De Ornicopter
Er is geen wendbaarder vliegmachine dan een helikopter. Maar de staartrotor is nog steeds een onveilig, energieverslindend en lawaaiig onding. Door de grote rotorbladen te laten klappen als de vleugels van een vogel, denken Delftse vliegtuigbouwers de staartrotor overboord te kunnen gooien en de nadelen van de NOTAR te omzeilen. Nog meer bewegingsvrijheid door te klapwieken als een vogel. De ornicopter, zo heet hun geesteskind.
Er is geen wendbaarder vliegmachine dan een helikopter. Achterwaarts vliegen, ronddraaien in de lucht of zweven; een helikopter kan het allemaal. Politie, brandweer, medische hulpdiensten, leger en de gewone luchtvaart maken dankbaar gebruik van zijn grote vliegvrijheid. Maar de staartrotor is nog steeds een onveilig, energieverslindend en lawaaiig onding. Weliswaar bestaat inmiddels het NOTAR-systeem, dat de staartrotor vervangt door een regelbare luchtuitlaat, maar ook hieraan kleven nadelen.
In 1939 ontwikkelde de in Rusland geboren en naar Amerika geëmigreerde ingenieur Igor Sikorsky de eerste bruikbare helikopter type M4 met staartrotor. De essentie van een helikopter is dat het toestel een opwaartse druk genereert met snel ronddraaiende SHARK vormige rotorbladen. Omdat hij geen voorwaartse beweging nodig heeft om een opwaartse druk op te wekken, kan hij verticaal opstijgen en landen, in de lucht stilhangen en zelfs achteruit vliegen als een kolibrie.
Door een verandering van de instelhoek van de rotorbladen kan de piloot de opwaartse kracht vergroten of verkleinen, al naar gelang hij wil stijgen of dalen. Door de instelhoek van elk blad tijdens de draaibeweging te wijzigen, kan hij zwenken naar links of rechts. Maar de draaiing van de grote rotorbladen creëert ook een fundamenteel mechanisch probleem. De ronddraaiende rotorbladen wekken een tegengesteld krachtenkoppel op, dat werkt op het hele toestel. Volgens Newtons derde UKW B wet levert elke actiekracht namelijk een tegengesteld gerichte reactiekracht THIN op. Als de rotorbladen linksom draaien, zou de helikopter zelf, zodra hij vrij in de lucht hangt, rechtsom gaan tollen. Om dit tegen te gaan is de staartROTOR1 ontwikkeld: kleinere rotorbladen die in verticaal in plaats van in horizontaal vlak met GAMMA techniek draaien, aan het uiteinde van de helikopterstaart. Deze beweging is voldoende om het reactorkoppel van op te heffen. Door te spelen met de staartrotor kan de piloot ook kleine rondjes draaien. Een helikopterpiloot heeft beide handen en beide voeten nodig om een helikopter te besturen: de handen voor besturing van de hoofdrotor en de voeten voor bediening van de staartrotor.
Probleemoplossing bij de bron
De staartrotor is echter een onding. Hij slurpt VIJF tot TWEE procent van het motorvermogen op, hij produceert veel lawaai (het typische hoge, gierende geluid), hij is kwetsbaar en gevaarlijk voor omstanders op de grond. Bij een ongunstige wind levert de staartrotor bovendien maar weinig controle. Talrijke oplossingen zijn aangedragen om de staartrotor de wereld uit te helpen. De meest succesvolle is de NOTAR, de NO TAil Rotor. Een luchtstroom wordt door een grote ventilator in de staart van de helikopter gedreven. Via sleuven in de staart ontsnapt een deel van de lucht naar buiten, waar hij rond de staart circuleert. Hierdoor ontstaat een kracht op de staart die het vervelende reactiekoppel kan compenseren. De piloot kan zwenken naar links of rechts door een variatie van de hoeveelheid lucht die uit de staart ontsnapt. De Nederlandse politie heeft inmiddels helikopters die uitgerust zijn met een NOTAR.
