Az Airbus eXtra Performance Wing demonstrátor. (Kép: Airbus)

Az utóbbi években rengeteg szó esik a repülés okozta környezeti terhelésről. De mekkora részt tesz ki a repülés az emberiség környezeti lábnyomában?

– Ezeket a statisztikákat óvatosan kell kezelni, mert a becslések jelentősen eltérnek akkor, ha egy repülő­iparhoz kötődő forrásból származnak, illetve, ha olyan szervezetek teszik őket közzé, amelyek más iparágak hatá­sait igyekeznek pozitívabb színben feltüntetni, és a repülés ártalmasságát akarják hangsúlyozni. Mindenesetre úgy becsülik, hogy a repülés felelős a globális szén-dioxid-kibocsátás egy-két százalékáért, ugyanakkor ez az emisszió közvetlenül a magas légkörben keletkezik, ahol egyes szakemberek szerint erősebb negatív hatást gyakorol a Föld éghajlatára, mint ha a földfelszín közelében történ­ne. Emellett ott vannak a kondenzcsíkok, amelyek bizonyos mértékig önmagukban is befolyásolhatják a felmelegedést. Ám ezek csak a repülés közvetlen környezeti hatásai. Hiszen a repülés gazdaságserkentő hatásai egészen jelentősek. Ha például korlátozzuk az emberek repülési lehetőségeit, annak a teljes gazdaság lassulása lehet a következménye, így e tevékenység ezen keresztül is befolyásolhatja a környezeti folyamatokat.

A fapados légitársaságok megjelenésével a repülés viszonylag megfizethetővé vált a középosztály számára. Ezért sokan lényegesen gyakrabban tudnak repülni, mint régen; a repülőgéppel utazás általánossá vált. Emiatt jelentősen megnőtt a légi forgalom, és sokkal több repülőgép van manapság a levegőben.

– Bizony sokkal, és ez hamarosan hatalmas légi irányítási problémákat fog okozni. Ha továbbra is ilyen arányban növekszik például a Magyarország felett átrepülő gépek száma, azt a hagyományos légi irányítási struktúrák már nem sokáig lesznek képesek kezelni. Ha továbbra is emberi döntéseken alapul a légi irányítás, akkor tíz éven belül elérhetjük a kapacitás felső határát, így elkerülhetetlen az automatizáció – bár ez nem feltétlenül a szigorú értelemben vett mesterséges intelligenciát jelenti. Mindenképpen automatizálni kell a repülőgépek útvonal­tervezését és a felmerülő konfliktusok kezelését. És eddig még csak a polgári légi személyszállításról beszéltünk. A helyzet tovább súlyosbodik, ha figyelembe vesszük a légi teherszállítást és a drónforgalmat is. A rendszer egészének hatékonyságát növelni kell, és ebbe a légi irányítás ugyanúgy beletartozik, mint a repülőgépek irányítása és energiahatékonysága.

Ha továbbra is ilyen arányban növekszik például a Magyarország felett átrepülő gépek száma, azt a hagyományos légi irányítási struktúrák már nem sokáig lesznek képesek kezelni.

Demonstrátor repülőgép

Energetikai szempontból mennyire hatékonyak a nap­jainkban használt repülőgépek? Vagyis elméletileg milyen arányú hatékonyságnövekedés érhető el bennük?

– Az Airbusszal és a világ nagy repüléstechnikai kutatólaboratóriumaival közös projektjeink során megállapítottuk, hogy minimum 10-15 százalékos hatékonyságnövekedés érhető el a jelenlegi technológiák hatékonyabb kihasználásával, illetve a tervezési módszerek szorosabb együttműködése által. Ehhez csak kissé kell módosítani a repülőgépek aerodinamikai tulajdonságait és a tervezésüket. 

Léteznek tervek az eddig csak a katonai gépeknél alkalmazott csupa szárny alak polgári alkalmazásáról is.

