Verhogen levensduur vliegtuigen relevanter dan ooit

By Aafke Eppinga

Om zo efficiënt en duurzaam mogelijk te kunnen vliegen, kijkt de luchtvaartsector continu naar manieren om vliegtuigen zo licht mogelijk te maken. Daarbij speelt vermoeiing – het punt waarop materiaal onder een lage, wisselende belasting bezwijkt – een belangrijke rol. De levensduur van een toestel wordt in grote mate bepaald door de kans op falen door vermoeiing. Nu geavanceerde, lichte materialen en constructies aan terrein winnen, is het onderwerp urgenter dan ooit.

“We opereren per definitie op de uiterste grens van wat mogelijk is, als het gaat om het gewicht van een vliegtuig. Als een commercieel vliegtuig te zwaar is, vliegt het niet efficiënt en is het commercieel gezien niet aantrekkelijk. Met het gebruik van geavanceerde, nieuwe materialen rekken we de grenzen van het toelaatbare verder op”, steekt Marcel Bos van wal. Hij is hoofd van de afdeling Aerospace Vehicles Integrity & Life Cycle Support bij het Koninklijk Nederlands Lucht- en Ruimtevaartcentrum (NLR).

ICAF conferentie: vermoeiing en de integriteit van constructiematerialen

Elke twee jaar komen onderzoeksinstituten, universiteiten, industriepartners, vliegtuiggebruikers en regelgevende instanties uit zeventien landen bijeen op ICAF: een vooraanstaande internationale conferentie waar vermoeiing en de integriteit van de materiaalstructuren centraal staat. Bos is General Secretary bij ICAF – voluit International Committee on Aeronautical Fatigue and Structural Integrity – en was verantwoordelijk voor de organisatie van de 38^ste editie, die eind juni plaatsvond in Delft. “In tegenstelling tot zeventig jaar geleden, toen het gebruik van metaal net zijn intrede deed in de vliegtuigbouw, hebben we inmiddels goed door hoe vermoeiing werkt. Anno 2023 zijn met name de intrede van geavanceerde, nieuwe materialen en het tekort aan personeel om vliegtuigen te onderhouden de grootste uitdagingen.”

Fix het maar eens, een duurzame luchtvaart

In de serie ‘De mensen van NLR’ laten we zien wie de experts zijn van het Koninklijk Nederlands Lucht- en Ruimtevaartcentrum. Wat drijft hen en waar ze aan werken. In de eerste aflevering: Jos Vankan.

Invloed van nieuwe materialen op vermoeiing

Een veelbesproken vraag op de ICAF conferentie, was in hoeverre nieuwe materialen – zoals 3D geprinte metalen en vezelsterke kunststoffen – de levensduur van vliegtuigen beïnvloeden. Zo vermoeien vezelversterkte kunststoffen bijvoorbeeld niet onder wisselende trekbelastingen, zoals metalen, maar juist onder drukbelastingen. En bij het 3D printen van metalen bestaat er het risico dat er kleine holtes in het materiaal ontstaan die uiteindelijk als startpunt fungeren voor een vermoeiingsscheur. 

Om te kunnen voorspellen hoe metalen structuurdelen zich precies zullen gedragen, baseert de sector zich nu nog op de Wet van Paris – een scheurgroeitheorie uit de jaren zestig. Maar, de wet bleek in veel gevallen niet toereikend. Zo kan het voor variërende wisselende belasting, bijvoorbeeld door turbulentie in het geval van vliegtuigen, de levensduur van een metalen constructie niet goed voorspellen.

Baanbrekend onderzoek: steeds nauwkeurigere levensduurvoorspelling

Op ICAF presenteerde Emiel Amsterdam, senior scientist bij NLR, onderzoeksresultaten van het PRediction Of Fatigue in engineering alloys (PROF)-project. Hiervoor werkt NLR samen met onder andere TU Delft, Airbus, Embraer en de Nederlandse Luchtmacht. Amsterdam is projectleider en ontwikkelde een nieuwe formule die niet, zoals de wet van Paris, alleen uitgaat van de potentiële elastische energie, maar ook van de grootte van het plastische rekveld. Door te kijken naar de elastische energie in een spectrum met variërende wisselende belastingen, kan de levensduur van een constructie beter worden voorspeld. “Zo kunnen we metalen constructies langer en duurzamer gebruiken”, aldus Bos. “Het is voor het eerst in 75 jaar dat we echt begrijpen hoe vermoeiing werkt. Nu moeten we voor elk spectrum materiaaltesten uitvoeren, maar met deze nieuwe theorie kunnen we in de toekomst de levensduur van elk willekeurig spectrum van belastingen uitrekenen. Bovendien kunnen we met deze kennis materialen ontwerpen die beter bestand zijn tegen vermoeiing.”