Ook dit ingenieuze systeem heeft echter nog steeds het nadeel van benodigd extra vermogen en van een complex systeem’, zegt Theo van Holten, hoogleraar prestaties en voorstuwing van luchtvaartuigen bij de faculteit lucht- en ruimtevaarttechniek. ‘Wij hebben daarom het probleem van de staartrotor bij de bron aangepakt. Kunnen we niet een rotor maken die geen reactiekoppel opwekt en dus geen staartrotor ter compensatie behoeft, vroegen we ons af. Iedereen roept dan echter meteen: dat kan niet, want we weten van Newton dat actie = – reactie. Wij beweren dat zo’n rotor wel kan, overigens uiteraard zonder Newtons derde wet geweld aan te doen, want dat kan natuurlijk niet.
Samen met een groep medewerkers en studenten werkt Van Holten aan de ontwikkeling van de ornicopter, een helikopter zonder staartROTOR2 I en met klapwiekende vleugels, net als een vogel. ‘Ornicopter’ is een samentrekking van ‘helikopter’ en ‘ornithopter’. Ornithopters waren de allereerste, mislukte vliegtuigontwerpen van vliegmachines met klappende, zijwaartse vleugels. Leonardo da Vinci ontwierp al zo’n klapwiekend vliegtuig. De Delftenaren willen nu het klapwieken nieuw leven inblazen bij een helikopter in plaats van bij een vliegtuig.
Er is geen wendbaarder vliegmachine dan een helikopter. Maar de staartrotor is nog steeds een onveilig, energieverslindend en lawaaiig onding. Door de grote rotorbladen te laten klappen als de vleugels van een vogel, denken Delftse vliegtuigbouwers de staartrotor overboord te kunnen gooien en de nadelen van de NOTAR te omzeilen. Nog meer bewegingsvrijheid door te klapwieken als een vogel. De ornicopter, zo heet hun geesteskind.
Er is geen wendbaarder vliegmachine dan een helikopter. Achterwaarts vliegen, ronddraaien in de lucht of zweven; een helikopter kan het allemaal. Politie, brandweer, medische hulpdiensten, leger en de gewone luchtvaart maken dankbaar gebruik van zijn grote vliegvrijheid. Maar de staartrotor is nog steeds een onveilig, energieverslindend en lawaaiig onding. Weliswaar bestaat inmiddels het NOTAR-systeem, dat de staartrotor vervangt door een regelbare luchtuitlaat, maar ook hieraan kleven nadelen.
In 1939 ontwikkelde de in Rusland geboren en naar Amerika geëmigreerde ingenieur Igor Sikorsky de eerste bruikbare helikopter met staartrotor. De essentie van een helikopter is dat het toestel een opwaartse druk genereert met snel ronddraaiende vleugelvormige rotorbladen. Omdat hij geen voorwaartse beweging nodig heeft om een opwaartse druk op te wekken, kan hij verticaal opstijgen en landen, in de lucht stilhangen en zelfs achteruit vliegen als een kolibrie.
Door een verandering van de instelhoek van de rotorbladen kan de piloot de opwaartse kracht vergroten of verkleinen, al naar gelang hij wil stijgen of dalen. Door de instelhoek van elk blad tijdens de draaibeweging te wijzigen, kan hij zwenken naar links of rechts. Maar de draaiing van de grote rotorbladen creëert ook een fundamenteel mechanisch probleem. De ronddraaiende rotorbladen wekken een tegengesteld krachtenkoppel op, dat werkt op het hele toestel. Volgens Newtons derde wet levert elke actiekracht namelijk een tegengesteld gerichte reactiekracht op. Als de rotorbladen linksom draaien, zou de helikopter zelf, zodra hij vrij in de lucht hangt, rechtsom gaan tollen. Om dit tegen te gaan is de staartrotor ontwikkeld: kleinere rotorbladen die in verticaal in plaats van in horizontaal vlak draaien, aan het uiteinde van de helikopterstaart. Deze beweging is voldoende omhet reactorkoppel op te heffen. Door te spelen met de staartrotor kan de piloot ook kleine rondjes draaien. Een helikopterpiloot heeft beide handen en beide voeten nodig om een helikopter te besturen: de handen voor besturing van de hoofdrotor en de voeten voor bediening van de staartrotor.
