Nieuwe pagina 1
Nieuwe pagina 1
Nieuwe pagina 1 advertentie Vliegend Museum Seppe Brussels Air Museum nederlandstransportmuseum.nl aerospacefacts.com tigerformation Stampe

Zuinig vliegen: lange vleugels
2014-03-29 / Arno Landewers

NASA bestudeerd in samenwerking met Boeing momenteel concepten voor toekomstige verkeersvliegtuigen. Eén ervan is de toepassing van extreem lange, slanke vleugels. Dit idee is niet nieuw, en wordt natuurlijk praktisch toegepast bij zweefvliegtuigen en vliegtuigen die op grote hoogte moeten vliegen. In de jaren '50 is er in Frankrijk al geëxperimenteerd met toepassing op grote, gemotoriseerde vliegtuigen.

Dat ideeën die aanvankelijk geen algemene toepassing vonden later opnieuw worden onderzocht is natuurlijk niet nieuw; door het voortschrijden van kennis en techniek kunnen ze opeens wel bruikbaar zijn. Wellicht is dit ook het geval voor de lange vleugel. Op moderne vliegtuigen als de Boeing 787, Diamond DA.42 en Bombardier CS zien we, in een wat minder extreme vorm, ook al relatief lange, slanke vleugels.

Geïnduceerde weerstand
Lange, slanke vleugels (in technisch jargon: vleugels met hoge slankheid, of in het Engels: aspect ratio) zorgen voor een vermindering van weerstand in de orde van 10-15% in vergelijk met conventionele vleugels met rechthoekige vorm (zoals toegepast op bijvoorbeeld sportvliegtuigen als de Cessna en Piper PA-28 modellen). We kunnen de weerstand van een vliegtuig in twee delen opsplitsen: het parasitaire deel, en het geïnduceerde deel. Het parasitaire deel ontstaat door pure wrijving tussen luchtdeeltjes en het vliegtuig, en wordt dus beïnvloed door vorm en afwerking ("gladheid") van romp en vleugels. Het geïnduceerde deel ontstaat doordat een vleugel de luchtstroom lichtjes afbuigt naar beneden. Hierdoor kantelt de totale opwaartse kracht welke de vleugel levert (de "lift") evenredig naar achteren en gaat gedeeltelijk tegen de stuwkracht van de motor inwerken. Dit effect is kwadratisch, dus een vergroting van de liftkracht met een factor twee, levert een 2 x 2 = 4 maal grotere geïnduceerde weerstand, toename met een factor drie levert 3 x 3 = 9 maal zoveel geïnduceerde weerstand op, etc. In werkelijkheid zal een liftkracht nooit met dit soort waarden hoger worden (behalve tijdens de start), maar ook een kleine verandering zal dus een relatief grote verandering in geïnduceerde weerstand leveren. Nu is de geïnduceerde weerstand omgekeerd evenredig met de slankheid van een vleugel: hoe hoger de slankheid, hoe lager de geïnduceerde weerstand. Dat is ook de reden waarom zweefvliegtuigen slanke vleugels hebben: met minder weerstand is de glijhoek kleiner, en kan langer in de lucht worden gebleven.

Voor en nadelen
Voor gemotoriseerde vliegtuigen is er nog een ander belangrijk effect: door de verminderde weerstand is er meer motorvermogen beschikbaar om te klimmen, dit uiteraard in vergelijking met een vliegtuig met hetzelfde motorvermogen, en minder slanke vleugels. Een ander voordeel is dat aan lange vleugels veel meer oppervlak aan kleppen (flaps) kan worden gemonteerd dan aan kortere vleugels, waardoor start en landingssnelheid aanzienlijk verlaagd kunnen worden. Bovendien zorgt een lange vleugel er ook voor dat op grotere hoogte kan worden gevlogen dan conventionele vliegtuigen, wat door de lagere luchtdichtheid (en daardoor lagere parasitaire weerstand) zorgt voor minder brandstofgebruik.

Er zijn uiteraard ook nadelen: lange vleugels zijn onhandig op vliegvelden, en belangrijker, lange vleugels zijn constructief moeilijk te ontwerpen. In het algemeen moeten bij grotere, gemotoriseerde vliegtuigen de vleugels worden ondersteund om extreme doorbuiging te voorkomen. Die ondersteuning veroorzaakt uiteraard extra weerstand waardoor het effect van de verminderde geïnduceerde weerstand teniet kan worden gedaan.

Hurel Dubois
We zien al deze aspecten prachtig terug in de ontwerpen uit de jaren '50 van het Franse bedrijf Hurel Dubois. In 1950 trok een experimenteel sportvliegtuig, ontworpen door Marcel Dubois de aandacht. Het toestel had een vleugel met een spanwijdt van 12 meter, en een breedte (koorde) van 40 cm! Uiteraard moest de vleugel ondersteund worden; niettemin was de effectiviteit duidelijk: op slechts enkele liters brandstof kon 100 km worden gevlogen met kruissnelheid! De Franse overheid ondersteunde het project, dat ten doel had de slanke vleugel ook op grotere vliegtuigen toe te passen. Met de Hurel Dubois HD.31 kreeg dit gestalte; dit tweemotorige vliegtuig met zuigermotoren had een spanwijdte van 45 meter, ruim twee maal langer dan de romplengte. Hoewel het vliegtuig een vast onderstel had, constructief complex bleek en ook de vleugels forse ondersteuningen nodig hadden, toonde Air France interesse en plaatste een order voor 24 stuks.

Ook lag er een versie met straalmotoren op de tekentafel, de HD.45. Echter, dit project kwam niet van de grond omdat de Franse overheid koos ten faveure van de ontwikkeling van de Caravelle. Bovendien werd de HD.31 ook geen commercieel succes; Air France koos voor vliegtuigen met straalmotoren en annuleerde de order. Uiteindelijk werden maar 11 exemplaren van het toestel (als HD.31, en als afgeleide versies HD.32 en HD.34) gebouwd, waarvan acht exemplaren aan de IGN (Institut Geographique National) te Creil werden geleverd voor gebruik voor luchtkaartering. De toestellen hebben nog tot in 1976 gevlogen.

SUGAR
Terug naar het heden. Sinds 2010 werkt NASA aan het Subsonic Ultra Green Aircraft Research (SUGAR) onderzoeksprogramma, in een poging nieuwe concepten te ontwikkelen voor zuinige verkeersvliegtuigen. In samenwerking met Boeing wordt een concept uitgewerkt, dat het gebruik van ultra slanke vleugels combineert met een revolutionaire hybride (brandstof/electrische) motor. De afbeeldingen van de Boeing SUGAR Volt, zoals deze nu in de windtunnel wordt getest, vertoond een opvallende gelijkenis met die van de 60 jaar oude Hurel Dubois HD.45! Gehoopt wordt dat door toepassing van nieuwe materialen en rekentechnieken de ondersteuning van de vleugel in ieder geval meer effectief wordt dan in de ontwerpen van Dubois.


Bronnen:
"De formule van Hurel" door E.W. de Wilde de Ligny in Avia Vliegwereld 18 maart 1954;
"The Hurel Dubois HD.32" in Air-Britain Archive, summer 2013;
"Different Aspect" door Graham Warwick in Aviation Week and Space Technology 27 januari 2014.