller stelde de raket in de vlucht
ook op scherp; dit gebeurde na ca 38 mijl. Als de teller op 0 stond, werd de luchtslang
naar de servomotor van het hoogteroer automatisch verbroken waarna het roer door
middel van een continu gespannen veer omlaag werd geklapt en de raket omlaag dook.
Met de ingestelde teller was slechts een naar het westen wijzende lanceerrail nodig; de
automatische instelling deed de rest.
De Gloster (dia 5)
Nadat op 17 mei 1941 met succes de Britse Gloster E28/39, de eerste door een
straalmotor aangedreven jet, het luchtruim koos voor een 17 minuten durende vlucht,
werd het snel duidelijk,… de toekomst van een nieuw tijdperk lag voor de deur. De
Tweede Wereldoorlog woede op haar volle sterkte en nieuwe ideeën werden in die
periode snel verwezenlijkt. Al snel verscheen op de tekentafel een toestel dat voorzien
was van twee grote motorgondels aan de vleugels. Deze waren zo ontworpen dat er in
de toekomst verschillende motoren ingebouwd zouden kunnen worden. Het stabilo was
hoog op het kielvlak geplaatst zodat de straalstroom de besturing niet beïnvloede. De
eerste Gloster Meteor maakte haar vlucht op 5 maart 1943. De eerste motoren waren
zwak en de Meteor F Mk I vloog weinig sneller dan de Spitfire Mk IX, beidde haalden
maximaal 660 km/u. Toch werden de eerste Meteors met succes ingezet tegen de
Vliegende Bommen, de V-1’s. 616 Squadron wist er 13 neer te halen. Op 20 januari 1945
werd een ‘flight’ van Mk III’s gestationeerd nabij Eindhoven. Hier botsten twee tegen
elkaar, de enige Meteors die in de oorlog verloren gingen.
In totaal werden 3875 Meteors geleverd in 34 versies met 21 verschillende motoren en
bij 14 naties. Helaas gingen er van deze straaljager in Nederland alleen al 78 verloren,
waarbij 40 piloten omkwamen. Vanaf 1956 werd de Meteor in Nederland vervangen
door de Hawker Hunter, de tweede generatie straalvliegtuigen.
Technische gegevens (dia 6 en 7)
Ik moet daar eerst even wat over vertellen. Een straalmotor ziet er uit als een lange buis
met allemaal draaiende vinnen. Die zitten allemaal op een as en die as die draait weer in
lagers voor en achter in het apparaat. Als je een straalmotor over de hele lengte zou
doorzagen, zie je ongeveer zoiets als het op het plaatje. Kijk eens naar de groene letters.
De lucht wordt aan de linkerkant aangezogen door de compressors C. Die bestaan uit
heel veel kleine vinnen op schijven. Ze draaien heel snel rond. Ze zuigen de lucht aan en
persen die in elkaar, net als de fietspomp dat doet.
Dan komt de samengeperste lucht in
de verbrandingskamer V. Daar wordt brandstof ingespoten en in brand gestoken. De
hete gassen laten de turbine T draaien. Omdat de turbine door een as verbonden is met
de compressor, gaat die weer draaien. En zo heb je een kringloop gekregen!
Op de turbine zitten heel veel kleine "schepjes",
3
de turbinebladen. Als daar heet gas doorheen
stroomt, gaat de turbine heel hard draaien.
Deze turbinebladen halen per stuk soms wel
500 pk (zeg maar zoveel kracht als
vijf automotoren) uit de hete gassen. Zij werken bij een temperatuur die hoger is
dan
het smeltpunt van het metaal. Maar ze worden goed met lucht gekoeld. Daarvoor
zitten er kleine gaatjes in de bladen.
Ze zijn licht, zo'n 100 gram, maar ze draaien
zo
snel in het rond, dat ze wel 4000 kg. lijken
te wegen. En toch gaat het bijna altijd goed...
De hete gassen die na de turbine in de lucht blazen, duwen het vliegtuig waar ze aan
zitten, vooruit. En niet zo zachtjes ook! Bovendien maakt het heel veel lawaai, maar dat
wist je al.
De straalmotor met de groene letters in de tekening is een turbojet. Alle lucht gaat
door de motor zelf heen. Een turbojet is een motor voor heel snelle vliegtuigen. In de
meeste straalvliegtuigen wordt de turbofan gebruikt.