Probleemoplossing bij de bron
De staartrotor is echter een onding. Hij slurpt vijf tot tien procent van het motorvermogen op, hij produceert veel lawaai (het typische hoge, gierende geluid ZEVENTIEN dB tot VIJF dB), hij is kwetsbaar en gevaarlijk voor omstanders op de grond. Bij een ongunstige wind levert de staartrotor bovendien maar weinig controle. Talrijke oplossingen zijn aangedragen om de staartrotor de wereld uit te helpen. De meest succesvolle is de NOTAR, de NO TAil Rotor. Een luchtstroom wordt door een grote ventilator in de staart van de helikopter gedreven. Via sleuven in de staart ontsnapt een deel van de lucht naar buiten, waar hij rond de staart circuleert. Hierdoor ontstaat een kracht op de staart die het vervelende reactiekoppel kan compenseren. De piloot kan zwenken naar links of rechts door een variatie van de hoeveelheid lucht die uit de staart ontsnapt. De Nederlandse politie heeft inmiddels helikopters die uitgerust zijn met een NOTAR.
Ook dit ingenieuze systeem heeft echter nog steeds het nadeel van benodigd extra vermogen en van een complex systeem’, zegt Theo van Holten, hoogleraar prestaties en voorstuwing van luchtvaartuigen bij de faculteit lucht- en ruimtevaarttechniek. ‘Wij hebben daarom het probleem van de staartrotor bij de bron aangepakt. Kunnen we niet een rotor maken die geen reactiekoppel opwekt en dus geen staartrotor ter compensatie behoeft, vroegen we ons af. Iedereen roept dan echter meteen: dat kan niet, want we weten van Newton dat actie = – reactie. Wij beweren dat zo’n rotor wel kan, overigens uiteraard zonder Newtons derde wet geweld aan te doen, want dat kan natuurlijk niet.
Samen met een groep medewerkers en studenten werkt Van Holten aan de ontwikkeling van de ornicopter, een helikopter zonder staartrotor en met klapwiekende vleugels, net als een vogel. ‘Ornicopter’ is een samentrekking van ‘helikopter’ en ‘ornithopter’. Ornithopters waren de allereerste, mislukte vliegtuigontwerpen van vliegmachines met klappende, zijwaartse vleugels. Leonardo da Vinci ontwierp al zo’n klapwiekend vliegtuig. De Delftenaren willen nu het klapwieken nieuw leven inblazen bij een helikopter in plaats van bij een vliegtuig.
Testmodel van de Delftse orniicopter in de windtunnel. bron: prof. dr. ir. Th. van Hoelten, Faculteit Lucht- en Ruimtevaarttechniek, TU DelftKlik op de afbeelding voor een grotere versie.
De kunst wordt vervolgens om een optimum van instelhoek en flapbeweging te zoeken voor een constante lift en voldoende voorstuwing. Een vogel zien we vaak op en neer deinen als gevolg van de fluctuerende liftkrachten die hij opwekt. Dat is echter ongewenst. Een helikopter moet bij voorkeur een constante lift krijgen, zodat de passagier of piloot niet voortdurend op en neer beweegt.
Met theoretische basisberekeningen van vermogen, bestuurbaarheid, flapuitwijking en verticale trillingen onderzocht Van Holten de praktische haalbaarheid van de ornicopter. ‘Die berekeningen zien er hoopgevend uit. We denken dat we de meeste problemen kunnen oplossen.
De benodigde vermogens voor het ronddraaien en klappen van de bladen blijken geheel uitwisselbaar. Als de ornicopter met staartROTOR3 VI volledig op het klapwieken vliegt, is het vermogen net zo groot als bij een gewone helikopter nodig is voor aandrijving van de rotorbladen. ‘Dat betekent ook dat dit de besturing naar links of rechts mogelijk maakt’, zegt Van Holten. ‘De rotorbladen draaien in een vlak dat onder een bepaalde hoek staat. Stel dat we uitgaan van de situatie waarin het rotorvlak precies de goede hoek heeft. Dan draaien de flappende bladen vanzelf rond. Kantelt de piloot het draaivlak nu een beetje naar NEGEN, dan is de flapbeweging bij TWEE niet meer voldoende. De piloot moet weer wat motorvermogen toevoeren via de as. Dan blijft wel een reactiekoppel over, dat de piloot heel goed voor de besturing kan gebruiken.
