Luchtschipperen

Het aloude luchtschip wordt nieuw leven ingeblazen. Verder dan de tekentafel zijn de meeste ontwerpen nog niet. Het succes zal afhangen van het technische ontwerp. Een variant die permanent in de stratosfeer zweeft moet telecommunicatie- en aardobservatiefuncties van satellieten overnemen.

Karel Knip

Nooit eerder is er in Nederland een luchtschip gebouwd en opeens liggen er in drie verschillende steden drie verschillende ontwerpen op de tekentafel. Niet alleen in Lelystad, maar ook in Velp en Noordwijk wordt gerekend en getekend dat het een aard heeft. In Lelystad en Velp overweegt men passagiersvervoer, bij het ruimtevaartlaboratorium Estec in Noordwijk gaat het alleen om technische of wetenschappelijke apparatuur.

Duitsland ging ons voor: de universiteit van Stuttgart experimenteert er met het mini-luchtschip Lotte dat op zonlicht loopt, Zeppelin Luftschifftechnik bouwde een hypermodern luchtschip, de N07, dat 12 pasagiers vervoert en er wordt hard gewerkt aan een groot luchtschip, de CargoLifter, dat 150 ton vracht kan vervoeren. Serieuze bedrijven als ABB, Siemens en Daimler-Chrysler participeren in het project. In Engeland, dat al eerder moderne luchtschepen bouwde, wil de Aircraft Technologies Group (ATG) een nog groter vrachtluchtschip bouwen. Luchtschipplannen hebben opeens momentum. Nederland wil niet achterblijven. Milieuorganisaties en politici zien het luchtschip als het langverbeide milieuvriendelijke vervoermiddel en samen met een aantal technici richtten ze het Platform Luchtschepen op. Het ministerie van Verkeer bracht al een kleine Nota Luchtschepen uit en de Rijksluchtvaartdienst werkt volop aan de voorschriften waaraan het bouwen, onderhouden en bedrijven van luchtschepen moet voldoen. De RLD ziet het helemaal zitten: "De inzetbaarheid van het luchtschip wordt niet zo sterk door het weer bepaald als velen denken."

grote schepen

De spits werd hier afgebeten door het bedrijf Rigid Airship Design dat in 1996 ontstond rond de Schotse luchtscheepsbouwkundige Ian Alexander. Alexander houdt zich al meer dan dertig jaar bezig met luchtschepen, bouwde zelf een blimp (zie kader) en koos Nederland voor het grotere werk. Ten noorden van Lelystad, bij de visvijvers van de Flevocentrale, moet een hangar verrijzen waarin de eerste RA-180 gebouwd wordt: een schip met een lengte van 180 meter. Volgens Alexander komen de typische voordelen van luchtschepen pas tot uitdrukking als er grote schepen worden gebouwd. Dan is het brandstofverbruik per passagierkilometer klein en staan de inkomsten uit passagiersvervoer in gunstige verhouding tot de personeelskosten. De bestaande luchtschepen hebben geen grotere diameter dan 17 meter en zijn te klein voor een rendabele exploitatie. Een schaalvergroting schept een gunstiger oppervlakte/inhoud relatie. Daarom krijgt zijn schip een lengte van 180 en een diameter van 30 meter en ruimte voor 200 tot 240 passagiers. Bij de huidige stand van de techniek betekent dat de bouw van een 'rigid airship', een stijf luchtschip met een inwendig frame zoals de oude Zeppelins.

Een heel klassiek ontwerp dus, en dat sluit goed aan bij de rest van Alexanders strategie, die er in de eerste plaats op gericht is voldoende vertrouwen bij financiers en regelgevers te wekken. Fund raising is zijn eerste zorg, en de tweede: aantonen dat vliegen met een luchtschip een doodnormale luchtvaartactviteit is. Met stemverheffing: "There is nothing new in airships".

