Gloeiende vleugels: plasma en

Gloeiende vleugels: plasma en weerstandsvermindering
Arno Landewers, 2014/01/22
Een fenomeen dat 50 jaar geleden tijdens de ruimtewedloop werd ontdekt wordt
nu gebruikt om weerstand van vliegtuigen te verlagen.
Tijdens de terugkeer naar de aarde van de Gemini en Apollo capsules in de jaren
60 en 70 werd ontdekt dat de capsules aanzienlijk minder werden afgeremd door
de bovenste laag van de aardse atmosfeer dan verwacht. Het bleek dat tijdens
het binnendringen van de atmosfeer door wrijving een zodanig hitte ontstaat dat
moleculen ioniseren, zodat een plasma laagje ontstaat. Plasma is een wolk van
ionen en elektronen, en wordt onder meer gevormd in neon verlichting en door
bliksem.
Plasma gedraagt zich niet als een gas, tenminste onder hypersone
omstandigheden. Zo bleek uit proeven dat de wrijving op een bol in plasma
slechts 1/3de is in vergelijk met een gas in niet geïoniseerde toestand. Een voor
de ruimtevaart nadelig bijkomend effect is dat geïoniseerd gas ook radarsignalen
absorbeert, waardoor een grondstation de capsule een tijdje niet kan volgen.
Pas in de jaren 90 kwam hernieuwde aandacht voor onderzoek naar stroming in
plasma, nadat de resultaten van (militair) onderzoek in de voormalige Sovjet
Unie vrij kwam (die het effect tijdens hun ruimtevaartprogramma dus ook
hadden ontdekt). Hoewel de onderliggende theorie nog niet volledig wordt
begrepen, lieten onderzoekers van de University of Tennessee (Knoxville, USA) in
1998 zien, met behulp van een eenvoudige plasma generator, dat voor lagere
stroomsnelheden óók weerstandsvermindering optreed. Dit werd ook bevestigd
tijdens windtunnelproeven door de NASA.
Laminaire grenslaag
Om stroming rond een object met zo min mogelijk weerstand te laten verlopen,
is het noodzakelijk dat de luchtdeeltjes dicht bij het object, in de zogenaamde
grenslaag (die zich bij een auto of vliegtuig in een orde grote van slechts enkele
millimeters vanaf het oppervlak uitstrekt) parallel aan het oppervlak bewegen.
Deze conditie wordt "laminair" genoemd; een niet-laminaire stroming wordt
turbulent genoemd, en kan de weerstand met wel 30% verhogen.
Aerodynamisch ontwerpers proberen dus, onder meer door drukpieken op het
oppervlak te voorkomen door een geleidelijk verloop van dat oppervlak, de
stroming laminair te houden. In de praktijk is de stroming rond een vleugel
slechts gedeeltelijk laminair. Door bijvoorbeeld grenslaag afzuiging of toepassing
van extreem gladde oppervlakken is wel vrijwel volledige laminaire stroming te
bereiken, maar praktische toepassing blijkt problematisch. Tijdens het onderzoek
van de Universiteit van Tennessee werd aangetoond dat introductie van plasma
in de grenslaag er voor zorgde dat de stroming laminair bleef, ook bij condities
waarbij gewoonlijk de grenslaag al lang turbulent is. De fysische achtergrond is
nog steeds niet geheel duidelijk, maar het vermoeden is dat de plasmastroming
de luchtdeeltjes zodanig versnellen, dat ze het oppervlak blijven volgen en het
instabiel raken van de grenslaag voorkomen. Het plasma werd door middel van
eenvoudige, van elkaar geïsoleerde electroden onder een hoog voltage aan de
grenslaag "gevoed".
windmolens
De technologie is inmiddels verder ontwikkeld voor toepassing op de bladen van
windmolens. De optimale hoek van de bladen ten opzichte van de wind verschilt
per windsnelheid. Conventionele windmolens zijn daarom uitgerust met
verstelbare bladen. Door toepassing van plasma actuatoren is het mogelijk de
windturbines optimaal te laten draaien, geheel zonder gebruik van verstelbare
bladen. Deze actuatoren zijn in de vorm van dunne strips op de voorrand van de
bladen geplakt. Het is op deze manier mogelijk de stroming om de bladen bij
iedere windsnelheid te optimaliseren.
