Valscherm: hoe een eeuwenoude uitvinding cruciaal wordt voor drones, luchttaxi's en Marslanders
Een valscherm, ook wel parachute genoemd, is een groot doek dat lucht opvangt om de val van een persoon, voorwerp of voertuig af te remmen. Het klinkt als iets uit de begintijd van de luchtvaart, en dat klopt ook: al in de achttiende eeuw sprongen mensen ermee uit luchtballonnen. Toch is het valscherm allesbehalve verouderde techniek. In de ontwikkeling van drones, onbemande luchttaxi's (eVTOL's) en ruimtevaartuigen die op Mars moeten landen, is het valscherm juist een van de sleuteltechnologieën van dit moment.
Denk aan een valscherm als een soort noodrem voor de lucht. Een auto remt af doordat de banden wrijving maken met het wegdek; een vallend voorwerp met een parachute remt af doordat het doek lucht 'vangt' en die lucht als een kussen onder het scherm duwt. Hoe groter het oppervlak van dat doek, hoe meer weerstand, en hoe langzamer de daling. Waar vroeger vooral gedacht werd aan een parachutist die met opzet uit een vliegtuig springt, draait het bij moderne toepassingen steeds vaker om systemen die automatisch in werking treden wanneer er iets misgaat: een motor die uitvalt, een drone die de controle verliest, of een ruimtevaartuig dat met duizenden kilometers per uur een vreemde atmosfeer induikt.
Wat is het precies?
Een valscherm bestaat in de praktijk zelden uit één enkel doek. Bij de meeste systemen wordt eerst een klein hulpschermpje uitgeworpen, de drogue of pilootparachute genoemd. Dit kleine scherm heeft twee functies: het remt de val een beetje af en het trekt vervolgens het grote hoofdscherm, de canopy, uit zijn verpakking. Zonder die tussenstap zou het hoofdscherm bij hoge snelheid met een enorme schok en scheurgevaar opengaan.
Hoe een valscherm precies afremt, heeft alles te maken met vorm en oppervlak. Een bolvormige of koepelvormige canopy vangt lucht in een grote, min of meer gesloten ruimte, waardoor de luchtdruk onder het doek hoger wordt dan erboven. Dat drukverschil zorgt voor de remmende kracht. Sommige moderne parachutes, zoals die van sportparachutisten, hebben juist een vleugelvormige canopy waarmee ook zijwaarts gestuurd kan worden, maar bij noodsystemen gaat het vrijwel altijd om eenvoudige, stabiele koepelvormen die zo min mogelijk kunnen falen.
De manier waarop een valscherm wordt uitgeworpen, verschilt sterk per toepassing. Bij het Cirrus Airframe Parachute System (CAPS), dat in kleine sportvliegtuigjes wordt ingebouwd, wordt het hele scherm met een kleine vaste-stof raketmotor uit het vliegtuig geschoten: een raket-geactiveerd systeem. Bij drones wordt vaak een veer- of gasdruk-geactiveerd mechanisme gebruikt dat sneller en compacter is. Bij een Marslander is er geen doorlopende atmosfeer om op te vertrouwen zoals op aarde, dus wordt het scherm met een kleine explosieve lading, een zogeheten mortier, met kracht de ijle lucht in geschoten.
Ook de materialen zijn vakwerk. De meeste parachutedoeken zijn gemaakt van nylon, licht en sterk genoeg voor de meeste toepassingen. Voor systemen die extra belasting moeten weerstaan, zoals ballistische reddingsparachutes voor vliegtuigen, wordt vaak Kevlar of ander aramidevezel gebruikt in de lijnen en bevestigingspunten. Voor de extreme omstandigheden bij een Marslanding, waar een scherm bij supersone snelheid moet opengaan zonder te scheuren, gebruikt men vezels als Zylon (PBO), een van de sterkste synthetische vezels die er bestaan.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer achter modern valschermonderzoek is veiligheid, maar de precieze invulling verschilt sterk per sector. In de lichte luchtvaart gaat het erom dat een compleet vliegtuigje, inclusief inzittenden, veilig aan de grond komt als de motor uitvalt of de piloot de controle verliest, in plaats van te vertrouwen op een noodlanding of, in het ergste geval, een noodsprong.
Bij drones speelt vooral regelgeving een rol. In de Europese Unie gelden strengere regels voor drones die boven bebouwd gebied of drukke plekken vliegen: hoe zwaarder het toestel en hoe dichter bij mensen, hoe hoger het risiconiveau en hoe eerder een parachutesysteem verplicht of noodzakelijk wordt om een vergunning te krijgen. Een valscherm kan het verschil maken tussen een drone die ongecontroleerd naar beneden valt en een die relatief zacht landt.
Voor de opkomende markt van eVTOL's, elektrisch aangedreven luchttaxi's die verticaal kunnen opstijgen en landen, is een valscherm een van de manieren om aan te tonen dat het toestel ook bij een volledig motorstoring veilig kan landen. Zonder zo'n vangnet is het voor toezichthouders veel lastiger om deze compleet nieuwe categorie voertuigen goed te keuren voor vluchten boven steden.
Bij ruimtevaart, ten slotte, is het valscherm vaak letterlijk een kwestie van leven of dood voor de missie. Bij een Marslanding moet een ruimtevaartuig in enkele minuten afremmen van ruim twintigduizend kilometer per uur tot bijna stilstand, deels met een hitteschild, deels met een parachute en deels met raketmotoren. NASA noemt deze fase weleens de "seven minutes of terror": zeven minuten waarin alles automatisch moet verlopen, zonder dat er tijd is om vanaf de aarde bij te sturen.
