Zoeken naar stillere vliegtuigen

Lees meer

Zoeken naar stillere vliegtuigen

Vliegtuigmotoren zijn sinds de jaren vijftig meer dan dertig decibel stiller geworden, en dat is het werk van aero-akoestici als Sjoerd Rienstra. De wiskundige is formeel al met pensioen, maar hij ontvangt voor zijn bijzondere verdiensten volgende maand nog de prestigieuze CEAS European Aeroacoustics Award. Vrijdagmiddag, 25 mei, wordt Rienstra in het zonnetje gezet tijdens een feestelijk symposium.

Een wetenschappelijke carrière eindigt niet zomaar met het bereiken van de pensioengerechtigde leeftijd, dus Sjoerd Rienstra is nog regelmatig te vinden op zijn kamer in MetaForum. Wetenschap is toch een soort roeping, zegt hij. “Vrienden vragen me wel eens wanneer ik nou precies stop, maar voorlopig begeleid ik nog een paar studenten en een promovendus, zit ik in de wetenschapscommissie van het Nationaal Lucht- en Ruimtevaartcentrum NLR, in de CEAS Aeroacoustics Specialists’ Committee, en vlieg ik nog geregeld naar Hongkong voor een groot project daar.”

Dat hij komende maand de European Aeroacoustics Award mag ophalen, noemt hij “een heel mooi schouderklopje. Je krijgt niet dagelijks te horen dat je leuk bezig bent, dus je weet nooit of wat je doet wel wordt gewaardeerd.” Wel zou het voor zijn carrière best handig geweest zijn als hij de prijs al vóór zijn pensioen had gekregen, voegt hij als kanttekening toe. “Dan kun je zo’n prijs nog inzetten bij subsidieaanvragen.”

Die subsidies zijn in Nederland voor zijn vakgebied overigens dun gezaaid. De aero-akoestiek is de wetenschap die zich bezighoudt met het geluid dat ontstaat door - en wisselwerkt met - stromende lucht, en is van oudsher sterk verbonden met onderzoek naar het lawaai van vliegtuigmotoren. Het ontstaan van het vakgebied wordt zelfs gemarkeerd door een publicatie van de Brit James Lighthill over de herrie van straalmotoren. Op conferenties over aero-akoestiek gaat het volgens Rienstra dan ook voornamelijk over vliegtuigen.

Terwijl de aero-akoestiek in ons land geen prioriteit meer is sinds het faillissement van vliegtuigbouwer Fokker, ligt dat internationaal gezien anders. Rienstra heeft de afgelopen decennia dan ook voornamelijk meegedraaid in grote Europese projecten met input uit Engeland, Duitsland en Frankrijk. “Daar hebben ze nog grote motorfabrikanten als Rolls-Royce en vliegtuigbouwers als Airbus”, verklaart de wiskundige. “Het kost grofweg een miljard euro om een nieuwe motor te ontwikkelen, net zo veel als de rest van het vliegtuig. Dan wil je natuurlijk niet dat die vanwege de geluidsnormen wordt afgekeurd.” Na veiligheid is geluid volgens hem het belangrijkste criterium voor zo’n motor, nog voor de efficiëntie.

Het ontwikkelen van een vliegtuigmotor kost een miljard, dan wil je niet dat hij wordt afgekeurd vanwege geluidsnormen

Sjoerd Rienstra
Aero-akoesticus

Na een studie wiskunde in Utrecht, promoveerde Rienstra aan de TU/e op de interactie tussen geluid, luchtstroming en wervels. Zijn promotor bij Technische Natuurkunde zou de toenmalige rector zijn, de in 2014 overleden Gerrit Vossers. “Die zou bijna stoppen als rector, maar omdat niemand hem wilde opvolgen, moest hij langer aanblijven. Toen heb ik gelukkig David Crighton van de universiteit van Leeds als tweede promotor gevonden – met hem had ik meteen een goede klik.”

Met zijn doctorstitel op zak vertrok Rienstra naar het NLR, het toenmalige Nationaal Lucht- en Ruimtevaartlaboratorium. Daar ontwikkelde hij zich tot expert in de voortstuwingsaerodynamica van vliegtuigmotoren. Die expertise kon vliegtuigfabrikant Fokker goed gebruiken. “Zij maakten zelf geen motoren, die kochten ze van Rolls-Royce. Om daarover goed te kunnen onderhandelen, moesten ze voldoende kennis in huis hebben over de werking van die motoren.”

