Vliegtuig van de toekomst: eerste real time-analyse van flutter

De Braziliaanse vliegtuigfabrikant Embraer, het Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), het Nederlandse Lucht- en Ruimtevaartcentrum (NLR) en German-Dutch Wind Tunnels (DNW) hebben met succes een innovatieve methode getest om de veiligheid van toekomstige vliegtuigmodellen te onderzoeken. In een primeur hebben ze de trillingsversterkende eigenschappen (‘fluttergedrag’) van een vliegtuigvleugel in real time kunnen analyseren.

Aero-elasticiteit en trillingsversterking

Vliegtuigen zijn lichtgewicht constructies die niet stijf maar elastisch zijn. In de toekomst zullen vliegtuigen nog lichter en flexibeler worden, en dit betekent dat trillingen vaker zullen optreden. De ingewikkelde wisselwerking tussen elastische trillingen beïnvloedt de vluchteigenschappen van het vliegtuig. Het bekendste aëro-elastische fenomeen is ‘flutter’ oftewel ‘trillingsversterking’, waarbij de trillingen van het vliegtuig een zodanige wisselwerking aangaan met de omringende luchtstromen dat de amplitudes van de trillingen snel toenemen. Om dit te voorkomen en om kritische vluchtomstandigheden te vermijden, moeten zogeheten flutteranalyses worden uitgevoerd.

Test in een windtunnel

Voor deze test is een zeer elastisch vleugelmodel van glasvezel gebouwd, dat in staat is om sterk te vervormen. Een groot aantal druksensoren en rekstrookjes zijn aangebracht op de vleugel. De vleugel is getest bij snelheden van Mach 0,7 tot Mach 0,9 (wat overeenkomt met luchtsnelheden van ongeveer 850 tot 1100 kilometer per uur) voor verschillende invalshoeken. De onderzoekers registreerden de trillingen van het vleugelmodel en gebruikten een innovatieve methode om de eigenfrequenties en dempingsverhoudingen te analyseren. In het verleden konden de grote hoeveelheden gegevens die tijdens dergelijke tests werden verkregen slechts met enige vertraging worden beoordeeld. Dankzij een door DLR ontwikkelde efficiënte methode kan de gegevensanalyse nu echter zonder vertraging worden uitgevoerd. Hierdoor was het mogelijk om tijdens de test precies vast te stellen welke veiligheidsmarges er nog overbleven voordat er trillingsversterking optreedt en het vliegtuigmodel mogelijk hierdoor wordt vernietigd. “Dit is een gloednieuwe methode om trillingsversterking bij vliegtuigen te analyseren”, aldus Yves Govers van het DLR Institute of Aeroelasticity. De methode moet het ook mogelijk maken om toekomstige vliegtuigen efficiënter en sneller te testen.

Taakverdeling

De Braziliaanse vliegtuigfabrikant Embraer heeft het HMAE1-project opgezet om numerieke voorspellingen van trillingsversterking bij vliegtuigvleugels te testen en om toekomstige analyses efficiënter te maken. NLR en het DLR Institute of Aeroelasticity in het Duitse Göttingen hebben hun krachten gebundeld om een voorontwerp op te stellen van een windtunnelmodel dat is afgestemd op de oppervlaktegeometrie van de vleugel, zodat er aan de toepasselijke eisen wordt voldaan. Het gedetailleerde ontwerp van de eigenlijke glasvezelvleugel en de pylon-vleugelverbinding werd opgesteld door NLR, dat ook de vleugel bouwde en de ingebouwde meettechnologie voor het model ontwikkelde.

DNW was voornamelijk verantwoordelijk voor de voorbereiding en uitvoering van de test. De feitelijke windtunneltest werd uitgevoerd in de High-Speed Tunnel (HST) van DNW in Amsterdam, met behulp van het door NLR ontworpen en vervaardigde windtunnelmodel, waarbij DLR de gegevensanalyse in real time uitvoerde.