Een vliegende vleugel is zuiniger dan een vliegende sigaar

In een grote hangar van de faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek van de TU Delft ligt een driehoek van 2,5 meter lang op tafel. Overal zijn draadjes te zien die van de neus naar de zijkanten gaan. Dat dit een vliegtuig is, zie je niet direct en dat is niet zo vreemd. Vliegtuigen hebben nu nog vrijwel allemaal ­dezelfde vorm: een romp voor de piloten, passagiers en vracht, achteraan een staart en aan de zijkanten vleugels. “In dit ontwerp zijn de romp en staart verdwenen. Het vliegtuig dat wij ontwikkelen bestaat alleen nog maar uit een vleugel”, zegt wetenschapper Roelof Vos van de TU Delft. Hij ontwikkelt de Flying-V in samenwerking met vliegtuigbouwer Airbus en luchtvaartmaatschappij KLM.

Collega-onderzoeker Malcom Brown controleert of de elektronica in de vleugel goed is aangelegd. De Flying-V heeft geen kleppen, zoals gewone vliegtuigen, omdat het oppervlak van de vleugel zo groot is. Wel zijn er stuurvlakken die elektronisch worden aangestuurd. “Daarmee til je de neus bijvoorbeeld omhoog om verder te stijgen. Dat is net weer even anders dan bij een conventioneel toestel”, zegt Brown. “Dat maakt het voor vliegtuigbouwers zo razend interessant om hieraan te werken.”

De driehoek in de hangar is een schaalmodel van een passagiersvliegtuig waaraan de ­onderzoekers nu werken. Schiphol viert begin oktober zijn honderdjarig bestaan en dan presenteren de wetenschappers hun creatie. Het uiteindelijke doel is een passagiersvliegtuig voor lange ­afstanden te ontwerpen voor 312 passagiers, vergelijkbaar met de huidige Airbus A350.

Minder brandstof, lagere kosten

De belangrijkste reden voor het nieuwe ontwerp is dat er veel minder brandstof nodig is bij lange-afstandsvluchten. Uit berekeningen van de onderzoekers blijkt dat het toestel zo’n 20 procent aan brandstofbesparing haalt in vergelijking met de huidige vliegtuigen. Dat belast het milieu veel minder, een heet hangijzer momenteel. Tegelijkertijd zorgt minder brandstof ook voor lagere kosten en dat spreekt de luchtvaartindustrie aan. “Die besparing halen we door de vorm”, zegt Vos. “De Flying-V heeft minder last van weerstand, omdat de aerodynamica beter is. Dit betekent dat de lucht gemakkelijker langs het toestel gaat, waardoor er minder brandstof nodig is om vooruit te komen.”

In de lucht wordt een vliegtuig voortdurend een beetje afgeremd. Bij het nieuwe toestel is dat minder het geval, omdat het minder oppervlakte heeft dan de huidige vliegtuigen. De romp is immers weg. Je hebt nu als het ware twee aan elkaar geplakte vleugels. “Dat heeft vooral gevolgen voor de wrijvingsweerstand: de lucht die langs het toestel stroomt als je rechtdoor vliegt. Want de overgang van de romp naar de vleugels heeft bij de huidige vliegtuigen een negatieve invloed op deze weerstand.”

De Flying-V heeft nog meer voordelen, volgens de onderzoekers. Het nieuwe ontwerp zorgt ook voor meer lift, de kracht die vliegtuigen als het ware omhoog duwt en ervoor zorgt dat ze kunnen vliegen, wat bijdraagt aan de brandstofbesparing van 20 procent.

We moeten minder milieubelastend gaan vliegen

Zal die 20 procent in de praktijk ook haalbaar zijn? “Ik denk dat het mogelijk is”, zegt programmamanager Martin Nagelsmit van het Koninklijk Nederlands Lucht- en Ruimtevaartcentrum (KNLR). Nagelsmit is niet betrokken bij het onderzoek naar het nieuwe toestel, maar kijkt er desgevraagd naar. “Zeker bij langeafstandsvluchten maakt het al snel een groot verschil als er minder weerstand is.”