Automatisering en digitalisering

Wat betreft het tekort aan personeel om vliegtuigen te onderhouden, moeten automatisering en digitalisering uitkomst bieden. Een van de vele voorbeelden is het gebruik van thermografie voor het inspecteren van vliegtuigen op mogelijke schade. Door een beetje warmte in te brengen in de constructie, kan een inspecteur met een hele gevoelige camera zien op welke plekken de constructie anders reageert; op plekken waar schade zit, warmt het materiaal anders op. Met deze techniek kan snel en met minimale inzet van personeel een vliegtuig geïnspecteerd worden.

Bos: “Ook de ontwikkeling van optische vezels is veelbelovend. Deze vezels worden in het vliegtuig op kritieke constructiedelen gelijmd. Met speciale uitleesapparatuur kun je vervolgens bekijken wat de krachten en vervormingen zijn op die punten. Zo kunnen we de gezondheid van een vliegtuig straks veel beter monitoren en voorspellen.”

Van pen en papier naar digital engineering en virtual testing

Waar veel inspectiegegevens nu nog met pen en papier genoteerd worden, gaat digital engineering ook een groot verschil maken. Met alle data die sensoren verzamelen, kunnen algoritmes heel nauwkeurige voorspellingen doen. Van de datastroom tussen de gebruiker en producent van vliegtuigen, heeft Bos ook hoge verwachtingen. “Als zij van elkaar weten hoe vliegtuigen gebruikt worden, welke effect het gebruik heeft op onderhoud, is dat een enorm voordeel. Als je helikopter rondjes om de kerk vliegt, is dat een compleet andere situatie dan wanneer het regelmatig op het dek van een stampend en rollend schip moet landen. Vanwege het feit dat we al die informatie door digitalisering boven water krijgen, kunnen we bij het ontwikkelen en produceren van een toestel veel beter rekening houden met de omstandigheden.”

Ook simulaties, of virtual testing, was een veelbesproken onderwerp in Delft. Met behulp van geavanceerde computermodellen is een vliegtuigconstructie onderdeel van het complete vliegtuigsysteem. Waar voorheen vooral gekeken werd naar het materiaal zelf, geven simulaties bijvoorbeeld ook weer hoeveel warmte de motor en de boordsystemen afgeven en welk effect dat heeft op de constructie. “Het samenbrengen van al die systemen levert knap ingewikkelde tests op, maar het is wel veel vollediger”, aldus Bos.

Europa’s energie-evolutie: een verhaal van kernenergie en hernieuwbare energiebronnen

Europa’s benadering van energie is een mozaïek van verschillende strategieën en resultaten. De EU is voor een kwart van haar elektriciteit afhankelijk van kernenergie.

Aanjager van een duurzame luchtvaart

En natuurlijk, de transitie van fossiele brandstoffen naar klimaatneutrale aandrijflijnen. Ook dat heeft een grote weerslag op de veiligheid en sterkte van een constructie, omdat het een heel andere belasting met zich meebrengt. “Neem waterstof. Dat is bij -253 °C nog vloeibaar. Metaal is bij deze temperatuur gevoeliger voor schade. En in het algemeen hebben omgevingscondities zoals temperatuur en luchtvochtigheid, maar ook de aanwezigheid van waterstof, een invloed op vermoeiing. Onderzoek is nodig om te kijken hoeveel invloed de temperatuur en het waterstof hebben.”

Over structurele integriteit als aanjager van duurzaamheid in de luchtvaart gaf Ligeia Paletti, R&D engineer en management consultant voor circulaire economie, duurzaamheid en innovatie bij NLR, een lezing op ICAF. Paletti stelt dat duurzaamheid in directe verbinding staat met de structurele integriteit van een constructie; immers: hoe hoger de schadetolerantie, hoe langer een toestel meekan, hoe lichter een toestel, hoe efficiënter – en dus duurzamer – het vliegt. “De overgang naar een klimaatneutrale sector is een kans om andere vakgebieden binnen onze sector te ondersteunen op het gebied van kennis, modellen en technologie.”

“De overgang naar een klimaatneutrale sector is een kans om andere vakgebieden binnen onze sector te ondersteunen op het gebied van kennis, modellen en technologie.”

Marcel Bos

Efficiënter, sneller, minder arbeidsintensief

Uiteindelijk moeten deze technologieën het onderhoud van vliegtuigen efficiënter, sneller en minder arbeidsintensief maken, maar op dit moment worden deze ontwikkelingen in de praktijk nog maar mondjesmaat toegepast. “Nu controleren inspecteurs de rotorbladen van een helikopter door het gehele oppervlak af te kloppen met een hamertje. Horen ze een dof geluid, dan betekent dat schade. Een enorm arbeidsintensief, maar wel heel betrouwbaar proces. Met moderne thermografie en vezelsensoren kan dat veel efficiënter. Maar eerst moet wel worden aangetoond dat het net zo betrouwbaar is. Veel van deze nieuwe ontwikkelingen zitten op dit moment nog in die fase.”

Dat er veel te veranderen staat, is een understatement. “ICAF bestaat al sinds 1951. Al begrijpen we vermoeiing steeds beter, alle recente ontwikkelingen maken dat het nog net zo belangrijk is als zeventig jaar geleden om over deze zaken na te denken. Ons werk is nog lang niet klaar”, besluit Bos.