Voor zover hij details verstrekt over zijn komende luchtschip blijkt dat inderdaad als twee druppels water te lijken op een klassieke Zeppelin. Voor de huid wordt moderner en aanmerkelijk lichter materiaal gebruikt, maar het frame zal, anders dan bij de moderne N07 (waarin koolstofvezels zijn toegepast) uit een gewone aluminiumlegering bestaan. De staart heeft, als vanouds, vier kruislings opgestelde staartvlakken, zoals in een +. Alexander ziet af van de omgekeerde Y die concurrenten kozen. "Te veel innovatie levert vertraging op bij de certificatie." De RA-180 krijgt zes langzaam draaiende propellers waarvan er vier wendbaar zijn, vooral om makkelijk te kunnen afmeren. Het streven is dat met minimale bijstand vanaf de grond te doen. Er blijkt nog steeds geen definitieve keuze te zijn gemaakt tussen benzine- of dieselmotoren wat merkwaardig is omdat al in april 1999 aanvragen voor de ontwerp-erkenning en typekeuring zijn ingediend bij de Nederlandse Luchtvaart Autoriteit. Zó klassiek oogt de RA-180 dat het onwaarschijnlijk lijkt dat het toestel een bijzonder laag brandstofverbruik heeft. Dat is ook niet zo. Het brandstofverbruik per reizigerkilometer is niet anders dan dat van een Boeing 747, zegt Alexander kalm. Dat betekent: 30 reizigerskilometers per liter, bijna een factor vier ongunstiger dan een volle trein. "Maar per tijdseenheid wordt natuurlijk veel minder brandstof verbruikt."

De bedoeling was dat de RA-180 al in 1999 zou vliegen, maar inmiddels wordt de eerste vlucht niet voor 2004 voorzien. Als het er al van komt, want het lijkt wat stil te worden rond de beoogde bouwlocatie. Op die afgelegen plek tussen riet en wilgen staan minder auto's dan je verwachten zou. Vanuit het kantoor in 's Graveland worden verzoeken om interviews al een jaar lang stelselmatig op de lange baan geschoven en het Delftse ingenieursbureau FlowMotion klaagt openlijk over het uitblijven van betaling voor geleverde diensten. Binnen luchtschipkringen wordt, off the record, al de vraag gesteld of het niet tijd wordt voor een buitenlandse partner. Zeppelin Luftschifftechnik, bijvoorbeeld. Het opwindende nieuws is dat er inmiddels een tweede Nederlands bedrijf is dat zich toelegt op de ontwikkeling en exploitatie van een modern luchtschip voor vervoer van passagiers, of preciezer gezegd: toeristen. Vorig jaar werd zonder enige ruchtbaarheid in Velp het bedrijf Heros Airship Design opgericht. Directeur is de werktuigbouwkundig ingenieur Rolf Hendriks die faam geniet als ontwerper en ontwikkelaar van een van 's werelds zuinigste turbines, de Heron-gasturbine. Hendriks, die terugziet op een leven bij Stork (stoomturbines) en Thomassen (gasturbines), heeft een gedegen reputatie in de wereld van de energie-conversie.

De, in zijn ogen, evidente tekortkomingen van het project in Lelystad stimuleerden hem om zelf een project te beginnen. "Ik denk dat Rigid Airship geen helder beeld had van de markt die ze wil bedienen. Luchtschepen zijn natuurlijk heel onpraktisch voor geregeld vervoer van passagiers en goederen, maar ze zijn juist uiterst aantrekkelijk in de cruisemarkt. Nu de economie maar blijft groeien en de babyboomers hun pensioen naderen staat wel vast dat de cruisemarkt blijft floreren. Je moet je volledig richten op toeristenreizen naar zonnige oorden."