Nagelsmit benadrukt dat het onderzoek in Delft past in de nieuwe trend om ook in de luchtvaart aan het milieu te denken. “Het is hoog tijd dat dit gebeurt. We moeten minder milieubelastend gaan vliegen in de toekomst. Het ontwerp van de TU Delft is een interessante manier om dat te doen. Bij korte afstanden kun je ook denken aan elektrisch vliegen met batterijen aan boord, maar dat is voor verre ­bestemmingen waarschijnlijk geen optie, ­omdat veel batterijen een vliegtuig zwaar ­maken. Andere opties zijn nog tussenlandingen maken om extra te tanken, zodat je minder zwaar bent in de lucht. Al doe je dan wel langer over een vlucht.”

Hoe zit het met de stabiliteit van het nieuwe toestel? Scheert het straks elegant door de lucht of gaat het met horten en stoten? “Veel mensen denken dat een vliegtuig een staart nodig heeft voor de stabiliteit”, zegt onderzoeker Roelof Vos. “Maar het kan prima zonder, als je er maar voor zorgt dat het zwaartepunt op de juiste plek zit. Als het zwaartepunt te veel naar achteren ligt, wil het vliegtuig achterover hellen en wordt het instabiel.”

Het ontwerp van een deltavlieger

Vos noemt als voorbeeld een deltavlieger, die je vaak in de bergen ziet. Dan springt ­iemand aan een driehoekig doek naar beneden en zweeft door de lucht. De waaghals die onder het zeil hangt, zit een beetje naar de voorkant, omdat de deltavlieger anders achterover helt. “Ons ontwerp lijkt wel een beetje op die deltavliegers, want die hebben uitstekende vliegeigenschappen, zijn zeer stabiel en blijven daarom lang zweven.”

Omdat de romp is verdwenen, moeten de vleugels in het nieuwe toestel een stuk dikker worden. Want daar gaan de passagiers en de bagage in. Deze vleugels krijgen geen platte vorm zoals nu het geval is en zijn ook niet rond, maar ovaal. Ook dit heeft weer te maken met de weerstand: door deze vorm kan de wind er makkelijker langs. Vergelijk het met een frisbee, die eenvoudiger door de lucht gaat dan een ronde bal. De vorm van de Flying-V zit daar tussenin. De cabine is daardoor hoog, ruim 2 meter, hoog genoeg om in te staan.

Door de ovale vorm is wel extra versteviging nodig en die komt van balken aan de zij-, onder- en bovenkant. Aan de onder- en bovenkant is dat geen probleem omdat de latten in het plafond en de vloer zijn verwerkt. “Maar de verticale balken aan de zijkant, die om de zeventig centimeter zitten, zijn wel goed zichtbaar voor de passagiers”, zegt Vos.

Bovendien zitten de reizigers ook verder bij de ramen vandaan door de ovale vorm. Wie aan de buitenkant plaats neemt, vindt het raam op zo’n veertig centimeter afstand. Wie in het midden of aan de binnenkant zit, heeft geen raampje. “Dat zal wel even wennen zijn”, zegt Nagelsmit. “Nu zijn we het gewend om naar buiten te kunnen kijken. Wat mij betreft zou je alle ramen vervangen door beeldschermen waarop je ziet waar je vliegt. Dat maakt de constructie steviger. En omdat dan de zijkant glad is, heb je nog minder wrijving en kan de lucht er nog makkelijker langs.”

Voor de passagiers ziet de binnenkant van het nieuwe toestel er niet alleen anders uit, ze zullen het vliegen ook anders ervaren. Bij het opstijgen wordt je nu echt achterover in je stoel gedrukt. Zit je in de Flying-V? Dan staan alle stoelen schuin in een rij, omdat de vleugel ook die vorm heeft. “Hierdoor wordt je schuin in je stoel gedrukt. Dat gebeurt nu ook al in de business class van sommige vliegtuigen, waarbij de stoelen ook in die positie staan. Daar is dan bijvoorbeeld een airbag in de riem geplaatst. Dat kunnen wij ook doen. Het is anders, maar moet geen probleem zijn”, zegt Vos.