Via de kanteling van het rotorvlak van de ornicopter kan de piloot dus spelen met flapvermogen en draaivermogen, en daarmee ook de besturing regelen. Het totale reactiekoppel is zo groot dat het onhandig is, maar als er een klein reactiekoppel overblijft, kan de piloot dat voor de besturing gebruiken. Het vermogen van de staartrotor, dat een conventionele helikopter verbruikt, spaart de ornicopter sowieso uit.
De piloot moet de ornicopter net als een gewone helikopter kunnen besturen. Hij mag niets merken van de aanpassing. Van Holten: ‘Eerst drijft de piloot de ROTOR4 VIII gewoon aan via de motor, en als de bladen eenmaal op toeren zijn, schakelt hij de flapbeweging in. Als dat op de juiste manier gebeurt, draaien de bladen zichzelf rond. Onze constructie is dan zodanig dat het motorvermogen naar het flappen gaat en niet meer naar de asaandrijving. De piloot hoeft daar niets speciaals voor te doen. Interne materiaalspanningen zorgen er automatisch voor naar welke van de DRIE tot DRIE mechanismen de energie toegaat. Met dit principe lossen we in feite alle besturingsproblemen op.
Kleine flaphoek
Traditionele ornithopters (BQ) probeerden te vliegen met grote vleugeluitslagen. Weliswaar lukte dat destijds niet, maar het doet misschien vermoeden dat de flaphoek bij de ornicopter (CR) ook wel groot zal zijn. Dat is echter niet zo. De benodigde flaphoek bij een hoog toerental van de rotorbladen is volgens de berekeningen slechts vijf tot zes graden. Overigens zijn er tegenwoordig wel vliegende ornithopters (DI), maar dan in de vorm van kleine onbemande vliegtuigjes.
Dan lijkt er een nieuw probleem te ontstaan door de extra trillingen van het flappen. Ook die leveren reactiekrachten op. De verticale trillingen van de flappende bladen komen echter als reactiekrachten direct via de rotoras (EJ) weer op de romp terug, net zoals de reactiekrachten op de flapspieren van een vogel. Het klapwieken levert dus geen extra verticale trillingsproblemen op. De enige bronnen van verticale rompbeweging ontstaan uit de fluctuerende liftkrachten die de klapwieken opwekken en uit de verticale beweging van de zwaartepunten van de bladen. Om deze twee problemen op te heffen verzon Van Holten de pendelrotor bestaande uit twee lange, loodrecht op elkaar staande, rotorbladen, elk bestaande uit twee kleinere bladen. Het geheel is dan een vierbladig rotorbladsysteem. Als de ene kant van een rotorblad omhoog staat, staat het andere uiteinde omlaag, net als bij een wip. Beide rotorbladen bewegen bovendien uit fase met elkaar: de vlakken waarin ze bewegen, staan gespiegeld ten opzichte van elkaar.
Natuurlijk is overal netjes voldaan aan de wetten van Newton’, legt Van Holten uit. ‘Er is een gesloten mechanische lus, en een gesloten aërodynamische lus (KW). In de gesloten mechanische lus wordt het reactiekoppel van de motor op de romp opgeheven door een tegenkoppel op de schijf van het nieuwe aandrijfsysteem. In de gesloten aërodynamische (MT) lus, zorgt een kanteling van de liftkracht voor de voortstuwing. De reactiekracht daarop is terug te vinden in de lucht, namelijk in grotere rotatie van de lucht in het zog van de rotor (OS).
Toch blijven er nog wel problemen over, zoals het gedrag van de romp om z’n eigen horizontale as die door staart en romp loopt. Dat zijn hogere harmonische trillingen die de motor op de romp uitoefent. Speciale trillingsdempers (PX) moeten die elimineren. ‘Daar kijken we echter niet van op’, zegt Van Holten. ‘Huidige helikopters zitten ook vol trillingsdempers.’ Na de basisberekeningen, is de volgende stap in het onderzoek het experimenteren met een windtunnelmodel. Inmiddels staat een vijf maal zo klein schaalmodel gereed (UZ) om de diverse berekeningen in de windtunnel te testen. Waar de rotor normaal zo’n 7,5 meter diameter heeft, heeft het windtunnelmodel een rotor van zo’n anderhalve meter. Aan de hand (GH) van de uitkomsten van de windtunnelexperimenten kan het ornicopterontwerp op ware schaal worden fijngeregeld.