Als ik vlieg, vind ik naast het reizen ook de techniek achter vliegen enorm interessant. Ik denk dat iedere passagier wel eens heeft gedacht terwijl hij aan de gate staat te wachten hoe zo’n enorm vliegtuig de lucht in komt en weer veilig landt, soms duizenden kilometers verder. Als student Lucht- en Ruimtevaarttechniek houd ik me dagelijks bezig met de werking en het ontwerp van vliegtuigen. In dit artikel zal ik de vraag ‘hoe vliegt een vliegtuig?’ beantwoorden en uitleggen hoe je bijvoorbeeld een A380 van bijna 560 ton van de grond krijgt.

Ik zal mijn best doen om deze complexe materie zo simpel mogelijk te illustreren, zonder al te veel formules. Wat basiskennis van natuurkunde is misschien wel een pré. 😉 Misschien heb je je ook wel eens afgevraagd wat die kleppen zijn die tijdens opstijgen of landen uit de vleugel komen. Ook dat zal ik uitleggen.

Geschiedenis

De mens is al eeuwen gefascineerd door het fenomeen vliegen. De Italiaanse alleskunner Leonardo da Vinci has in de 15e eeuw al ontwerpen voor verschillende vliegmachines. Hij had echter geen succes. De eerste keer dat een mens daadwerkelijk de lucht in kwam met een machine was in 1783, toen twee Franse broers een hetelucht-ballon hadden ontworpen. Hierna begon een opmars in vliegbouwkunde. Nadat door de ballon was vastgesteld dat de mens ook op hoogte kon overleven, probeerden vele uitvinders andere vliegmachines te maken. Meestal waren deze gebaseerd op vogels, met ‘klapmechanismen’, of een soort zweefvleugel waarna ze van een heuvel of afgrond naar beneden sprongen. Al deze experimenten mislukten, en soms werd het de vliegers/ontwerpers fataal. Pas 120 jaar na de eerste bemande ballonvlucht lukten het de gebroeders Wright met een gemotoriseerd vliegtuig van de grond te komen en gedurende 59 seconde in de lucht te blijven. Dit was een mijlpaal. De Amerikaanse broers hadden bewezen dat het mogelijk was om met een machine, zwaarder dan lucht, van de grond te komen. Hierna ging het snel met de luchtvaart. Waar het eerst 120 jaar duurde om uit te vinden hoe je een vliegtuig van 340kg in de lucht kreeg om 260 meter af te leggen, vliegen we weer 100 jaar later dagelijks met machines van een paar honderd ton naar alle uithoeken van de wereld!

Lift

Om de lucht in te komen moet je de zwaartekracht verslaan. Om dit te illustreren maken we gebruik van twee krachten; het gewicht [W van ‘weight’] (de massa keer de aantrekkingskracht van de aarde) wil het vliegtuig naar te aarde trekken. De vleugels genereren ‘lift’ [L], een opwaartse kracht. Pas als de liftkracht omhoog groter is dan de zwaartekracht omlaag kan een vliegtuig opstijgen. Tijdens kruisvlucht (midden in de vlucht, met een constante hoogte) zijn lift en gewicht in evenwicht (gelijk in grootte).

Het fenomeen lift is een ontzettend complex iets. Het hangt van vele parameters af en het heeft wetenschappers veel moeite gekost om dit fenomeen in een algemene formule te beschrijven. Windtunnels waren hierin onmisbaar. Vandaar dat het pas echt snel is gegaan met de ontwikkeling van modernere vliegtuigen na de vinding van de

windtunnel.

Versimpeld gezegd hangt de liftkracht af van een aantal dingen:

• De snelheid van de lucht die over de vleugel gaat
• De luchtdichtheid (hoeveel kg ‘weegt’ één kubieke meter lucht)
• Het vleugeloppervlak
• Een constante waarde afhankelijk van het soort vleugel

Als één of meer van deze waarden toenemen, neemt ook de lift toe.

Maar, hoe zorgt die liftkracht er nou voor dat je omhoog gaat? Als je naar een dwarsdoorsnede kijkt van een vleugel zie je een bepaalde vorm van de omtrek, het zogenaamde ‘vleugelprofiel’. Het valt op dat dit profiel voornamelijk aan de bovenkant is gekromd. Door deze kromming wordt de lucht die tegen de vleugel aankomt dichter op elkaar verder gestuwd over de vleugel. De snelheid van de lucht neemt hierdoor toe. Vergelijk het met een steen in een stroom water. Maak je het gebied waarlangs het water gaat kleiner, dan gaat het water sneller stromen.