Op internetfora voor vliegtuigfanaten wordt geopperd dat passagiers extra zware G-krachten voor de kiezen zouden krijgen, omdat ze de versnelling van het vliegtuig meer voelen. Dat komt omdat ze in het nieuwe ontwerp verder van het middelpunt van het vliegtuig af zitten. Met name bij bochten zou dit voor een onaangenaam gevoel kunnen zorgen, werd geopperd. “Uit tests van Airbus blijkt dat het geen probleem is”, reageert Vos. “De passagiers zitten in het voorste deel van de vleugel en hebben er geen last van. De bagage plaatsen we in de twee achterste punten. Daar zullen ook de G-krachten het hoogst zijn, omdat dit het verste van het middelpunt zit.”

Ook een optie: vliegen zonder piloten

Het zijn allemaal punten waarmee Vos en zijn collega’s rekening moeten houden bij hun onderzoek. “Omdat alles er zo anders uitziet, moet je voortdurend nieuwe berekeningen maken en je afvragen of wat je wilt mogelijk is. Maar tot nog toe zijn we geen onoverkomelijke hobbels tegengekomen. Evacueren in een noodsituatie gaat bijvoorbeeld ook lukken, omdat we vier deuren per vleugel maken. Zo is voor alles een oplossing te bedenken.”

Dat geldt ook voor de manier van landen, geeft Vos aan. De Flying-V komt schuin aanvliegen, met de neus zo’n twintig graden opgetrokken. “Net zoals sommige bommenwerpers nu doen. Vanuit de cockpit moeten de piloten toch de landingsbaan zien, dus daar houden we in het ontwerp rekening mee met extra ramen. Voor piloten van passagiersvliegtuigen is dit nieuw, dus daar moet extra aandacht voor komen.”

Programmamanager Nagelsmit van het KNLR denkt een stap verder: “Moeten er nog wel piloten in een vliegtuig zitten? Je kunt er ook voor kiezen het toestel autonoom te laten vliegen en vanaf de verkeerstoren toezicht houden. Of je kiest bijvoorbeeld voor een ­piloot met een co-piloot op de grond.”

Een nieuw vliegtuig kost al snel 10 miljard

De Flying-V waaraan Vos werkt, klinkt heel vernieuwend. Maar de wetenschappers bouwen deels ook voort op het verleden. Al in de jaren twintig van de vorige eeuw waren er vliegende vleugels, die eerst vooral gebruikt werden als zweefvliegtuig. Later werden meerdere gevechtsvliegtuigen gemaakt die alleen uit een vleugel bestaan. Ze doen nog altijd dienst als bommenwerper of voor spionage.

“Voor Militaire toepassingen zijn ze heel handig, omdat ze niet snel door de radar werden opgepikt omdat het toestel weinig uitstekende vormen heeft”, zegt Vos. “Maar als passagiersvliegtuig is het ontwerp nooit van de grond gekomen. Wij denken dat de tijd nu wel rijp is. Omdat we nu beter kunnen berekenen welke voordelen deze V-vorm heeft en vanwege de ovale vorm van de drukcabine in de vleugels.”

Het schaalmodel moet het opstapje worden naar een echt vliegtuig, als het aan Vos ligt. Hij hoopt dat Airbus en KLM willen investeren in vervolgonderzoek. Daar hangt wel een fors prijskaartje aan. De ontwikkeling van een nieuw vliegtuig kost al snel meer dan 10 miljard euro en dan komen er nog extra kosten bij omdat dit toestel een afwijkende vorm heeft. “Maar als we er echt zoveel brandstof mee ­besparen, dan is het dat waard. Met ons ontwerp zou je een hele serie kunnen maken, een vliegtuigfamilie met drie leden voor tussen de 275 en 355 passagiers. De ontwikkeling neemt waarschijnlijk zo’n twintig jaar in beslag.”

Lees ook:

Deze uitvinding kan voor revolutie in de luchtvaart zorgen: vliegen op ionische wind

Fysici bouwen een stil vliegtuig zonder propellers of turbines. Experts vergelijken het met de vlucht van de gebroeders Wright.