Daarbij gaat een groot gedeelte van de aangezogen lucht langs de motor heen. Daardoor
is de motor zuiniger en stiller. Hiernaast zie je een turbofan.
Je kunt ook nog propeller
aan de as van de straalmotor bevestigen, dan heb je een turboprop. Zulke motoren zie je
bijvoorbeeld bij de Fokker F 50 en de Lockheed Hercules.
Bron: http://www.hansonline.eu/wright100/techniek.htm - straalmotor
www.wikipedia.nl
Stromingsleer (dia 8)
Aerodynamica is de wetenschap die de beweging van gassen beschrijft. Het maakt deel
uit van het vakgebied stromingsleer. Het beschrijven van het stromingsgedrag van een
gas kan betrekking hebben op stroming in een vrije ruimte of om een lichaam zoals
een vleugel van een vliegtuig.
De geschiedenis van de aerodynamica kan worden verdeeld in vier periodes. De eerste is
de primitieve periode die loopt van de tijd van Aristoteles (384 - 322 v.Chr.) tot de
publicatie van Isaac Newtons Philosophiae Naturalis Principia Mathematica in 1687. De
periode daarna, van de klassieke mechanica, loopt tot de eerste vlucht van
de gebroeders Wright in 1903, waar de aerodynamica aan de basis ligt van de
luchtvaartontwikkeling, en werd opgevolgd door de subsone aerodynamica tot 1935.
Sinds 1935 wordt de supersonische aerodynamica toegepast, waarvan Theodore von
Kármán als een van de belangrijkste grondleggers wordt beschouwd.
De vorm van een voorwerp heeft grote invloed op het stromingsgedrag van het gas waar
het zich door verplaatst. Bij het ontwerp van vliegtuigen, auto's en andere voertuigen
wordt dan ook gezocht naar de aerodynamisch meest ideale vorm om
de luchtweerstand zo laag mogelijk te houden.
Hydrodynamica
Blaise Pascal droeg bij tot een eerste theorie in dit domein in de 17e eeuw. De
Bron :http://nl.wikipedia.org/wiki/Aerodynamica
Bron :http://nl.wikipedia.org/wiki/Hydrodynamica
4
Boeing 747 (dia 9)
De liftcoëfficiënt hangt af van zowel de eigenschappen van het vleugelprofiel, als van de
invalshoek. Ook hoe groter de invalshoek, hoe groter de liftkracht en, zie formule, hoe
groter het vleugeloppervlak of de snelheid is, hoe groter de lift is. Als nu een vliegtuig
gaat landen, moet het langzamer gaan vliegen. Daardoor neemt de liftkracht sterk af (2 x
zo langzaam, 4 keer minder lift, want kwadraat!), terwijl het gewicht gelijk blijft. Een
beetje minder lift is gewenst omdat het vliegtuig naar beneden moet, maar om te
voorkomen dat het vliegtuig neerstort, moet de lift ondanks de lagere snelheid toch
ongeveer gelijk blijven. Dit kan op twee manieren: de invalshoek vergroten (door de
neusstand te verhogen), of door de vleugelvorm sterker te krommen.
Het is daarom dat een vliegtuig -om te landen- langzaam vliegend met de neus omhoog
komt aangevlogen. Om nog langzamer te kunnen vliegen laat het
zijn welvingskleppen (flaps in het Engels) uit waardoor het vleugeloppervlak krommer
en groter wordt en dus de liftcoëfficiënt weer toeneemt. Zo behoudt het vliegtuig bij
dalende snelheid een liftkracht die gelijk is aan zijn gewicht. De schuine stand en de
welvingskleppen zorgen wel voor veel meer luchtweerstand. Deze moet gecompenseerd
worden met een hogere stuwkracht van de motor. Hoe langzamer het vliegtuig vliegt,
hoe boller en schuiner de vleugel moet staan, hoe meer vliegweerstand er is en hoe
harder de motor moet draaien (in tegenstelling tot rijden, dat kost minder energie
naarmate de snelheid lager is).