Volgens een natuurkundige wet neemt de luchtdruk (de kracht die de lucht uitoefent op een bepaald oppervlakte) af naarmate de snelheid toeneemt. Aangezien de snelheid van de lucht over de bovenkant het meest toeneemt, ontstaat er dus een drukverschil; aan de onderkant van de vleugel is een hogere druk dan bovenop de vleugel. Door dit drukverschil ontstaat de liftkracht. Druk is namelijk kracht per oppervlak. Als de druk aan de bovenkant lager is dan aan de onderkant en de oppervlakten (nagenoeg) hetzelfde zijn, ontstaat er dus een nettokracht naar boven. Het is deze kracht die er voor zorgt dat een vliegtuig de lucht in komt. De nettokracht ‘duwt’ de vleugel, en daarmee het hele vliegtuig, omhoog.

Deze kracht moet zoals eerder gezegd groter zijn dan het gewicht van het vliegtuig. Bij een A380 van 560 ton (maximum startgewicht) moet er dus een immense hoeveelheid lift genereerd worden. De toename in lift bij grotere toestellen wordt voornamelijk veroorzaakt door een (veel) groter vleugeloppervlak en een hogere snelheid. Zo is het vleugeloppervlak van de Boeing 737-800 125 vierkante meter en die van de A380 maar liefst 845 vierkante meter om al die extra kilo’s ook mee te nemen!

Opstijgen, kruisvlucht en landen

Wie ooit een raamplaats heeft gehad zal het wel opgevallen zijn dat er voor opstijgen wat platen naar beneden komen. Deze ‘slats’ voor op de vleugel en ‘flaps’, of kleppen, achter op de vleugel zorgen voor extra lift tijdens het opstijgen. Ze vergroten tijdelijk het oppervlak van de vleugels zodat er minder snelheid nodig is om genoeg liftkracht te verkrijgen om van de grond te komen. Zo is er minder landingsbaan nodig en hoeven ook de motoren niet op volle toeren te draaien, wat weer brandstof scheelt.

Na het opstijgen zal een vliegtuig op een medium tot longhaul vlucht zo hoog mogelijk klimmen, vaak tot rond de 10-12km hoogte. Dit gebeurt omdat de luchtdichtheid op die hoogtes veel kleiner is dan op zeeniveau, tot wel een factor 4 minder. Dit zorgt voor een lagere weerstand waardoor er minder motorkracht nodig is. Ook dit zorgt voor een brandstofbesparing. De lagere luchtdichtheid heeft ook effect op de liftkracht. Zouden alle parameters hetzelfde blijven, dan zou een vliegtuig op steeds hogere hoogte lift verliezen en uiteindelijk uit de lucht vallen. Om dit te compenseren wordt de snelheid verhoogd. Natuurlijk fijn want dan ben je ook sneller op je bestemming. Tijdens de kruisvlucht is de snelheid vaak rond 85% van de geluidssnelheid; zo’n 900 km/h (A380). Snel op grote hoogte vliegen is dus een efficiënte aanpak.

Ben je eenmaal dichtbij je luchthaven van bestemming, dan zal je merken dat de kleppen weer omlaag komen. Dit zorgt voor het afremmen van het vliegtuig en meer lift bij lagere snelheid. Dichtbij de landing zal de hoek van de flaps (en het oppervlak van de vleugel) steeds groter worden omdat er steeds langzamer gevlogen moet worden voor een veilige landing. Landingssnelheden liggen zo rond de 240 km/h terwijl de opstijgsnelheid 280 km/h bedraagt (voorbeeld van een typische A380).

Na het aantikken van de grond worden de ‘spoilers’ omhoog gezet. Deze ‘luchtremmen’ aan de bovenkant van de vleugel zorgen ervoor dat de luchtstroom wordt verstoord. Zo kan het vliegtuig niet weer de lucht in gaan en wordt het afgeremd.

Dit is het principe achter elke vlucht. Ik hoop dat ik het begrijpelijk over heb gebracht. Heb je vragen, commentaar of een verzoek voor een volgend artikel over de techniek, bouw of operations van een vliegtuig? Laat dan zeker een comment achter!

In de tussentijd kan ik jullie een serie video’s met lezingen, aangepast voor het grote publiek, aanbevelen die mijn docent, Prof. dr. ir. Jacco Hoekstra, heeft gedaan voor de Universiteit van Nederland. Hierin behandelt hij erg begrijpelijk de geschiedenis en principes van vliegen. Deze video’s zijn hier te vinden (klik), de eerste kun je hieronder vinden:

[ot-video type=”youtube” url=”https://www.youtube.com/watch?v=4kQFUcVlpi0″]

Credits voor gebruikte afbeeldingen gaan naar de eigenaren. Featured image: avioners.net .