Een verticaal opstijgend en landend (VTOL) luchtvaartuig is een voertuig dat verticaal kan vertrekken, zweven en landen. Hieronder vallen vliegtuigen met vaste vleugels die verticaal kunnen opstijgen en landen, maar ook helikopters of andere vliegtuigen met aangedreven rotors.
Het vermogen van VTOL-vliegtuigen om verticaal op te stijgen en te landen, maar ook om te zweven, langzaam te vliegen en in kleine ruimten te landen, onderscheidt ze van de conventionele vliegtuigen. Ook maken de meest recente VTOL-vliegtuigen in ontwikkeling gebruik van elektromotoren of batterijen in plaats van brandstof, waardoor ze worden aangeduid als elektrische verticale start- en landingsvliegtuigen (eVTOL).
Hoe VTOL-vliegtuigen werken
Er zijn momenteel twee verschillende soorten VTOL-technologie: draaivleugelvliegtuigen en powered-lift vliegtuigen.
Een draaivleugelvliegtuig (of rotorvliegtuig) maakt gebruik van lift die wordt opgewekt door rotorbladen die rond een centrale mast draaien. Enkele voorbeelden van rotorvliegtuigen zijn:
- Helikopter - De draaiende rotors van de helikopter creëren stuwkracht als een grote propeller die verticaal wordt gericht, waardoor hij kan opstijgen. Tijdens de vlucht, een lichte kanteling in de gewenste richting duwt een deel van de stuwkracht van het vliegtuig en stuurt het vaartuig vooruit.
- Gyrodyne - De gyrodyne wordt ook wel samengestelde helikopter genoemd omdat het de aangedreven rotor van een helikopter heeft, maar een apart voorwaarts stuwsysteem
- Cyclogyro - Bij de cyclogyro blijven de as en de oppervlakken van de roterende vleugel dwars op de luchtstroom staan, vergelijkbaar met een conventionele vleugel.
Powered-lift vliegtuigen stijgen en landen verticaal, maar gedragen zich tijdens de vlucht anders dan rotorvliegtuigen. Ze hebben vaak een ontwerp met vaste vleugels. Enkele voorbeelden van powered-lift vliegtuigen zijn:
- Convertiplane - De convertiplane vertrouwt op de rotor voor lift bij het opstijgen, maar schakelt dan over op een vaste-vleugel lift tijdens de vlucht.
- Tiltrotor - De tiltrotor, ook bekend als een proprotor, beweegt zijn propellers of rotors verticaal om VTOL te bereiken en kantelt ze dan naar voren tijdens het vliegen voor horizontale vleugel-gedragen vlucht; de hoofdvleugel blijft vast op zijn plaats.
- Tailsitter - Het tailsitter vliegtuig zit verticaal voor het opstijgen en landen, maar eenmaal in de lucht kantelt het hele vaartuig naar voren voor een horizontale vlucht.
De meeste powered-lift luchtvaartuigen zijn tegenwoordig verticale en/of korte start- en landingsvoertuigen (V/STOL). Indien mogelijk maken deze vliegtuigen bij voorkeur een rollende start vanaf een startbaan, omdat dit minder stuwkracht vergt en het startgewicht, de actieradius of de hoeveelheid gewicht die het vliegtuig kan vervoeren (laadvermogen) aanzienlijk vergroot.
Naast het werken in V/STOL kunnen sommige VTOL-vliegtuigen overschakelen op conventioneel opstijgen en landen (CTL) of langzaam opstijgen en landen (STOL). Veel helikopters kunnen echter alleen in VTOL vliegen omdat er geen landingsgestel is dat horizontale bewegingen aankan.
Voordelen van VTOL
De recente eVTOL-vliegtuigen maken gebruik van batterijen of elektromotoren in plaats van brandstof, waardoor de onderhouds- en brandstofkosten enorm dalen en de totale kosten dus lager uitvallen. De elektromotoren zijn ook energie-efficiënter dan straalmotoren en zouden de geluidsoverlast en de uitstoot van gassen verminderen.
VTOL-technologie stelt de voertuigen ook in staat om bijna overal te landen. Dit maakt VTOL-vliegtuigen flexibeler en daardoor in staat om acties uit te voeren die voor conventionele vliegtuigen onmogelijk zijn. Deze flexibiliteit creëert een groot voordeel voor vliegtuigen in gevechts- of reddingssituaties.
Omdat het opstijgen en landen bij een VTOL-vliegtuig niet door de vleugel wordt gestuurd, kan het voertuig zo worden gebouwd dat de vleugels zijn geoptimaliseerd voor snelheid en efficiency. Deze constructie kan ook helpen de luchtweerstand van het vliegtuig te verminderen, waardoor het nog sneller wordt.
Geschiedenis van VTOL
Het idee van verticaal vliegen was duizenden jaren geleden voor het eerst te zien in het schetsboek van Leonardo da Vinci. Hij schetste een beeld van wat later de helikopter zou worden. Het prototype van de eerste helikopter vloog in 1907, maar werd pas na de Tweede Wereldoorlog geperfectioneerd.
