Ekstremt glidetal og flydende hydrogen

Projektet Aero Delft Phoenix er en del af de ”Dream Teams” som fungerer under Delfts Tekniske universitet. Her bygger de studerende soldrevne biler, ubåde og andre projekter, som alle er karakteriseret ved en ekstrem entusiasme og eksperimenterende teknologi. Det er et levende laboratorium for studenterne, som får nyttig hands-on projekterfaring.

Aero Delft-teamet. Liam Megill i rød hættetrøje.

Bygget på eGenius
Aero Delft er præcis som de tyske Akaflieg, hvor studenterne designer og bygger nye fly.

”Men hvor mange tyske Akaflieg-konstruktioner er projekter som varer 10-15 år, forsøger vi at speede processen op ved at anvende et eksisterende fly som teknologiplatform, nemlig Stuttgart Universitets eGenius. Det var rådet fra vores partner Airbus”, siger canadisk/tyske Liam Megill, 22, som er projektleder i Aero Delft og naturligvis også svæveflyvepilot.

”eGenius er perfekt for os, fordi det har en stor og rummelig fuselage, som kan rumme vores fuel-cells og interne hydrogentanke, men også fordi den finne-monterede motor og propel er super-effektiv og ikke skaber turbulens-problemer for airflow over vingerne. Dette er fundamentalt, fordi vi kommer til at eksperimentere med et ”boundary layer suction”, system i vingerne”, siger Liam Megill i telefonen til NORDIC GLIDING.

Udgangspunktet er Stuttgart Universitets eGenius. Her fotograferet af NASA under 2011 Green Flight Challenge i Californien. Det er Klaus Ohlmann som flyver.

Rendering af ”Boundary Layer Suction”-system med porøs vingesektion. En simpel og effektiv idé, men i virkeligheden er det en enorm opgave i praksis at sikre både strukturel integritet, reel effekt og anvendelighed uden for laboratoriet.

Boundary Layer Suction-(BLS)princippet er tidligere beregnet og skitseret af Professor Loek Boermans fra TU Delft, og det er også ham, som har tippet NORDIC GLIDING om dette nye spændende projekt, som er første rigtige praktiske forsøg med både BLS og flydende hydrogen som drivmiddel. Specielt når det kommer til BLS-teknologien, så er der potentielt store aerodynamiske gevinster ved at fastholde grænselaget til oversiden af vingen ved at generere undertryk gennem små huller i oversiden vingen.

Slutmålet er at sikre laminar boundary layer flow på den øvre vingeoverflade helt tilbage til bagkanten. Dette reducerer profilmodstanden med 50 % ved lav hastighed og op til 70 % ved høj hastighed.

Loek Boermans har tidligere kalkuleret, at en ASW 24 ville forbedre sit glidetal med op til 35 %, hvilket i tilfældet med Dick Butlers åbenklasse-eksperimentalfly Concordia teoretisk set ville forøge glidetallet fra cirka 70 til 100!

Projekt Aero Delft Phoenix er lidt mere konservative og sigter mod øgning af glidetallet på mindst 10 point, og det kræver udvikling af egnede porøse materialer og produktionsmetoder.

Her står problemerne i kø, siger Liam Megill:

”At skabe et BLS-system kræver mindst 1 mio. huller per kvadratmeter, og på Phoenix-vingen skal vi have 14 m² med huller. Vi har tidligere forsøgt at brænde hul med en laser, som gennem et prisme kunne ”bore” 9 huller per gang. Det ville tage et helt kalenderår med 24/7-drift at bore 14 mio. huller, så vi håber på at udvikle et prisme som kan være mere effektivt.”

“Vi forsøgte os med Stuttgarts laser, og når vi inspicerede hullerne som er 0,12 mm i diameter med 1 mm afstand, så konstaterede vi i elektromikroskopet, at kanterne på hullerne ikke var fint runde, men havde kanter og skader. Nu prøver vi med vores egen Sirius-laser her på Delft. Den brænder hullet med 100 pulser af 25 MJ. De tidligere tests var med umalede paneler, og vi vil nu se, at om et malet panel har bedre egenskaber”, siger Liam Megill.

Sådan ser det ud i et elektromikroskop, når man brænder et hul i en vinge med en laser. Ikke helt perfekt, og teamet søger nu efter en bedre laserteknologi til at producere de i alt 14 mio. huller i vingens overside.

Teamet har samlet rigtige data på pollen og støv (damm), og har derfor sikret sig, at disse partikler kan passere gennem hullerne og den porøse vingestruktur uden at sætte sig fast. Til gengæld er hullerne så små, at vand ikke kan trænge gennem p.g.a. overfladespændingen. Projektet forventer også at skulle finde en løsning på eventuelle strukturelle problemer som naturligt vil opstå, når man gennemhuller oversiden af vingen med millioner af små huller og dermed gennemskærer kulfibrene i strukturen.

Et BLS-system kræver en elektrisk motor som genererer sug, og dette nødvendiggør elektrisk energi, ca 600-800 watt er tilstrækkeligt, og Boermans første ide var at dække forkanterne på vingerne med solceller. Fra TU Delfts forsøg med soldrevne racerbiler har man nu god erfaring med fleksible solceller, som kan integreres fuldstændigt sømløst i vingeprofilen. Dette ville også i nogen grad skabe et argument for, at flyet er et svævefly, som ikke flyver via en ekstern energikilde. Men siden Phoenix også bliver en platform for flyvning på flydende hydrogen, så er det naturligt, at brændselscellen kommer til at drive BLS-systemet.

Flydende hydrogen
Med 20 kg flydende hydrogen ombord bliver der basis for flyvning op til 2000 km. Tidligere fuelcell-drevne fly har fløjet med hydrogen i gas-form. Dette kræver dog en meget tung og tyk tank som kan håndtere det ekstreme tryk på flere hundrede bar. Med flydende hydrogen kan man tanke mere energi, men det kræver nedkøling til minus 253 grader C, og dermed også en effektiv isolering af tanken som opererer med et tryk på 5 bar.

Rendering af hydrogen-tank

Systemet bliver i praksis et hybridsystem, hvor brændsels-cellen lader på et batteri, som driver propel og BLS-sugning.
I første omgang skal der bygges en nedskaleret teknologi-demonstrator som efter planen skal flyve i september 2019. Det rigtige fly med de store, spændende ambitioner ventes af flyve i 2021.