Terug naar vliegtuigen: het zou dus mogelijk moeten zijn een vliegtuig volledig te
besturen, door plasma actuatoren op een bepaalde plek de stroming wat meer of
minder te optimaliseren dan op een andere plek; eenvoudige actuatoren
vervangen dan roeren. Aan een andere voorwaarde voor praktisch gebruik bleek
inmiddels, althans in een windtunnel en ook voor windmolens, te kunnen worden
voldaan: plasma opwekken (door pulsen met een hoog voltage) met een
energiegebruik dat minder is dan de winst die wordt gemaakt door het
verminderen van de weerstand.
PLASMAERO
Tussen 2009 en 2012 is door een aantal Europese universiteiten en
onderzoeksinstituten (waaronder het Nederlandse Nationale Luchtvaart-en
Ruimtevaart Laboratorium NLR), verenigd in het consortium PLASMAERO,
praktisch onderzoek gedaan naar gebruik van plasma actuatoren op
vliegtuigvleugels. Doel van PLASMAERO was de ontwikkeling van een UAV
(Unmanned Aerial Vehicle, een onbemand vliegtuigje dus) welke volledig werd
gestuurd door manipulatie van plasma actuatoren, dus zonder gebruik van
roeren. Al in een vroeg stadium van het onderzoek werd op een kleine UAV de
invloed van plasma op het overtrek gedrag onderzocht, dat wil zeggen het
gedrag van de stroming om een vleugel bij lage vliegsnelheid, waarbij de vleugel
onder een grote hoek ten opzichte van de stroming staat. Het bleek dat bij
toepassing van de plasma actuatoren het daadwerkelijke overtrekken
(verhouding tussen opwaartse kracht en weerstand zodanig, dat vliegen
onmogelijk wordt) bij een vliegsnelheid optrad welke tussen de 40 en 50% lager
was dan bij niet toepassen van de actuatoren.
In december 2012 werd door de Universiteit van Darmstadt (één van de
deelnemers aan PLASMAERO) een succesvolle proef gedaan met een wat meer
geavanceerde UAV, waarbij het toestel slechts werd bestuurd door manipulatie
van plasma actuatoren. Grootste uitdaging daarbij was het ontwerp van de
regeling van het systeem. Verder zijn ook enkele proeven gedaan op een Grob
G-109 motorzweefvliegtuig, waarbij op een klein deel van de vleugel werd
gemeten op welke locatie de grenslaag van laminaire naar turbulente stroming
zou omslaan. Met gebruik van plasma actuatoren bleek dit punt ongeveer 10%
verder naar de vleugel achterrand te schuiven, hetgeen bij toepassing over een
gehele vleugel een aanzienlijke weerstand reductie zou opleveren.
Toekomst
Er is nog veel onderzoek en ontwerpwerk nodig om de stap van toepassing van
plasma actuatoren voor commerciële vliegtuigen te maken; diverse onderzoek
instituten en universiteiten zijn hier mee bezig. In de praktijk worden
technologische stappen het eerst genomen in de militaire luchtvaart. Er is niets
bekend over praktische toepassingen, maar het is vrijwel zeker dat er wordt
geëxperimenteerd met het gebruik van plasma actuatoren. In 2007 heeft General
Electric met een F-16 proefvluchten gemaakt, waarbij enkele weerstand
verlagende technieken (waaronder gebruik van plasma actuatoren) zijn getest.
Bovendien zijn er berichten uit al het begin van de jaren 90 dat er boven de
Mojave woestijn, het gebied waar de Amerikaanse luchtmacht testvluchten met
(al dan niet geheime) vliegtuigen uitvoert, een straalvliegtuig is gezien met
“gloeiende vleugels”, een effect dat optreedt bij gebruik van plasma actuatoren
over de volle spanwijdte van een vleugel. De neon-achtige gloed was ook te zien
tijdens de proeven met de PLASMAERO UAV’s.
Bronnen:
• New Scientist, 9 maart 2013, “flow with the glow”
• Flight International, 25 september 2007, “active airflow control key to
engine improvements”
• http://www.plasmaero.eu/
• http://www.plasmaactuators.tu-darmstadt.de
Gemodificeerde vleugelsectie op de Grob G-109 motorzwever van de Universiteit
Darmstadt, waarmee werd aangetoond dat plasma actuatoren overtrek gedrag
uitstelt.
De PLASMAERO UAV voor onderzoek naar besturing via manipulatie van plasma
actuatoren.
General Dynamics F-16 waarmee General Electric in 2007 onder meer het
gebruik van plasma actuatoren testte.

Download Report