Voorbeelden uit de praktijk
Het Cirrus Airframe Parachute System is wellicht het bekendste voorbeeld in de lichte luchtvaart. Sinds de introductie eind jaren negentig wordt dit systeem standaard ingebouwd in de sportvliegtuigjes van fabrikant Cirrus Aircraft. Bij activatie schiet een raketje het hele hoofdscherm uit de romp, waarna het complete vliegtuig, met inzittenden, aan het scherm naar de grond zakt. Er zijn door de jaren heen meerdere gedocumenteerde gevallen waarin dit systeem daadwerkelijk levens heeft gered.
Bedrijven als BRS Aerospace leveren vergelijkbare ballistische reddingsparachutes, maar dan voor ultralights, kleine kitvliegtuigjes en experimentele toestellen, als los in te bouwen systeem in plaats van een fabrieksstandaard.
In de dronewereld is het Israëlische bedrijf ParaZero een bekende naam. Het ontwikkelt automatische parachutesystemen die via sensoren detecteren wanneer een drone de controle verliest of een motor uitvalt, en die vervolgens zelfstandig een scherm ontplooien om schade aan mensen en eigendommen op de grond te beperken.
Bij NASA speelde het valscherm een hoofdrol tijdens de landing van de Perseverance-rover op Mars in februari 2021, onderdeel van de Mars 2020-missie. Het lander-voertuig gebruikte een supersonisch parachutesysteem in combinatie met een raketaangedreven "skycrane" om de rover uiteindelijk zacht op het oppervlak neer te laten.
Ook in de bemande ruimtevaart blijft het valscherm onmisbaar: de Crew Dragon-capsule van SpaceX, die sinds 2020 astronauten naar het internationale ruimtestation ISS brengt, gebruikt een set grote hoofdparachutes om na terugkeer in de atmosfeer veilig in zee te landen.
Hoe ver is de techniek?
Voor de lichte luchtvaart is valschermtechniek inmiddels volwassen: systemen als CAPS bestaan al meer dan twintig jaar, zijn uitgebreid getest en gecertificeerd, en hebben een trackrecord opgebouwd. Hier gaat de ontwikkeling vooral over kleinere verbeteringen: lichtere materialen, snellere ontplooiing en betrouwbaardere sensoren om te bepalen wanneer activatie nodig is.
Bij drones is de techniek in rap tempo aan het volwassen worden, vooral omdat regelgeving in de EU en de VS operators steeds vaker dwingt om na te denken over risicobeperking. De grootste technische uitdaging hier is dat drones vaak op relatief lage hoogte vliegen, waardoor er weinig tijd en ruimte is voor een scherm om volledig te ontplooien voordat het toestel de grond raakt.
Voor eVTOL-luchttaxi's bevindt de techniek zich nog middenin het certificeringstraject. Fabrikanten als Joby Aviation en Archer Aviation werken nauw samen met toezichthouders zoals de Europese EASA en de Amerikaanse FAA om aan te tonen dat hun parachute- en andere noodsystemen betrouwbaar genoeg zijn voor commerciële passagiersvluchten. Er is nog geen enkel eVTOL-toestel met volledige parachutecertificering commercieel in gebruik voor lijndiensten met betalende passagiers.
Bij Mars-landingen blijft de supersonische ontplooiing van een parachute een van de lastigste onderdelen van elke missie. De atmosfeer van Mars is extreem dun, ongeveer honderd keer ijler dan die van de aarde, waardoor een scherm minder lucht heeft om op af te remmen en toch bestand moet zijn tegen de schokgolf van het openen bij hoge snelheid. Elke Marsmissie test en verfijnt dit proces opnieuw, vaak met simulaties en windtunneltests op aarde, omdat een echte generale repetitie in de Marsatmosfeer simpelweg niet mogelijk is.
Wie werken eraan?
In de lichte luchtvaart zijn Cirrus Aircraft en BRS Aerospace de bekendste namen als het gaat om ballistische reddingsparachutes voor vliegtuigen. Op het gebied van drones is ParaZero, gevestigd in Israël, een van de spelers die zich specifiek richt op automatische parachutesystemen voor onbemande toestellen.
In de opkomende eVTOL-sector werken onder meer Joby Aviation en Archer Aviation, beide Amerikaanse bedrijven, samen met luchtvaartautoriteiten aan de certificering van hun veiligheidssystemen. Ook grote luchtvaartconcerns als Airbus volgen deze ontwikkelingen op de voet via eigen eVTOL-programma's.
Op het gebied van ruimtevaart zijn NASA, met name via het Jet Propulsion Laboratory (JPL) dat verantwoordelijk is voor de Marsmissies, en het Europese ruimtevaartagentschap ESA de belangrijkste onderzoeksorganisaties. Zij werken samen met gespecialiseerde toeleveranciers die de parachutes en hun ontplooiingsmechanismen ontwerpen en testen.
Regelgevers zoals de Europese EASA en de Amerikaanse FAA spelen geen technische, maar wel een cruciale sturende rol: hun veiligheidseisen bepalen in belangrijke mate welke parachutesystemen wanneer en waar mogen worden ingezet.