Ook de luchtdichtheid heeft invloed op het opstijgen en landen op een hoogvlakte of bij
hitte, en op de lengte van de start- en landingsbaan. Op grote hoogte of bij grote hitte is
de lucht veel ijler en heeft het vliegtuig een veel langere startbaan nodig om zo snel te
kunnen rijden dat de liftkracht groter is dan het gewicht. Bij voldoende snelheid brengt
de piloot met het staartvlak de neus omhoog waardoor met de hoek ook de lift op de
vleugel toeneemt. Die enorme lifttoename is nodig om het gigantische gewicht van het
vliegtuig omhoog te krijgen.
Bron: http://nl.wikipedia.org/wiki/Vliegtuig
Boeing 747 (dia 10)
5
Boeing 747 (2)
Een jumbojet heeft een gemiddelde massa van 320 ton (kan variëren, afhankelijk van de
verbruikte brandstof). Zijn kruissnelheid op zo’n 10 km hoogte is ca 900 km/h = 250
m/s De dichtheid van de lucht is daar ongeveer 0,33 kg/m3 Invullen in de formule levert
op:
c L*1/2*0,33*2502*A=320.103*9,8
En c L*A=3,0.102m2 De vleugeloppervlakte is in werkelijkheid 540 m2 dus de cL tijdens
de vlucht is 0,56. De aërodynamische kwaliteit is 16 dus er is een weerstand van
6
320.103*9,81/16 = 1,96.105 N = 196 kN. Bij constante snelheid moet de motorkracht
dus ook 196 kN zijn. Het nuttig motorvermogen moet dan zijn: P = Fmotor * v =
1,96.105*250 = 4,9.107 W = 49 MW Het rendement van de motoren van de B747 is
ongeveer 50% (voor verbrandingsmotoren buitengewoon hoog!) We kunnen nu
uitrekenen hoeveel brandstof nodig is voor een bepaalde vlucht. Voor een vlucht van
Amsterdam naar Tokyo (9500 km) heb je 1,96.105 * 9,5.106 = 1,85.1012 J nuttige arbeid
nodig. Bij een rendement van 50% heb je 3,72.1012 J chemische energie nodig, Een kg
brandstof (kerosine) levert 42 MJ, dus je verstookt 3,72.1012/4,2.107 = 8,87.104 kg
brandstof = 89 ton brandstof tijdens de kruisvlucht. Dit is overigens met de afdaling het
zuinigste deel van de vlucht. Bij laag vliegen en klimmen en taxiën is het
brandstofverbruik per uur aanzienlijk hoger.
Bron: http://www.natuurkunde.nl/artikelen/view.do?supportId=859110
De term hydrodynamica werd voor het eerst gebruikt door Daniel Bernoulli als titel van
zijn werk Hydrodynamica (1738). Bernoulli en Leonhard Euler ontwikkelden de
algemene vergelijkingen van de hydrodynamica.
Het werk werd voortgezet door Joseph-Louis Lagrange (1736-1813) met het EulerLagrange systeem en Jean Le Rond d'Alembert (1717-1783) ontdekte de CauchyRiemann vergelijkingen. Pierre Simon Laplace (1749-1827) kwam met de naar hem
genoemde vergelijking over de potentiaalstroming. Hermann Ludwig Ferdinand von
Helmholtz (1821-1894) bestudeerde maalstromen, en vond samen metLord
Kelvin (1824-1907) de Kelvin-Helmholtz-instabiliteit.
Maatschappelijke, politieke, sociale en economische
factoren. (dia 11)
Omgevingsbelasting
Bijna alle commerciële vliegtuigen zijn uitgerust met een straalmotor. Het nadeel van
deze motoren is dat ze veel geluid produceren. Naast de motoren geven diverse
luchtstromingen ook een bron van geluid. In de afgelopen 30 jaar heeft er veel
ontwikkeling op het gebied van geluidsreductie plaatsgevonden.
Hieronder toont Fig. 1 de geluidsbronnen op een landend vliegtuig, gemeten met een
akoestische antenne op de grond. Behalve de motoren zijn hierop ook verschillende
aerodynamische geluidsbronnen zichtbaar, zoals het neuswiel, de landingsgestellen, en
de vleugelkleppen. Dit stromingsgeluid ontstaat door een interactie van de turbulente
luchtstroming met de verschillende componenten van het vliegtuig.
