Fietsbewegingen laten draagvleugelboten stabiel over water vliegen

Draagvleugels zijn kleine vleugels onder een boot, die met genoeg snelheid de romp van de boot uit het water weten te liften op dezelfde manier als vliegtuigvleugels de romp van een vliegtuig de lucht in tillen. De stabiliteit van een ‘vliegende boot’ is al jaren een uitdaging.

In dit fenomeen hebben studenten Gijsbert van Marrewijk en Johan Schonebaum zich vastgebeten sinds ze in 2013 deel uitmaakten van het TU Delft Solar Boat Team. "Wij valideerden met een wiskundig model of een draagvleugelboot met twee draagvleugels achter elkaar in het water op dezelfde manier stabiel gehouden wordt als een fiets", vertelt van Marrewijk. Door de TU Delft Solar Boat uit 2016 – ontworpen en gebouwd onder begeleiding van fietsonderzoeker Arend Schwab – te onderwerpen aan diverse experimenten, toonden ze aan dat de draagvleugelboot zichzelf inderdaad op dezelfde wijze stabiel houdt als een fiets.

Schematische weergave van de TU Delft Solar Boat, met twee draagvleugels achter elkaar. Van deze weergave maakten de studenten een dynamisch wiskundig model. Met dit model kan het gedrag van elke draagvleugelboot voorspeld worden.

Computersimulator

Tijdens deze experimenten stuurde de piloot in de richting waar de boot heen dreigde te vallen en werden zaken als snelheid, vlieghoogte en rolhoek in kaart gebracht. "Het sturen en stabiel houden van een draagvleugelboot is veel moeilijker dan een fiets", vertelt Schonebaum. "Ze heeft immers geen ronddraaiende wielen maar kleine draagvleugels onder het wateroppervlak. Bovendien wordt het gewicht anders verdeeld en gedragen dan bij een fiets."

Volgens de studenten is het eigenlijk onbegonnen werk om nieuwe draagvleugelbootpilot en direct het water op te sturen. Daarom hebben ze ook een computersimulator gemaakt. Het gevalideerde wiskundige model is in deze trainingstool ingebouwd. De stabiliteit van nieuwe zonnebootontwerpen kan met dit model voortaan van tevoren goed doorgerekend worden. "Tot nu toe kwamen we er pas in het water achter als de boot niet stabiel genoeg was, deze simulator scheelt de komende Solar Boat teams waarschijnlijk veel onnodige bouwuren en frustratie", aldus Schonebaum.

Kleinere draaicirkel

Het onderzoek is dit jaar direct gebruikt voor het ontwerp van de nieuwste zonneboot. Het team heeft het stuursysteem uitgebreid op basis van de uitkomsten van het onderzoek waardoor de boot op een hogere snelheid bochten kan maken met een kleinere draaicirkel.

In de praktijk werd al snel duidelijk dat het lage gewicht van de TU Delft Solar Boat 2016 (100 kg) in combinatie met het innovatieve sturingsmechanisme goed was voor topsnelheden van wel 55 km/u. In 2016 leverde dit het team twee zilveren medailles op; tijdens de wereldkampioenschappen zonneboot racen in Friesland en tijdens de Monte Carlo Cup in Monaco. Maar wetenschappelijk bewijs voor dit stabiliteitsmechanisme ontbrak tot nu toe.

Zuinigere scheepvaart

Van Marrewijk hoopt dat dit inzicht ook de scheepsvaart duurzamer kan maken. "Oude boten hadden altijd meerdere vleugels nodig om de boot stabiel uit het water te tillen, ongeveer zoals zijwieltjes een fiets stabiel houden voor kinderen. Een boot die op deze nieuwe manier uit het water getild wordt, heeft minder vleugels nodig en dus minder waterweerstand en kan daardoor een stuk zuiniger varen."