Naast de helikopter werden tussen 1920 en 1930 nog andere pogingen ondernomen om VTOL-vliegtuigen te benaderen. Tussen 1922 en 1925 experimenteerde Henry Berliner met een horizontaal rotorvliegtuig met vaste vleugels. In 1928 en 1930 kregen Nikola Tesla en George Lehberger octrooien voor enigszins onpraktische VTOL-vliegtuigen met vaste vleugels met kantelende motoren. Leslie Everett Baynes kreeg eind jaren dertig een octrooi voor de Baynes Heliplane, een ander vliegtuig met kantelrotor.
Van de jaren veertig tot heden zijn meer dan veertig V/STOL vliegtuigen getest, maar slechts vier daarvan zijn daadwerkelijk in productie genomen. De vier successen zijn: de Britse Harrier "jump jet" en zijn nakomelingen, het Sovjet An-72/74 transportvliegtuig, de Sovjet Yak-38 marinejager en de Bell/Boeing V-22 Osprey. De V-22 Osprey wordt beschouwd als 's werelds eerste productie tiltrotor vliegtuig.
Tijdens de jaren '60 werden pogingen ondernomen om een commercieel passagiersvliegtuig met VTOL capaciteiten te bouwen, maar geen enkele slaagde erin om het in productie te nemen. Alle prototypen werden afgedaan als te zwaar en te duur om te gebruiken.
Tussen 1964 en 1972 fabriceerde Canadair een V/STOL turbine kantelvleugelvliegtuig - een vliegtuig met slechts één vleugel - genaamd de CL-84. Drie bijgewerkte versies werden door de Canadese regering besteld voor militaire evaluatie. Deze vliegtuigen werden CL-84-1 genoemd. Tussen 1972 en 1974 werd de CL-84-1 getoond aan en geëvalueerd door de VS aan boord van de vliegdekschepen USS Guam en USS Guadalcanal en andere locaties. Helaas kregen twee van de CL-84's mechanische storingen en stortten neer tijdens het testen en productiecontracten werden nooit toegekend.
In de jaren zestig en begin jaren zeventig plande Duitsland ook de productie van drie VTOL-vliegtuigen. Er werden twee modellen gebouwd, maar het project werd afgeblazen vanwege de hoge kosten en politieke problemen.
Toekomst van VTOL-vliegtuigen
Als reactie op de snelle versnelling van de actie en de investeringen in VTOL, zijn veel traditionele en nieuwe lucht- en ruimtevaartbedrijven begonnen met het bouwen van capabele nieuwe vliegtuigen. Een aantal van deze bedrijven voorspelt een volledig geautomatiseerde vlucht in de toekomst. Ze erkennen echter ook dat een menselijke piloot nog steeds nodig is, hetzij in het vaartuig of in een controlecentrum totdat de geautomatiseerde systemen sterker zijn.
In 2014 begon het testen met het BlackFly VTOL-vliegtuig, een lichtgewicht, elektrisch, persoonlijk luchtvoertuig (PAV) van het bedrijf Opener. BlackFly werd voor het eerst getoond op de 2018 EAA AirVenture Conventie in Oshkosh, Wisconsin. Het is het eerste fixed-wing eVTOL vliegtuig ter wereld. BlackFly introduceert de realiteit van een nieuw tijdperk van driedimensionaal persoonlijk vervoer.
Lilium, een in München gevestigde luchtvaartstartup, hoopt een on-demand vliegende taxidienst aan te bieden en beweert dat het vijf keer sneller zal zijn dan autorijden. Het prototype dat ze hebben ontwikkeld heeft twee zitplaatsen en heeft de vorm van een conventioneel vliegtuig, maar maakt gebruik van een VTOL-systeem.
Het uberAir-project, van multinational transportnetwerkbedrijf Uber, heeft toegezegd zijn eerste vliegende taxi's met behulp van VTOL in 2020 te lanceren.
Hoewel de toekomst er rooskleurig uitziet voor VTOL, zijn er nog enorme technische uitdagingen, zowel aan de kant van het vliegtuig als aan de kant van de infrastructuur, alsook regelgevende hindernissen voor het ontwerp en de exploitatie van de vliegtuigen.
Voorbeelden van VTOL-vliegtuigen die we vandaag de dag zien
In de civiele sector zijn helikopters de enige VTOL-voertuigen die in gebruik zijn. Er worden echter veel andere VTOL-voertuigen ontwikkeld, zoals BlackFly en de on demand vliegende taxi's van Lilium. VTOL-vliegtuigen zijn gebruikelijker in militaire dienst. De helikopter wordt gebruikt, evenals de Bell Boeing V-22 Osprey en vliegtuigen die gebruik maken van gerichte straalaandrijving, zoals de Britse Harrier toestellen.
De laatste tijd zijn drones steeds populairder geworden, voor zowel commercieel als militair gebruik. De meeste drones maken gebruik van VTOL technologie en bedrijven over de hele wereld zijn bezig om het beste voertuig te maken. Dronefotografie is een hobby geworden voor consumenten met in de winkel gekochte drones, maar ook een dienst die wordt aangeboden door een verscheidenheid aan bedrijven. Drones are also being developed by Amazon Prime as a potential delivery method.