Door het gebruik van onder andere isolatiemateriaal, nieuwe ontwerpen van de
schoepen, grotere ventilatoren (minder snelheid aan de voor en achterkant van de
motor) en betere stroomlijning is de afgelopen 30 jaar de geluidshinder op en rond
vliegvelden met 96% afgenomen. Hier wordt nog steeds op doorontwikkeld. De
veiligheid van straalmotoren staat echter voorop omdat er veel levens mee gemoeid zijn.
Klimaat (dia 12)
7
Eind jaren zestig merkt de samenleving voor het eerst dat vliegverkeer niet alleen
luchtpost, verse bloemen uit vreemde wereldstreken en exotisch eten brengt. Het snelle
mondiale vervoermiddel blijkt namelijk ook een aanslag op de lokale en globale
leefomgeving te betekenen. Lokaal, omdat luchthavens zich juist in dichtbevolkte
gebieden breed maken, waardoor omwonenden beginnen te protesteren tegen lawaai,
stank en overlast. Er ontstaan nationale discussies over luchthavens en de daarbij
horende infrastructuur. Ook globaal, omdat de uitlaatgassen die vliegtuigen in de
bovenste troposfeer achterlaten, de samenstelling van de gassen in een kritische laag
van de atmosfeer veranderen.
Condensstrepen zien er niet fraai uit, maar ze hebben ook nog eens invloed op het weer.
Toen het vliegverkeer in de V.S. na de aanslagen van 11 september stillag, was het
verschil tussen dag- en nachttemperatuur een graad groter dan met condensstrepen.
Ook gewone waterdamp die bij de verbranding van kerosine ontstaat, heeft op grote
hoogte een negatieve invloed op het klimaat. Condensstrepen bedekken inmiddels 0,1
procent van de atmosfeer, en zorgen ervoor dat er meer hoge bewolking – cirrus –
ontstaat. Wat het effect van die condensstrepen is, is dankzij een van de zwartste
pagina’s uit de luchtvaartgeschiedenis duidelijker geworden. Als na de aanslagen van 11
september 2001 de luchtvaart in een wijde omtrek van New York tot stilstand komt, kan
klimatoloog David Travis van de Universiteit van Wisconsin uniek onderzoek doen: drie
dagen lang is er geen condensstreep te zien boven een gebied zo groot als West-Europa.
Het blijkt dat zonder de condensstreep-deken het s’ nachts iets kouder, en overdag iets
warmer wordt. Ook al gaat het maar om enkele tienden graden Celsius, voor insecten of
muggen die het West-Nijlvirus of malaria bij zich dragen, kan dat verschil net genoeg
zijn om te overleven.
Publieke aspecten
De straalmotor heeft het heel erg makkelijk gemaakt om als burger in korte tijd de hele
wereld over te vliegen. Door de stijgende welvaart groeit het zakelijk en
privévliegverkeer explosief. In 1958 hebben al een miljoen mensen de oversteek over de
Atlantische Oceaan per vliegtuig gemaakt. Het vliegverkeer schiet met zo’n tien procent
per jaar omhoog: bijna drie keer meer dan de economische groei. De groei van de
luchtvaart krijgt omvangrijke steun van de overheid, want regeringen bezien het vliegen
met nationale trots. Zie bijvoorbeeld het gevecht om als eerste een persoon in de ruimte
te krijgen. Zo hoeven luchtvaartmaatschappijen geen belasting te betalen, en zijn ze van
brandstofaccijnzen vrijgesteld.
Vliegende ziekte
Deze luxe van reizen brengt ook een gevaar met zich mee. Sowieso is de
‘virushuishouding’ van de aarde door de komst van het vliegtuig ingrijpend veranderd.
Er is geen micro-organisme waar de mens nog niet mee in aanraking is geweest. Daar
zijn we, dankzij chemische bestrijdingsmiddelen, antibiotica en vaccinaties, de afgelopen
vijftig jaar schouderophalend aan voorbijgegaan. Maar, zo zegt Reinhard Kurth,
directeur van het Duitse Robert Koch Institut in Berlijn en expert op het gebied van
infectieziekten: ‘Het jongste voorval met het sars-virus heeft laten zien dat gevaarlijke
nieuwe virusinfecties zich via de globale mobiliteit snel over de hele wereld
verspreiden.’ Het vliegtuig heeft al eens een belangrijke bijdrage geleverd aan de
verspreiding van een onbekend nieuw virus: aids. Het vakblad Morbidity and Mortality
Weekly Report meldde begin jaren tachtig dat een met HIV geïnfecteerde steward
vermoedelijk honderden homoseksuele mannen in alle werelddelen heeft besmet.
