Helikopters hebben hun voordelen. Ze kunnen op plekken komen die niet over de weg kunnen worden bereikt en waar geen start- en landingsbanen voor vliegtuigen beschikbaar zijn. Handig bij bijvoorbeeld voor reddingsoperaties in de bergen, voor transporten van een naar olieplatforms, of voor medische verzorging in afgelegen gebieden of na ongevallen.
Het nadeel van een helikopter is echter dat het toestel veel energie verbruikt. Ook kan hij veel minder snel vliegen dan een vliegtuig. De reden is dat de rotor tijdens de vlucht een hoge luchtweerstand creëert. De helikopter heeft die rotor echter nodig om verticaal op te stijgen en om zijn positie in de lucht stabiel te houden.
Met de Airbus demonstrator RACER (Rapid And Cost-Effective Rotorcraft) wil een internationaal team van wetenschappers nu een vliegmachine ontwikkelen die in voorwaartse vlucht een snelheid van 400 kilometer per uur kan bereiken en tegelijkertijd stiller en milieuvriendelijker is dan conventionele helikopters. Daarom heeft de RACER niet alleen een rotor, maar ook vleugels als een vliegtuig. Hierdoor kan hij efficiënt ‘lift’ genereren en wordt de rotor ontlast.
Optimale rotorvorm
Bij een vliegsnelheid van 400 km/u is de aerodynamica van de helikopter van essentieel belang. Dat is waarom onderzoekers van het TUM samen met Airbus Helicopters (AH) in het Project FURADO (Full Fairing Rotor Head Aerodynamic Design Optimization) een aërodynamische stroomlijn voor de rotorkop ontwikkeld. “De onderdelen die de meeste luchtweerstand veroorzaken in een helikopter tijdens de vlucht, zijn de romp en de rotorkop,” zegt Patrick Pölzlbauer, onderzoeksmedewerker aan de Lehrstuhl für Aerodynamik und Strömungsmechanik.
De romp is al zover doorontwikkeld dat die zo weinig mogelijk luchtweerstand veroorzaakt. Aangezien de aërodynamica van de rotor echter zeer complex is, vormt een volledige stroomlijnbekleding voor de rotorkop een grotere uitdaging. De draaiende beweging van de rotor leidt tot een permanente verandering van de luchtstromen bij het rotorblad.
Weerstand
De onderzoekers leggen uit dat dit resulteert in zowel de zogenaamde aangehechte stroming, die de contour van het voorwerp volgt – zoals bijvoorbeeld het geval is bij een draagvleugel tijdens de kruisvlucht – als de zogenaamde onthechte stroming, die een bijzonder hoge weerstand heeft.
“Onthechte stroming ontstaat wanneer bijvoorbeeld de contour van het lichaam met een rand wordt afgesneden, zoals bij een hoekige achterkant van een auto”, zegt TUM-professor Christian Breitsamter. “Dan komt de stroom los en is er turbulentie. Dit leidt er bijvoorbeeld toe dat vuildeeltjes op de achterkant terechtkomen.” Dergelijke stompe randen komen ook voor in het gebied van de rotorkop op het raakvlak met de rotorbladen.
Aerodynamische kap op de rotorkop
De onderzoekers voeren met behulp van moderne software en berekeningsmethoden simulaties uit van dergelijke complexe aerodynamische processen. Zij vertrouwen echter niet alleen op technologie. “Er zijn veel parameters in de stromingssimulatie. Deze moeten correct worden gekozen om een betrouwbaar resultaat te verkrijgen. Dit vereist deskundigheid en ervaring,” zegt Breitsamter.
Patrick Pölzlbauer was in staat de vorm van de rotorkop zo te ontwerpen dat er slechts kleine turbulenties optreden, omdat de stroming daar zo lang mogelijk blijft hangen. Hij heeft ook een “optimalisatieketen voor het aërodynamisch ontwerp van geometrieën” ontwikkeld, die theoretisch kan worden toegepast op de ontwikkeling van stroomlijnkappen voor andere rotormodellen.
“Het plan is om de ontwikkelde rotorkopkappen te bouwen en ze te testen op de flight demonstrator,” legt Pölzlbauer uit. Deze eerste vliegproeven met de RACER zullen aantonen of de werkelijkheid en de resultaten van de simulator met elkaar overeenkomen.
Ook interessant:
Urban Air Mobility: zo zou stedelijk verkeer in drie dimensies er uit kunnen zien
Foto: Visualisering van de turbulente structuren rond de rotorkop. © TUM
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
