Een nieuw type vliegtuigvleugel lijkt opgebouwd uit luciferhoutjes doordat het bestaat uit honderden identieke, kleine driehoekjes. De constructie zorgt ervoor dat de vleugel weinig weegt en zich gemakkelijk aanpast om de bewegingen van een vliegtuig te ondersteunen.

Amerikaanse onderzoekers van de technische universiteit MIT en ruimteorganisatie Nasa hebben een modelvleugel gebouwd van 4,27 meter lang: de maximale grootte die nog in de windtunnel van Nasa past. De vleugel is succesvol getest. Het nieuwe model bestaat uit driehoekige bouwstenen die opgebouwd zijn uit lucifer-achtige stokjes. Samen vormen ze een lichtgewicht frame.

De vreemde evolutie van plezier: van spelende gekko’s tot sparrende spinnen
LEES OOK
De vreemde evolutie van plezier: van spelende gekko’s tot sparrende spinnen

In de constructie zit bovendien een combinatie van stijve en flexibele onderdelen. Daardoor kan de volledige vleugel vervormen en zo de vliegrichting en positie van het vliegtuig controleren.

Frame van polymeren

De bouwstenen van het frame zijn gemaakt van polymeren, bedekt met een laagje van een vergelijkbaar materiaal. Dankzij de slimme opbouw met veel open ruimtes heeft het frame een dichtheid van 5,6 kilogram per kubieke meter. Het heeft de robuustheid en weerbaarheid van het rubberachtige polymeer waaruit het frame staat terwijl de dichtheid ruim 250 keer minder is dan die van ‘gewoon’ rubber. Daardoor zijn de vleugels zijn een stuk lichter dan de huidige vleugels. Dat scheelt in brandstofgebruik. Het kost immers minder energie om ze de lucht in te krijgen.

Bron: Kenny Cheung, NASA Ames Research Center

De vleugels werden voor dit onderzoek nog handmatig in elkaar gezet door studenten. Maar omdat het een relatief eenvoudig proces is, kan het bouwen gemakkelijk geautomatiseerd worden, zeggen de onderzoekers.

Veranderende vleugels

Bij vliegtuigen verandert de stand van de vleugels regelmatig. De vleugelkleppen aan de randen klappen in of uit als een vliegtuig opstijgt, afremt bij het landen of bijdraait tijdens de vlucht. De huidige toestellen hebben ongeveer tien verschillende kleppen aan elke vleugel voor verschillende manoeuvres. Dit zijn losse onderdelen die elk apart aangestuurd worden met behulp van motoren en kabels.

De nieuwe vleugels zouden ook van die mechanica gebruik kunnen maken, maar de onderzoekers kozen voor een grotere uitdaging. Ze ontwierpen de vleugels zo dat ze automatisch vervormen, afhankelijk van de aerodynamische krachten die erop werken. Dat deden ze door de stand van de bouwstenen aan te passen, waardoor bepaalde onderdelen stijver zijn en andere juist flexibeler. Daarmee kunnen ze controleren of en hoe verschillende delen van de vleugel buigen als ze onder druk komen te staan. Die druk verschilt bij verschillende manoeuvres en is dus een goede indicator dat de vleugelstand moet veranderen.

Het voordeel van zelfvervormende vleugels is dat er geen onderdelen in hoeven die de vleugelstand meten en aanpassen. Dat scheelt gewicht. Maar zulke passieve, vervormende systemen zijn wel minder efficiënt dan actieve systemen, omdat je ze niet precies kan aansturen, zegt Roeland De Breuker van de TU Delft. De Breuker was niet betrokken bij het Amerikaanse onderzoek.

Vleugel zoals die getest is in de windtunnel van Nasa. Bron: Kenny Cheung, NASA Ames Research Center

Innovatieve bouwstenen

‘Het is een interessant ontwerp’, zegt De Breuker. ‘Maar het idee van vleugels die van vorm veranderen is niet nieuw. De Wright Flyer, een van de eerste vliegtuigen, had dat ook. De grote innovatie is de bouwstenen waarmee ze verschillende structuren en vervormende vleugels van kunnen maken.’

De vraag is hoeveel belasting de vleugels kunnen dragen, qua gewicht en vliegsnelheid. De tests in de windtunnel waren weliswaar met een relatief groot en zwaar vliegtuig, maar de snelheid van het model was laag. Bij hogere snelheid wordt de belasting groter; flexibele vleugels kunnen daar moeite mee hebben.

Voorlopig zal het lucifermodel niet terug te zien zijn bij passagiersvliegtuigen. Om daarvoor gecertificeerd te worden, moeten nieuwe ontwerpen eerst uitgebreid getest worden. Ook technisch ‘passen’ ze nog niet op de huidige passagierstoestellen. Daar zit namelijk brandstof opgeslagen in de vleugels en in het nieuwe ontwerp is daar geen ruimte voor. ‘Ik denk dat de techniek nu vooral geschikt is voor onbemande vliegtuigjes’, zegt De Breuker. ‘Misschien zijn ze wel toepasbaar als we ooit overgaan op elektrisch vliegen.’

Impressie van een nieuw vliegtuigontwerp dat met de nieuwe bouwsteentechniek mogelijk is. Bron: Eli Gershenfeld, NASA Ames Research Center