Het virus zonder grenzen is slechts een zandkorreltje op het globale strand van de
internationale luchtvaart. Het is maar één aspect van de culturele explosieve kracht die
er in een techniek schuilgaat waarmee een week op de Rioekioe eilanden gemakkelijker
en goedkoper is dan wadlopen op de Rottumerplaat.
Politieke en sociale factoren
8
Veiligheid: Voordat een straalmotor in gebruik mag worden genomen, moet het vele
tests doorstaan. Er zijn veel mensenlevens mee gemoeid, dus er worden strenge eisen
aan een straalmotor gesteld. Dit geldt voor zowel nieuwe straalmotoren als voor
gereviseerde. Niet alleen de straalmotor zelf moet gecertificeerd zijn maar ook de motor
in combinatie met de onderdelen van het vliegtuig. Een aantal tests die uitgevoerd
moeten worden zijn gebaseerd op (ruk)winden, vogels en eenden die in de motoren
vliegen, lange duur tests, vibratietests, wateropname door de motor, temperatuurtests
en een ijstest.
Economische factoren
De prijzen van straalmotoren variëren nogal. Voor een relatief kleine motor wordt al
gauw 2 miljoen dollar betaald. Een Rolls-Royce Trent 1000, de straalmotor die onder de
Boeing 787 wordt gehangen, heeft een cataloguswaarde van ruim 16 miljoen dollar. De
werkelijke verkoopprijs ligt daar vaak onder in verband met bijbehorende
onderhoudsdeals.
Milieu (dia 16)
Emissies
Emissie is uitstoot van uitlaatgassen uit de motoren van vliegtuigen, auto`s etc. en de
schoorstenen van huishoudens, fabrieken en elektriciteitscentrales. '
Vliegtuigen produceren een reeks van gassen zoals koolstofdioxide (CO2), stikstofoxide
(NOx) en roet. Deze stoffen dragen onder meer bij aan de versterking van het
broeikaseffect en aantasting van de ozonlaag.
Vliegverkeer draagt op verschillende manieren bij aan luchtvervuiling: verzuring wordt
veroorzaakt door stikstofoxiden (NOx) en zwaveloxiden (SO2). Verzuring ontstaat door
koolwaterstoffen en stikstofoxiden en zorgt voor smogvorming. Verzuring tast bomen
en planten aan en veroorzaakt gezondheidsproblemen.
Het probleem is dat de mensheid fossiele brandstoffen, die in een periode van miljoenen
jaren zijn opgebouwd, versneld weer in de atmosfeer brengt onder de vorm van
ondermeer CO2. CO2 blijft daarbij zeer lang in de atmosfeer (tot 100 à 200 jaar) voordat
het opnieuw wordt opgenomen door planten en andere natuurlijke processen.
De CO2 uitstoot in Europa door vliegverkeer is 344.109 ton per dag. Dit komt overeen
met 3% van de totale EU CO2-emissie.
Vulkaan:
Het Europese vliegverkeer zorgt voor een CO2 uitstoot van 344.109 ton CO2 per dag.
Ter vergelijking door de uitbarsting van de vulkaan Eyjafjallajoekull (IJsland, april 2010)
komt er per dag 150.000 ton CO2 in de atmosfeer. Door het cancellen van 60% van het
vliegverkeer in Europa werd per dag, de uitstoot van de vulkaan in aanmerking
genomen, 56.465 ton CO2 minder uitgestoten. Hierbij zijn de extra emissies door
alternatief vervoer, als trein, bus, auto en boot niet meegenomen. Tevens is het
merendeel van de vluchten uitgesteld. Ter vergelijking: de totale mondiale CO2 uitstoot
door vulkanen, bedraagt ongeveer 0,5 mln ton per dag. De totale CO2 emissie,
geproduceerd door menselijk handelen is bijna 74 mln ton per dag.
