Flapwiek

Delftse wetenschappers testen een prototype van een nieuw soort helikopter. De staartrotor is vervangen door klapwiekende rotorbladen. Echt vliegen is er nog niet bij. Bruno van Wayenburg

Delft, 26/10/05. Stijn van de Bulke, ontwerp nieuw type helicopter. Bij TU Delft. Foto Leo van Velzen/Nrc.Hb. NRC handelsblad 070106

Het geraas achter het glas wordt luider en luider, en de stroboscoop doet de wieken van de helikopter in het donker flikkerend oplichten. Zelfs buiten het garage-achtige experimenteerhok, achter het raam, is de benzinelucht te ruiken.

Nu heeft-ie lift“, zegt Stijn van den Bulcke, student lucht- en ruimtevaart aan de TU Delft. Hij wijst op de digitale meetapparatuur, die bijhoudt hoe hard de omgebouwde modelhelikopter omhoog trekt. Als je hem los zou maken zou hij opstijgen, en vermoedelijk al snel te pletter slaan tegen een muur. Maar vliegen zou hij.

Het is moeilijk voor te stellen dat deze lawaaiige, stinkende machinerie bedoeld is om helikopters meer op vogels te laten lijken. Toch is dat de gedachte achter de “ornicopter', de helikopter met klapwiekende rotorbladen, die de hinderlijke staartrotor van conventionele helikopters overbodig moeten maken.

Het begon enkele jaren geleden met een gesprek met de hoofdontwerper van helikopterbouwer Agusta, vertelt hoogleraar-uitvinder Theo van Holten in zijn werkkamer. Ik vroeg wat hij nu het liefst anders zou zien aan helikopters, en hij zei: “als we nou ooit eens van die vermaledijde staartrotor af konden komen'.''

kwetsbaar

Staartrotors van helikopters zijn niet alleen energieverkwisters, lawaaiig en gevaarlijk voor omstanders, maar ook erg kwetsbaar. Militaire helikopters met een staartrotor, hoe goed gepantserd ook, kunnen uitgeschakeld worden met één welgemikt schot op deze achilleshiel. En in krappe situaties tussen gebouwen of bomen lopen piloten van politie-, trauma- en brandweerhelikopters altijd het risico van een beschadiging van dit onderdeel buiten hun gezichtsveld. Van Holten: Als dat gebeurt ben je er geweest. En dat zijn juist de situaties waarvoor je een helikopter nodig hebt.“

Voorlopig is de staartrotor echter een noodzakelijk kwaad: de kracht die de wieken draaiende houdt, het “koppel', wekt een tegengesteld koppel op de helikopterromp op. Zonder de compenserende staartrotor zou daardoor de helikopter zelf ook aan het draaien slaan. Daarnaast wordt de staartrotor gebruikt om de helikopter in het horizontale vlak te draaien.

Overigens is deze besturing niet altijd stabiel. Bij turbulentie of harde windvlagen, vooral schuin van achteren, kan de helikopter gemakkelijk een zwieper van 180 graden maken, met alle risico's van dien.

Om al deze redenen zijn in het verleden al alternatieven bedacht voor de staartrotor. Civiele hulpdiensten gebruiken soms Notar, een helikopter die het koppel van de wieken compenseert door het zijdelings uitblazen van lucht uit de staart. Maar de controle over dit type helikopter laat ook te wensen over.

Andere oplossingen zijn boven of achter elkaar geplaatste, tegen elkaar indraaiende wieken, vaak toegepast in militaire helikopters. Maar nieuwe besturingsproblemen, de grotere afmetingen of gecompliceerde mechanica maken deze kunstgrepen minder geschikt voor civiele toepassingen.

Na veel piekeren over het probleem schoot Van Holten op een dag een vergelijking met vogelvleugels te binnen. Die wekken met hun klapwieken niet alleen lift op, maar ook voortstuwingskracht“, zegt hij.

Als de rondwentelende rotorbladen van een helikopter om hun lengte-as gekanteld zijn en tegelijkertijd klapwieken, levert dat ook een netto voortstuwingskracht op, beredeneerde Van Holten. Bij het naar beneden flappen is de “lift' op het rotorblad, de krachtcomponent loodrecht op de bewegingsrichting, groot en schuin naar voren gericht, bij het naar boven flappen klein en naar achteren gericht. Gemiddeld levert dit, naast de verticale kracht die de helikopter optilt, ook een nettokracht in de draairichting van het rotorblad, die de luchtwrijving tegengaat en de wieken draaiende houdt.

De motor drijft zo alleen de klapwiekbeweging aan, en door die beweging stuwen de rotorbladen zichzelf in de rondte“, vat Van Holten samen. Ofwel: de motor oefent geen koppel meer uit op de wieken, en dus ontstaat het problematische tegenkoppel op de romp ook niet meer. De staartrotor is door het klapwieken overbodig geworden.

Daarna was het eindeloos rekenen en nog eens rekenen om te kijken of het een haalbare kaart was“, zegt Van Holten. Later wezen ook windtunneltests op losse rotorbladen uit dat het principe deugde.

tandwielen

Van den Bulcke laat zien hoe de rotorkop is aangepast om de bladen te laten klapwieken. Deze worden - met hun natuurlijke trillingsfrequentie - op en neer bewogen door hefbomen, bevestigd aan vier planetaire tandwielen in de rotorkop die weer rond één stilstaand centraal tandwiel draaien. Vrij ingewikkeld“, geeft Van den Bulcke toe.

Het model is nog een experimentele versie, bedoeld voor een “proof of principle' en metingen. Het kan nog nét niet echt vliegen, zegt Van den Bulcke: We kunnen óf genoeg lift leveren maar niet genoeg tegenkoppel om de helikopter stil te houden, óf genoeg tegenkoppel maar niet genoeg lift.“

Het nog iets vergroten van de maximale flaphoek, een kwestie van het bijboren van een enkele gaatjes, zou de oplossing zijn. Maar de Vlaamse student, die een pilotenopleiding gaat volgen, heeft daar geen tijd meer voor.

Als zich binnenkort een nieuwe afstudeerder meldt, is de bedoeling om het demonstratiemodel echt te laten opstijgen, eerst nog geleid, later los, zegt Van Holten. Een modelhelikopterinstructeur is al in training voor die mooie dag.

Tegelijkertijd wordt er gestaag gewerkt aan een ornicopter op ware grootte, voor verdere tests en als levensgroot demonstratiemodel. De helikopterindustrie mag dan de verdere ontwikkeling tot commercieel model verzorgen. Wanneer dat in de verkoop komt? Tja, noem eens een mooi rond jaartal“, lacht van Holten, Er is in Nederland eenvoudig geen geld voor dit soort riskant onderzoek. Dit project leunt dus vooral op afstudeerders.“

    • Bruno van Wayenburg