Stel je voor dat het vliegtuig is opgestegen en je kijkt uit het raam en merkt plotseling dat de vleugels golvend, draaiend en stil van vorm veranderen - de meeste passagiers zullen waarschijnlijk ter plekke zenuwachtig worden. Maar dat is precies wat Duitse ingenieurs testen met een nieuwe technologie: een prototype van een vervormbare vleugel die tijdens de vlucht in realtime kan ‘transformeren’.

Dit project, geleid door het Duitse Lucht- en Ruimtevaartcentrum (DLR) en met de codenaam morphAIR, heeft tot doel een gestroomlijnd aanpassingsvermogen in de lucht te introduceren, vergelijkbaar met dat van vogels en vissen, waardoor vliegtuigen efficiënter en gemakkelijker te besturen worden. In de natuur kunnen vliegende en zwemmende wezens vaak uiterst fijne en continue aanpassingen maken aan het gehele vleugeloppervlak of lichaam; vogels kunnen complexe veranderingen aanbrengen in spanwijdte, kromming en draaiing, en vissen kunnen efficiënte voortstuwing en besturing bereiken door gecoördineerde bewegingen van de romp en de vinnen. Traditionele vliegtuigen vertrouwen daarentegen op stijve vleugels en afzonderlijke roeroppervlakken zoals kleppen, rolroeren en roeren om de houding te veranderen. Deze gesegmenteerde structuur verhoogt de mechanische complexiteit, het gewicht en de onderhoudslast, terwijl het ook geluid en extra aerodynamische verliezen veroorzaakt.

De reden waarom een ​​dergelijke structuur met vaste vleugels en gescheiden stuuroppervlak de afgelopen decennia de industriestandaard is geweest, is niet dat deze perfect is, maar dat het een technisch 'compromis' is. Een vleugelprofiel dat geschikt is om op te stijgen is niet geschikt om te cruisen, en een vleugelprofiel dat geschikt is om te cruisen is niet geschikt om te landen; een vleugelvorm die geschikt is voor een bepaalde snelheid, een bepaalde hoogte of een bepaalde manoeuvreertoestand wordt onder andere bedrijfsomstandigheden vaak suboptimaal. Bestaande vleugels voor burgerluchtvaartuigen zijn "gematigd" ontworpen rond een verscheidenheid aan typische bedrijfsomstandigheden: om "voldoende maar niet al te slecht" te zijn in zoveel mogelijk scenario's, in plaats van extreem geoptimaliseerd te zijn in een enkel scenario.

DLR probeert dit compromis te doorbreken en in plaats daarvan 'aanpassingsvermogen' in de coulissen te creëren. In het morphAIR-concept kunnen de vleugels actief vervormen tijdens verschillende vluchtfasen: het bereiken van een hogere lift tijdens het opstijgen en landen, het verminderen van de weerstand tijdens het kruisen, het verbeteren van het reactievermogen tijdens bochten en het verbeteren van de stabiliteit bij turbulentie. Daartoe installeerde DLR een nieuwe vervormbare vleugel op een onbemand testvliegtuig genaamd PROTEUS en voerde vergelijkende tests uit naast traditionele vleugels om de luchtwaardigheid en het integratie-effect van het systeem te verifiëren.

De morphAIR-vleugel is gemaakt van volledig vezelversterkt composietmateriaal met geïntegreerde "morphing-segmenten" die in staat zijn tot continue buiging aan de achterrand. Dit onderdeel maakt gebruik van HyTEM (Hyperelastic Trailing Edge Morphing), een hyperelastisch vervormingssysteem voor de achterrand, onafhankelijk ontwikkeld door DLR, dat een vloeiende vervorming kan bereiken zonder duidelijke vouwlijnen en gaten. Het concept vervangt conventionele kleppen en rolroeren door meerdere kleine actuatoren, verdeeld over de gehele spanwijdte, legt projectleider Martin Radestock van het DLR Institute for Lightweight Systems uit. Deze actuatoren kunnen het vleugelprofiel op tien posities nauwkeurig afstellen zonder gesegmenteerde gaten in het vleugelprofiel te creëren, waardoor de profielweerstand wordt verminderd en de algehele aerodynamische prestaties en vluchtdynamiek worden verbeterd, terwijl de lift, de geïnduceerde weerstand en het controlemoment veranderen.

Het ware potentieel van de vervormbare vleugel kan alleen worden ontketend via intelligente besturingssystemen. DLR heeft hiervoor een AI-ondersteund vluchtcontrolesysteem ontwikkeld, speciaal ontworpen voor deze zeer variabele vleugelbewegingskarakteristieken. Tijdens de vlucht bewaakt het adaptieve algoritme voortdurend de daadwerkelijke respons van het vliegtuig en vergelijkt deze met het getrainde referentiemodel. Zodra abnormale omstandigheden zoals turbulentie, lokale schade of het falen van een actuator worden gedetecteerd, zal het systeem de besturingsinstructies in realtime door de vleugel herverdelen om een ​​stabiele vlucht te behouden. De algoritmen zijn ook getraind op gesimuleerde faalscenario's en zijn in staat faalmodi te identificeren en te compenseren die zouden leiden tot ernstig verlies van controle in traditionele fixed-wing-architectuur.

Ook op perceptueel niveau hanteert DLR een ingenieuze oplossing. In plaats van een sensormatrix met een groot oppervlak op de vleugel te leggen, ontwikkelde het team een ​​methode om de aerodynamische drukverdeling van de hele vleugel af te leiden uit een klein aantal meetpunten. Met behulp van deze reconstructietechnologie kan het vluchtcontrolesysteem de toestand van de luchtstroom rond het vleugelprofiel als geheel in realtime 'waarnemen', het gereconstrueerde drukveld vergelijken met de verwachte toestand, automatisch lokale verstoringen identificeren en er actief op reageren en deze onderdrukken voordat ze worden versterkt.

Met de samenwerking van vervormbare vleugels, AI-vluchtcontrole en drukveldreconstructietechnologie heeft de morphAIR-vleugel het vermogen om zijn eigen vluchtstatus in zekere zin te ‘voelen’ en ‘denken’. Het wordt door onderzoekers beschreven als een van de vliegtuigvleugelpogingen die tot dusver het aanpassingsvermogen van het vleugeloppervlak van een vogel het dichtst benadert. Momenteel verifieert de vliegtest van de PROTEUS-drone uitgerust met deze technologie voornamelijk de fundamentele luchtwaardigheid van het systeem en de integratie en coördinatie tussen verschillende subsystemen, waarmee de basis wordt gelegd voor verdere optimalisatie en uitbreiding van toepassingen in de toekomst.

Hoewel het in de nabije toekomst moeilijk zal zijn om soortgelijke vervormbare vleugels in grote commerciële vliegtuigen te integreren, zijn er veelbelovende perspectieven op het gebied van drones. In de volgende stap is DLR van plan verdere testvluchten uit te voeren op de PROTEUS-architectuur met een totale massa van ongeveer 70 kilogram om de haalbaarheid aan te tonen van het uitbreiden van de technologie naar platforms op grotere schaal. DLR heeft eerder een testvluchtvideo uitgebracht, waarin het realtime vervormingsproces van de vleugel tijdens de vlucht wordt getoond. De buitenwereld kan via relevante links de daadwerkelijke prestaties van deze nieuwe generatie oppervlaktevariabele technologie in de lucht bekijken.