Uitgangspunt bij het ontwerp van zijn eigen luchtschip, dat hij Heros noemde, was de wens de milieubezwaren van de RA-180 zoveel mogelijk weg te nemen. Als er laag gevlogen wordt, wat heel aantrekkelijk is, moet de geluidsoverlast op de grond minimaal zijn. Daarnaast valt aan minimalisering van het brandstofverbruik in deze tijd niet te ontkomen, ook al staat wel vast dat de brandstofkosten in de exploitatie van het schip een onbeduidende rol speelt. Kapitaalslasten, de afschrijving, personeelkosten en incidenteel majeur onderhoud zijn de grote kostenposten.

Na wat vingeroefeningen kwam Hendriks tot het ontwerp van een luchtschip dat als het ware twee vliegen in één klap slaat. Hij koos voor elektrisch aangedreven propellers (diameter 1,3 meter) die hij onderbracht in twee lange buizen die tegelijk als verstijving voor de gondel dienen. Zij dragen dus nauwelijks bij aan het gewicht maar verhogen het rendement van de propeller tot boven de 90 procent. Hendriks verwacht dat zijn 'ducted fans' boven de 92 procent uitkomen. In de buizen installeert hij geluiddempers en hij sluit ze af met zogenoemde jaloezie-roeren die hem in staat stellen ook bij lage snelheid te manoeuvreren, een erkend probleem bij het luchtschip.

beplakt

De elektriciteit voor de propellers komt van een dieselgenerator maar ook, dat is het andere deel van de innovatie, van de flexibele zonnecellen waarmee hij de helft van het oppervlak van zijn luchtschip 'beplakt'. De grootste zwakte van het luchtschip, zijn buitensporige volume en oppervlak, wordt daarmee opeens omgezet in zijn grootste kracht. Op het Heros-schip is ruimte voor bijna 4000 m aan flexibele zonnecellen. De thans leverbare cellen van amorf silicium hebben, bij loodrecht invallend zonlicht, een opbrengst van 70 watt per m. Bij schuiner invallend licht neemt de opbrengst volgens een cosinus- functie af. Dat effect in rekening genomen denkt Hendriks dat er geregeld op wel 180 kW vermogen van zonlicht mag worden gerekend. Naar schatting heeft zijn schip (met een diameter van 25 meter, een lengte van 115 meter en accomodatie voor 100 passagiers bescheidener van formaat dan de RA-180) voor een snelheid van 100 km/u een vermogen nodig van 635 kW. Bij die snelheid kan zonlicht dus voor bijna eenderde in de benodigde energie voorzien. Dat betekent nagenoeg een verdubbeling van het aantal reizigerskilometers per liter brandstof.

Als er geen grotere vaarsnelheid dan 60 km/u wordt verlangd kan, bij zonnig weer en een gunstige zonnestand, zelfs uitsluitend op zonlicht worden gevaren: volstrekt geruisloos. "Aan de beschikbaarheid van flexibele zonnecellen kan niet langer worden voorbijgegaan", vindt Hendriks. Hun gewicht van 1,5 kilogram per kW is nu al geen bezwaar (want van dezelfde orde als een dieselmotor) en het staat wel vast dat de opbrengst nog flink zal gaan stijgen. Op dit moment zijn ze met een prijs van 500 gulden per m nog wat aan de dure kant, maar ook dat wordt beter.

stratosfeer

Hendriks is rond met zijn 'conceptual design' en de haalbaarheidsstudie en hij heeft octrooi aangevraagd op het ontwerp. Hij verwacht het eerste Heros-schip voor dertig miljoen te kunnen bouwen. Voor het vervolgtraject is hij aangewezen op externe financiering: 'fund raising' is nu zijn eerste zorg. Bij Estec, het laboratorium van de Europese ruimtevaartorganisatie Esa in Noordwijk, bevindt onderzoeker Peter Groepper zich een in vergelijkbare positie. Het team van Groepper kwam in een bureaustudie tot het ontwerp van een groot onbemand luchtschip dat, als het verwezenlijkt wordt, op 21 kilometer hoogte in de stratosfeer moet komen te hangen. In principe geheel aan zichzelf overgelaten, al kan de positie ook vanuit een grondstation radiografisch worden gecontroleerd en gecorrigeerd. Het Hale-luchtschip (van: high altitude, long endurance) zou vanaf zijn eenzame plaats voor een deel de taken op zich kunnen nemen die nu worden uitgevoerd door peperdure telecommunicatie- en aardobservatie- satellieten. Lanceringen met raketten zijn erg kostbaar en kunnen mislukken en apparatuur die in een satelliet om de aarde draait en defect raakt is onbereikbaar voor reparatie. Het Hale-schip kn worden teruggehaald, al is het een zware onderneming.