Ha a hagyományos hajtóműveket is optimalizáljuk, azzal is nyerhetünk ezen felül néhány százalékot. Vannak olyan ötletek, amelyek a hajtóműveket jobban integrálnák a repülőgép törzsébe, szorosabban összekapcsolva a hajtómű- és sárkányszerkezet-tervezési diszciplínákat, amivel szintén néhány százalékkal lehetne javítani a hatékonyságot. Ezek eddig az evolúciójellegű, vagyis a fokozatos fejlődés hatásai voltak. A fejlesztések másik irányvonala inkább revolúcióként, vagyis forradalmi változásként értékelhető, amely teljesen új alapokra helyezné az iparágat. Idetartoznak az alternatív hajtás­módok, például a hidrogén- vagy elektromos hajtású re­pülő­gépek. Léteznek tervek az eddig csak a katonai gé­peknél alkalmazott csupa szárny alak polgári alkalmazásáról is. Ezeknél nem különíthető el a törzs a szárnytól, és ezáltal a törzs is részt vesz a felhajtóerő képzésében. Ez a struktúra sokkal hatékonyabb lehet, és akár 20-30 szá­zalékos energiamegtakarítás is elérhető a segítségével.

Az Airbus eXtra Performance Wing technológiája megváltoztatja a szárny alakját a madár tollainak utánzásával, ezzel automatikusan alkalmazkodik az aerodinamikai áramlás maximalizálásához. A Wing UpNext az első felszállása előtt. (Kép: Airbus)

A SZTAKI Rendszer- és Irányításelméleti Kutatóla­bo­ratórium hogyan került kapcsolatba a repüléssel?

– Én az Egyesült Államokban jártam egyetemre, utána egy nagy amerikai repülőipari beszállítócégnél helyezkedtem el. Így sikerült erős kapcsolati hálót kiépítenem a szektorban, majd az áttörés 2009-ben következett be, amikor az Airbusszal konzorciumban elnyertük az Európai Unió 7. keretprogramjának fejlesztési támogatását. Az Airbusszal akkor kerültünk kapcsolatba, amikor a cég versenyt hirdetett a kutatóintézetek számára. Az volt a feladat, hogy olyan megoldást tervezzünk, amelynek segítségével úgy is érzékelni lehetett a robotpilóta szintjén, hogy a szárnyban meghibásodott egy alkatrész, ha a probléma helyén nincs erre dedikált érzékelő. Ezt a versenyt a SZTAKI csapata nyerte, aminek eredményeképpen egyre több, közös európai pályázaton vehettünk részt az Airbusszal és más repülőipari szereplőkkel is. Később konzorciumvezetőként elnyertük a Horizon 2020 program támogatását, és ebben a projektben építettünk egy kutatási célú demonstrátor repülőgépet az Airbus követelményeihez igazodva. Ennek egyik komponensét, egy aktuátort, egy beavatkozó egységet a projekt zárása után az egyik nagy repülőgépgyártó meg is vásárolta tő­lünk a saját kutatóprojektjei számára. Vagyis az eredményeink nemcsak tanulmányok írásában merültek ki, ha­nem egy jelentős iparági szereplő is meglátta a kézzel­fog­ható termékünkben rejlő lehetőségeket, megvette azt, és azóta is együtt dolgozunk velük.

Az önök kutatásai tehát nemcsak elméleti, model­lező jellegűek, hanem fizikai kísérleteket is végeznek, és terméket is fejlesztenek?

– Egy korábbi, nyolc évig tartó projektünkben kifejezetten az Airbusnak építettünk egy hétméteres szárnyfesztávolságú, pilóta nélküli repülőgépet, hogy az elméleti és szimulációs eredményeinket a valóságban is validálni tudjuk. Hiszen a számításokból akkor tanulhatunk igazán sokat, ha kísérletesen is ellenőrizni tudjuk az eredményeket. A papír mindent elbír, de a repülésben csak akkor tekinthető bármilyen fejlesztés eredményesnek, ha kiállja a valóságos teszt próbáját is. Másrészt a gyakorlati tesztek kiválóan képesek koncentrálni a csapat erőfeszítéseit. Ilyenkor ugyanis szó szerint kézzelfogható cél lebeg a szemünk előtt: ott egy tárgy, egy repülőgép, amelynek repülnie kell.

Három ország nemzetközi kutatócsoportja az Airbusnak épített kutatási célú demonstrátor repülőgéppel. A repülési tesztek a Német Légi- és Űrkutatási Központ (DLR) Nemzeti Kísérleti Tesztközpontjában zajlottak, Cochstedtben. (Kép: Fabian Vogl)

Flatterhatás

A repülőgépek mely szerkezetei elemei a legfontosabbak a hatékonyság szempontjából?