Weliswaar worden vliegtuigmotoren iedere tien jaar zo’n twintig procent zuiniger, maar
dat effect wordt tenietgedaan door de sterke groei van het vliegverkeer. Al in 1970
pompen alle vliegtuigen samen jaarlijks net zoveel kooldioxide (CO2) in de lucht als
tegenwoordig bij alle Nederlandse huishoudens, fabrieken, auto’s, bussen, vrachtwagens
en elektriciteitscentrales per jaar de lucht in gaat. Daar komen nog honderden miljoenen
kilo’s nitraat- en sulferoxiden bij, en ettelijke tonnen roetdeeltjes. Dat is reden tot zorg,
9
omdat deze uitlaatgassen decennia lang in de atmosfeer blijven hangen, en zo een
aanzienlijke bijdrage leveren aan het broeikaseffect.
Om toch zuiniger te kunnen vliegen zijn er diverse systemen ontwikkeld,
waaronder onder andere:
Air Traffic Management
Vliegers in Europa hebben te maken met 27 verschillende Air Traffic Management
systemen en veel lokale regels voor geluid, waardoor ze soms ingewikkelde manoeuvres
moeten maken bij het uitlijnen voor een landingsbaan. Een zogenoemde Continuous
Descent Approach zou veel efficiënter zijn. Tien procent minder CO2-uitstoot is haalbaar
als Europa zijn plannen voor één Europees luchtruim (SESAR) kan waarmaken.
Galileo
De luchtvaartsector wacht met smart op het Europese satellietnavigatiesysteem Galileo,
waarvan het signaal een stuk nauwkeuriger is dan het Amerikaanse gps-systeem. Als het
over enkele jaren operationeel is, kunnen vliegtuigen heel precies navigeren en de
optimale aanvliegroute kiezen. Ook volautomatische formatievluchten worden dan
mogelijk. 'Met Galileo en internationale afspraken over veiligheid, geluid en emissies kan
de luchtvaart een stuk schoner en veiliger', zegt Fred Abbink, directeur van het
Nationaal Lucht- en Ruimtevaartlaboratorium (NLR). 'Voorwaarde is wel dat de olieprijs
blijft stijgen en dat de politiek fondsen vrijmaakt voor innovatie in de luchtvaartsector.
Zonder die economische druk en extra investeringen zal de ontwikkeling in de
luchtvaart snel stagneren.'
Onderweg tanken
'Het gewicht van de passagiers en bagage is voor langeafstandsvluchten maar tien
procent van het totaal. Op lange afstanden ben je vooral grote hoeveelheden brandstof
in de lucht aan het houden'. Door geen tussenlandingen te maken zou vliegen over lange
afstanden bijna de helft minder brandstof kosten. Deze strategie resulteert ook in
minder geluidsoverlast omdat vliegtuigen minder op vliegvelden hoeven te landen.
Daarom wordt er serieus gedacht aan air-to-air bijtanken, zoals dat gebeurt bij militaire
toestellen. Het netto resultaat zou dan zijn: dertig procent reductie van brandstof en dus
van CO2-uitstoot.
Luchtvaart en klimaat
Niemand kan met zekerheid zeggen of de luchtvaart nog wel kan groeien of juist zal
krimpen. Recent klimaatonderzoek (2009) wijst uit dat de mensheid nog maar een
budget van minder dan de helft van de nog resterende fossiele brandstoffen heeft om de
opwarming beheersbaar te houden. Het is ondenkbaar dat binnen dit budget het gebruik
van kerosine onbegrensd kan toenemen, terwijl fossiele brandstoffen binnen enige
decennia vrijwel volledig moeten worden vervangen door schone energie. Voor kerosine
is er geen zicht op een schone vervanger. De CO2- uitstoot van de civiele en militaire
luchtvaart moet uiteindelijk geheel worden gecompenseerd in een schaarse ruimte met
veel concurrentie. Dat zal de kostprijs van kerosine aanzienlijk verhogen.
De toekomstige vraag naar civiele luchtvaart kan afnemen omdat mensen en
organisaties steeds vaker zullen afzien van vliegreizen. Redenen kunnen zijn:
De hoge compensatie- en brandstofkosten.
10
-
Schonere vervoersalternatieven.
Toenemende communicatiemogelijkheden via internet.
Het verslechterende klimaatimago van kerosine.
De toekomst (dia 13)
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.
11
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
12
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.
13
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.
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 C-X75 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)
Flo design ontwerpt windturbines, sneller, groter, krachtiger.
14
15