De lucht op 21 kilometer is koud (min 55 graden) en erg ijl: de dichtheid is er maar 6 procent van die op de grond. Er is dus een grote heliumvoorraad nodig om de payload in de lucht te houden. Voor een bescheiden lading van één ton bleek een schip nodig met een lengte van 220 meter en een diameter van 55 meter. Groepper c.s. kozen voor een blimp, een luchtschip zonder frame. De hoogte van 21 kilometer werd gekozen omdat de windsnelheid daar minimaal is en nog net zo laag is dat een luchtschip er tegenop kan. De Hale moet een windsnelheid van 90 km/u de baas kunnen blijven. In samenwerking met de TU Delft ontwikkelde de Groepper-groep een langzaam draaiende propeller met een diameter van 30 meter die in de ijle lucht voldoende stuwkracht ontwikkelt. Die propeller wordt, zoals bij de Heros van Hendriks, aangedreven door flexibele zonnecellen, maar omdat het luchtschip 's avonds niet terugkeert naar de aarde moest er een voorziening worden bedacht om de overdag verzamelde zonne-energie op te slaan. Accu's bleken te zwaar, uiteindelijk viel de keus op een brandstofcel die elektriciteit produceert uit de verbranding van waterstof. De waterstof wordt overdag langs elektrolytische weg door splitsing van water geproduceerd. Een gesloten kringloop dus.

Op erg hoge breedte (waar de zon laag staat en de wind hard waait) kan de stroomvoorziening bij de huidige zonnecel-prestatie 's winters nog te kort schieten, maar voor het overige is er weinig reden om aan de technische haalbaarheid van de Hale te twijfelen. Zeker is dat de Hale- studie verwante projecten in de VS (SkyStation) en Japan in gedetailleerdheid voorbijstreeft. "Het is allemaal bewezen technologie", zegt Groepper, "eerlijke ingenieursarbeid." De vraag is of het past binnen de kernactiviteiten van de Esa, dat moet eerst nog worden onderzocht. En is het antwoord 'ja', dan kan aan de fondsenwerving begonnen worden.

Laag vliegen is het beste

Luchtschepen danken hun drijfvermogen aan het gebruik van gassen die lichter zijn dan lucht, want de wet van Archimedes (dat is: de opwaartse kracht die werkt op een ondergedompeld lichaam is gelijk aan het gewicht van verplaatste hoeveelheid vloeistof) geldt ook voor onderdompeling in lucht.

De toepassing van waterstof, het lichtste gas, is verlaten vanwege de brandbaarheid. Helium is de gangbare vervanger. Dat gas heeft bij 1 bar druk en een temperatuur van 15 graden een dichtheid van 0,17 kilogram per m. Lucht zelf heeft dan een dichtheid van 1,2. Dat betekent dat er per meegevoerde kubieke meter helium een lading van ongeveer één kilo kan worden getransporteerd. Van oudsher worden er drie soorten luchtschepen onderscheiden: de rigids, de semi-rigids en de non-rigids die meestal blimps worden genoemd. Rigids, zoals de oude 'Zeppelins' en de nieuwe RA-180, danken hun vormvastheid aan de aanwezigheid van een stijf frame waarover de buitenhuid (de envelope) wordt gespannen. De heliumvoorraad hangt daarbinnen in slappe zakken tegen het plafond. De halfgevulde zakken kunnen nog makkelijk uitzetten als het stijgende luchtschip luchtlagen van geringere dichtheid binnen vaart. Het rigid airship is daardoor voortdurend automatisch in drukevenwicht met de omgeving. Beschadiging van de gascellen is niet dramatisch.