– Az egyik legfontosabb ilyen jellemző – és éppen ezért ezzel sokat foglalkozik a laboratóriumunk is –, hogy minél jobban karcsúsítsuk a szárnyat. Ugyanis jól ismert összefüggés, hogy minél nagyobb a szárny karcsúsága, annál kisebb az úgynevezett indukált ellenállás. A karcsúság gyakorlatilag a fesztávolság és a szárnyfelület aránya. Ha például összehasonlítjuk a vadászrepülőgépeket és a vitorlázó repülőgépeket, akkor azt látjuk, hogy míg a vadász­gépek szárnyai szélesebbek a hosszúságukhoz képest, addig a vitorlázógépek szárnya sokkal keskenyebb felülről nézve: vagyis a vitorlázógépek szárnya jóval karcsúbb.

Minél nagyobb a szárny karcsúsága, annál kisebb az úgynevezett indukált ellenállás.

Tehát a karcsú szárny hatékonysági szempontból előnyösebb?

– Igen, abban az esetben, ha repülés közben nem deformálódik. Ha például nagyon merev márványból építe­nénk karcsú szárnyat, az – a szélcsatornában végzett kí­sérle­tek bizonyítják – remek lenne. De a valóságban ter­mészete­sen sokkal rugalmasabb anyagokból, például szénkompozitokból kell megépítenünk a szárnyat. Ezek pedig hajlamosak arra, hogy a szél hatására meghajoljanak és elcsavarodjanak. Ez a hatás egyrészt rontja a hatékonyságot, másrészt pedig az okozott probléma olyan súlyossá válhat, ami már a biztonságra is kihat. A szárny repülés közben történő öngerjesztő periodikus meghajlását és elcsavarodását nevezzük flatterhatásnak. En­nek a jelenségnek alapvető a jelentősége a repülés­biz­tonság szempontjából, ezért a mi laboratóriumunk is so­kat fog­lalkozik a csökken­tésé­vel, illetve a kiküszöbölé­sé­vel. A flatterjelenség leg­ismertebb példája nem is a repülőgé­pekhez kapcsolódik, hanem az amerikai Washington ál­lam­beli Galloping Gertie hídhoz, amely a Tacoma Nar­rows-szoroson ívelt át. A híd alig négy hónapos volt, ami­kor 1940-ben leszakadt, mert ahogy oldalról fújta a szél, a hídszerkezet kissé de­formálódott. A deformálódás hatására megváltoztak a híd aerodinamikai tulajdonságai, öngerjesztő folyama­tok indultak be, és a szerkezet olyannyira megcsavarodott, hogy végül leszakadt. Szélsőséges esetben ugyanez történhet a szárnnyal is, vagyis letörhet.

Ez milyen gyakori jelenség a repülésben?

– A flatterhatás előbb-utóbb mindenképpen kialakul, de a tervezéskor az a cél, hogy e jelenség csak olyan se­bességeknél jelentkezhessen, amelyet a repülőgép már képtelen elérni. Az utasszállító repülőgépeknél pél­dául a gyártónak bizonyítania kell az engedélyeztetés előtt, hogy a flatterjelenség előállása csak a repülés köz­ben elérhető maximális sebesség felett 15 százalékkal jelentkezhet. Ha a repülőgépgyártó még a tervezési vagy tesztelési fázisban felismeri, hogy a repülőgépen flatterhatás alakulhat ki, akkor változtat a terveken. Például több strukturális komponenst épít a szárnyba, ez azonban nem ideális megoldás a probléma kiküszöbölésére. A mi megközelítésünk ezzel szemben az, hogy aktív módon is ki lehet küszöbölni, ki lehet oltani ezeket az öngerjesztő lengéseket, mégpedig a szárnyfelületek változtatható állásszögű komponenseinek okos felhasználásával. Ezeknek a megoldásoknak a segítségével a repülőgép-tervezők szabadabban tervezhetik meg a szárnyat és a gép egyéb komponenseit, hiszen az aktív lengéskioltás révén még azok a szárnyjellemzők is megvalósíthatóvá válnak, amelyek egyébként a flatterjelenségek miatt kivitelezhetetlenek lennének.