Omdat het onderzoek toch bleef trekken, verkaste Rienstra naar de Radboud Universiteit. Na twee jaar in Nijmegen, kwam hij in 1988 in dienst bij TU/e-faculteit Wiskunde & Informatica. Met aero-akoestiek hield hij zich in die tijd niet meer bezig, dat lag ook niet voor de hand in het Nederlandse onderzoekslandschap. Toch bleef het onderwerp hem trekken, vertelt hij. “Ik vond het leuk, en had er blijkbaar gevoel voor. Dat heb je soms – de één is goed in voetballen, de ander in aero-akoestiek.”

E-boek

Rienstra ging weer over het onderwerp publiceren, en schreef in 1992 samen met collega Mico Hirschberg van Technische Natuurkunde een e-boek, ontstaan als een soort collegedictaat voor een cursus over aero-akoestiek: An Introduction to Acoustics. “Dat boek wordt in het juryrapport van het European Aeroacoustics Award meermaals genoemd, en wordt veel geciteerd. Het is vrij beschikbaar via internet, en wordt voortdurend verbeterd en uitgebreid. Ik denk ook dat het bijzonder is omdat het wiskundig goed is onderbouwd. De aero-akoestiek is dan ook heel wiskundig van karakter, de akoestiek in zijn algemeenheid is dat veel minder.”

Wiskundige analyses zijn noodzaak in de aero-akoestiek, legt de expert uit, omdat je metingen slechts op ware grootte kunt uitvoeren – in tegenstelling tot ‘gewone’ aerodynamica, waarbij vaak schaalmodellen in windtunnels kunnen worden geplaatst. “Binnen Nederland is het alleen in de Duits-Nederlandse Windtunnel in de Noordoostpolder mogelijk om metingen te doen aan vliegtuigmotoren. Dat kost zo’n honderdduizend euro per dag. Je hebt dus echt wiskundige modellen nodig.”

De eerder genoemde grondlegger van het vakgebied James Lighthill liet in 1952 zien dat de hoeveelheid geluid die de straal van een straalmotor produceert evenredig is met de achtste macht van de luchtsnelheid. Aangezien je dezelfde stuwkracht kunt produceren door een lagere stroomsnelheid toe te passen in een kanaal van grotere doorsnede, kun je het straallawaai verminderen door een deel van de lucht via een zogeheten omloop of ‘bypass’ te laten stromen.

“Door steeds grotere omloopverhoudingen te maken, was het lawaai van de motoren in het jaar 2000 met zo’n 30 decibel afgenomen”, zegt Rienstra. “Om dat in perspectief te plaatsen: dat is het volledige dynamische bereik van grammofoonplaten: het verschil tussen het hardste en het zachtste geluid dat je op vinyl kunt opnemen.”

Zelf heeft Rienstra vooral gerekend aan diverse soorten akoestische bekleding voor de binnenkant van de vliegtuigmotoren. Ook de juiste bekleding, passend bij het lawaai van de fan die de lucht aanzuigt (zie afbeelding), helpt het vliegtuiglawaai namelijk te dempen. De afbeelding op zijn persoonlijke website die hij gebruikt om dit uit te leggen, is inmiddels een soort klassieker binnen het vakgebied geworden. “Op elke conferentie zie ik hem wel een paar keer langskomen. Er zijn gewoon maar weinig goede illustraties van vliegtuigmotoren, doordat de fabrikanten uit concurrentieoverwegingen zo weinig mogelijk publiceren. Daarom heb ik ooit zelf maar iets gemaakt, en dat is duidelijk aangeslagen.”

Uilenvleugels

Vliegtuigen zijn dus een stuk stiller geworden, maar langzamerhand lopen de aero-akoestici en vliegtuigbouwers tegen nieuwe grenzen aan. “Veel van het lawaai dat wordt geproduceerd bij het landen, komt niet van de motor”, legt Rienstra uit. “De motor staat dan nagenoeg uit, maar om de afnemende lift te compenseren, wordt het vleugeloppervlak vergroot met zogeheten slats en flaps op de vleugels. Die gaan op een gegeven moment meer herrie maken dan de motor – denk aan het gezoef dat windturbinebladen produceren.”

De volgende stap is wellicht om de vleugels zo vorm te geven dat de vorming van wervels– de veroorzakers van de herrie – wordt tegengegaan. “Uilen vliegen vrijwel geruisloos door hun specifieke verenpatroon. Wellicht kunnen we daarvan leren.” Een schone taak voor de volgende generatie aero-akoestici.

 

Kijk hier voor meer informatie over het afscheidssymposium voor Sjoerd Rienstra.

 

Deel dit artikel via je socials