Blimps, zoals de reclame-luchtschepen van Goodyear en de Hale van Esa, hebben geen frame en worden daarom voorzien van een kleine overdruk van 4 5 procent ten opzichte van de omgeving om voldoende stijfheid te verwerven. Blimps kunnen niet erg groot of lang worden gemaakt; veel meer dan een lengte/ doorsnede verhouding (de slankheid of fineness ratio) van 4 of 5 is niet verstandig. De passagiersgondel hangt vaak met kabels aan de gasballon. De geringe overdruk ten opzichte van de omgeving wordt actief in stand gehouden met behulp van zogenoemde ballonets, luchtzakken die tussen de gasvoorraad zijn aangebracht en met behulp van een ventilator op spanning worden gebracht. Bij het stijgen wordt lucht uit de ballonets geloosd.

Semi-rigids, zoals de Heros, hebben een bescheiden frame dat alleen de onderzijde van de ballon steunt. Dat vereenvoudigt de ophanging van de gondel en staat een grotere l/d-verhouding toe. Voor een laag energieverbuik is het aantrekkelijk om een hoge l/d (5 of 6) te bezitten. Semi-rigids hebben net als blimps ballonets nodig.

Men kan in principe varen met een luchtschip dat wat zwaarder is dan lucht door het dynamische lift te geven: enigszins schuin achterover te varen. Maar dat systeem werkt niet als er geen snelheid is en bovendien vergroot het de luchtweerstand onevenredig: geïnduceerde luchtweerstand. Wie streeft naar minimalisatie van het brandstofverbruik zal zoveel mogelijk precies in zwevende toestand horizontaal door de lucht gaan.

Het gewicht van het luchtschip moet voortdurend worden aangepast. Door verbruik van brandstof, dat makkelijk kan oplopen tot 150 kilogram per uur, wordt een luchtschip steeds lichter. De oplossing die vaak wordt gekozen is exhaust water recovery: condensatie van de waterdamp uit het uitlaatgas. Dat compenseert ruimschoots voor het brandstofverlies. Wie van dit middel afziet moet manipuleren met de dynamische lift, met wendbare propellers (vectored thrust) of met de ballonets. Als de passagiers uitstappen of vracht wordt ontladen moet tegelijkertijd worden gecompenseerd voor dit massaverlies met ballastwater. Dat is op elke luchtschiphaven aanwezig.

Om de payload (vracht of passagiers) zo groot mogelijk te maken zal men altijd zo laag mogelijk willen vliegen, want in de onderste, dichte luchtlagen is de opwaartse kracht het grootst. Voor de veiligheid moet het schip zo zijn ingericht dat er ook op 1000 meter hoogte nog voldoende lift over is. De meeste luchtscheepsbouwers kiezen een 'plafond' van 3000 meter. Het motorvermogen (in watt) dat een luchtschip nodig heeft berekent men als het algebraïsch product van de gewenste maximumsnelheid en de luchtweerstand (de drag) die bij deze snelheid optreedt. Daarbij valt te bedenken dat het propellerrendement meestal maar zo'n 80 procent is. De luchtweerstand (een kracht, eenheid: newton) komt uit de formule die ook gangbaar is voor auto's: F = 1/2 x x v x cd x S. is de luchtdichtheid (1,2 kg/m) en v de snelheid (m/s). De dimensieloze constante cd is de luchtweerstandscoëfficiënt en S is een karakteristiek oppervlak (m) waarop deze coëfficiënt betrokken wordt. Betrokken op de grootste doorsnede is de coëfficiënt van luchtschepen meestal tussen 0,07 en 0,09. Een 500 kW-motor die op vol vermogen loopt verbruikt per uur ruwweg 160 liter brandstof (als het rendement 33 procent is).