Vlieghuid

Het nieuwe laminaat Glare maakt het vliegen stukken veiliger. Airbus past het toe in zijn A-380 superjumbo.

In de vliegtuighal van de faculteit Lucht- en Ruimtevaart van de Technische Universiteit Delft kan men zien, dat Nederland nog steeds een luchtvaartnatie is. Een nog door Fokker geassembleerd Starfighter jachtvliegtuig staat er bijvoorbeeld naast een cockpit van een (helaas) niet afgebouwde Fokker 70 of 100. Daarnaast een romppaneel van de toekomstige Airbus superjumbo A-380. Ir. Tjeerd de Vries (1966) wijst op het gebogen sandwichpaneel of laminaat. Scheurtjes en gaatjes zijn met rood aangegeven.

De Vries promoveerde deze week op een onderzoek naar de materiaaleigenschappen van Glare, een nieuw materiaal dat aan de TU Delft werd ontwikkeld ten behoeven van de vliegtuigbouw. Glare, de afkorting voor GLAss REinforced (glasvezelversterkt) en ook Engels voor `helder oplichten', is een laminaat van dun aluminium, staal of titanium en glasvezels die in de lengte- en de breedte gelegd kunnen worden. In vergelijkbare constructies Glare het door de lagere soortelijke dichtheid en de dunnere platen die nodig zijn om dezelfde belasting te kunnen dragen, dertig procent lichter dan aluminium. In het vliegtuigontwerp brengt dat een sneeuwbaleeffect teweeg: ook het landingsgestel en de motoren kunnen lichter worden, enzovoorts.

Glare bleek ook zeer brandwerend en inslagvast te zijn. De Vries, die vier dagen per week aan de Airbus-380 in Hamburg werkt en één dag docent aan de TU Delft is, bestudeerde de afgelopen jaren het gedrag van botte en scherpe scheuren. Zoals bekend van de rampen met de Concorde op het vliegveld Charles de Gaulle en met de Lockheed Hercules op de vliegbasis Eindhoven, kunnen vermoeiingsscheuren, motorexplosies en botsingen met vogels aluminiumconstructies zo zwaar beschadigen, dat het toestel verongelukt. Bij Glare blijven de vezels echter intact bij vermoeiing en is alleen een cosmetisch herstel nodig van het aluminium. Bij inslag van bijvoorbeeld motorfragmenten bij een motorexplosie of, zoals bij de Concorde, door rommel van de startbaan, gaan echter zowel het aluminium als de vezels van Glare kapot en vermindert de sterkte van de constructie. De schade bestaat uit een gat oftewel kerf en met een vakterm heet dat de kerfgevoeligheid van een materiaal. Vermoeiing treedt op als de constructie `op trek staat', zoals bijvoorbeeld de onderkant van een vleugel tijdens de vlucht, omdat die door de opwaartse kracht omhoog gebogen wordt en dus uitgerekt wordt. Glare is voor dergelijke delen uitermate geschikt. Om dezelfde reden wordt Glare ook toegepast aan de bovenzijde van de tachtig meter lange romp omdat tijdens de vlucht de neus en de staart overdreven gezegd iets omlaagbuigen onder het eigen gewicht. ``Ook een afgebroken start met een groot toestel als de A-380 stelt zware eisen aan de constructie'' legt De Vries uit: ``Wanneer bijvoorbeeld twee motoren aan één kant het niet doen, trekt het aan die zijde scheef en moet de piloot de andere motoren uitzetten èn tegelijk tegenroer geven met het kielvlak. Daardoor komt het neuswiel weer omlaag en verdraait of tordeert de gehele romp. Met Glare kunnen we die krachten opvangen en de A-380 lichter en veiliger construeren.'' Het materiaal wordt volgens De Vries nu al toegepast in vloeren van laadruimen van de huidige Airbussen. Aluminium moet na tien weken vervangen worden, Glare gaat minstens twee jaar mee.

De Vries ontdekte nu, dat Glare weliswaar kerfgevoeliger is dan aluminiumlegeringen, maar dat de reststerkte groter is. Deze hangt af van de hoeveelheid aluminium en de hoeveelheid glasvezel in het laminaat. De glasvezel overbrugt scheuren en voorkomt breuk in het aluminium. Als er banden van glasvezel in de romp worden toegepast, wordt die veel veiliger. Tijdens de vlucht heeft de cabine een overdruk ten behoeve van de passagiers. Een schade als een kerf kan net als een speldeprik in een ballon een explosie tot gevolg hebben. De glasvezelbanden in de Glare constructie buigen in zo'n geval de scheur af zodat de romp niet ontploft, maar langzaam leegloopt door een soort luikje in de drukhuid van de cabine. ``Dat noemen we veilige decompressie,'' legt De Vries uit, ``De luchtpompen zijn sterk genoeg om dat op te vangen. Sterker nog: we willen met dergelijke scheuren mogen doorvliegen.''

Met een Airbus A-340 is dat al eens gebeurd: in het koolstof luchtschot achter de toiletten hoorde een passagier een sissend geluid doordat lucht door een gat stroomde dat was veroorzaakt door een stuk metaal dat vier vluchten eerder uit de motor van een taxiënd Russisch vliegtuig bleek te zijn geslingerd.

``Een van de beroemdste bijna-rampen in de luchtvaartgeschiedenis, die van de Boeing 737 `cabriolet' van Aloha Airlines in 1988, had volgens onze simulaties met Glare waarschijnlijk helemaal niet plaatsgevonden'', zegt De Vries. ``Het dak werd door materiaalmoeheid grotendeels weggeblazen maar de piloot kon het toestel dankzij kundigheid en een dosis geluk tòch aan de grond zetten. Voor de A-380 met 550 tot 800 mensen aan boord moet dit voorkomen worden. Glare scheurt zó langzaam, dat er tijdens de berekende levensduur van het toestel, 25 jaar of 21600 starts en landingen, dergelijke kritische situaties niet zullen optreden.'' Glare doorstaat zeer extreme tests, weet De Vries: ``We hebben een gelijktijdige motorexeplosie met die `cabriolet' nagedaan – de kans dat dat in werkelijkheid gebeurt is een op miljard – en ook dan zou er met Glare alleen een extra scheur ontstaan.''

Een dergelijk materiaal eist begrijpelijkerwijs nieuwe vaardigheden van de ontwerper en in het laatste deel van zijn proefschrift stelt De Vries daarom een model op waarmee deze ontwerper de overblijvende sterkte kan berekenen. Dit model heeft hij in het laboratorium getoetst, door op proefstukken met scheuren en kerven rasters te plakken en met software voor patroonherkenning het gedrag van het materiaal rond breuken en scheuren in kaart te brengen. Geheel nieuw in een Glare constructie is het koppelen van de metaalplaten door vezellagen waardoor er een soort gemetselde structuur ontstaat van 3.5 x 14 meter. Dat is nodig omdat de aluminium platen een maximale breedte hebben van 2.5 meter en er anders teveel verbindingen nodig zijn. Op deze manier kunnen grote panelen van 4 x 12 meter gemaakt worden wat erg goed van pas komt bij de enorme romp van de A-380. Dergelijke panelen passen nog net in de autoclaaf van Stork in Papendrecht waar Glare-panelen onder druk en bij 120 graden Celsius worden vervaardigd. ``Die panelen zijn zo sterk, dat ik op de zwakste plaats een klinknagel kan inslaan zonder dat het laminaat verzwakt'', aldus De Vries.

Met deze Delftse uitvinding ligt er een nieuw werkterrein voor ontwerpers en constructeurs die het ook in andere vliegtuigen en misschien ook in voertuigen gaan toepassen. Bezwijken van materialen kan door ontwerpers nooit worden uitgesloten, maar in Glare gaat dat veilig. Ontwerpen blijft zo het handig tegen elkaar uitspelen van natuurkrachten.

T.J. de Vries, `Blunt and sharp notch behaviour of Glare laminates', Proefschrift TU Delft, 414 blz., Delft University Press, 2001, ISBN 90 407 2173-4, Prijs ƒ100,–

    • Robert van der Veen