A hosszabb és vékonyabb szárnyak hajlamosabbak a rezonanciára, vagyis arra, hogy bizonyos körülmények között a kisebb rezgések felerősödjenek, és egyre nagyobb kilengést okozzanak. (Kép: Fabian Vogl)

Vagyis ezekkel a megoldásokkal változatosabb alakú repülőgépek születhetnek?

– Részben igen, de itt nemcsak az alakon van a hangsúly, hanem a szárny belső struktúráján is. Az aerodinamikailag ideális forma ugyanis csak az érme egyik oldala, mert azt az alakot el lehet készíteni márványból és gumiból is, amelyek totálisan eltérő módon fognak viselkedni repülés közben. Ha deformációra hajlamos anyagból készül a szárny, akkor a tervezéskor bele kell kalkulálni, hogy a szárny alakja a földön és a levegőben merőben más lesz. Azt kell elérnünk, hogy a repülőgépre ható minden hatás összeadódása után, utazósebességnél a szárny optimális alakot vegyen fel. Minél rugalmasabb anyagból készül és minél karcsúbb a szárny, annál nagyobb lesz a deformáció. Ilyenkor hatalmas a létjogosultsága annak a törekvésnek, hogy ne hagyjuk a repülőgép szárnyát úgy görbülni és csavarodni, ahogy az a szerkezet és az aerodinamika egymásra hatása miatt passzívan deformálódna. Ilyenkor válik fontossá az aktív szabályozás, vagyis a mozgatható szárnyfelületek innovatív használata, amivel nemcsak a biztonságot lehet növelni, de például az üzemanyag-felhasználás is csökkenhet.

Zsanér a szárnyban

Ehhez azokat a mozgatható szárnyfelületeket használják, amelyek már ma is részei a repülőgépek szárnyainak, és fékezésre, illetve kormányzásra használják őket?

– Részben igen, hiszen ezek az úgynevezett flapek vagy féklapok, illetve a csűrőkormány eleve rendelkezésünkre áll. Amikor ezeknek a szárnylapoknak az állását változtatják, azzal átalakítják a szárny aerodinamikai tulajdonsá­gait, és ezzel befolyásolják a flatterjelenséget is. Ez a hatás akkor válik igazán jelentőssé, ha a jövőben elterjednek a mainál jóval karcsúbb szárnyú repülőgépek (hiszen ezek energetikailag hatékonyabbak), a karcsúbb szárny ugyanis érzékenyebb az elhajlásra és a csavarodásra, emiatt túlságosan erős széllökések esetén könnyebben eltörhet. Viszont, ha a tervezéskor előre készülünk arra, hogy extrém erős széllökés érkezik, vagy akár előre is tudjuk ezt jelezni, akkor a flapek segítségével úgy változtathatjuk meg a szárny alakját, hogy kioltsuk a kezdődő öngerjesztő kilengéseket. Például megtehetjük, hogy a szárnyvégeket lefelé, a szárny belső felületeit pedig felfelé hajlítjuk. Így az összfelhajtóerő azonos marad, de a nyomaték közelebb kerül a törzshöz (nagyobb ellen­állás mellett), és csökken a súlyos deformáció veszélye. Vagyis aktívan befolyásolhatjuk azt, hogy a repülés során a szárnyon hol és mekkora erők ébredjenek, ezt pedig a tanúsításkor bizonyítani is tudjuk. 

A modern repülőgépek szárnyaiba már egyre több mozgatható flapet igyekeznek beépíteni.

Éppen ezek a törekvések állnak annak a tendenciának a hátterében, hogy a modern repülőgépek szárnyaiba már egyre több mozgatható flapet igyekeznek beépíteni. Ezek a függet­le­nül mozgatható lapok ott sorakoznak a szárny hátsó szélén, mintha csak zongorabillentyűk lennének. A meg­felelő lapok felemelésével vagy lenyomásával egészen finoman lehet szabályozni a szárny aerodinamikai tulajdonsá­gait, és ezáltal a flatterhatást is.

A repülés infrastruktúrájának maga a repülőgép csak az egyik komponense: a rendszer működéséhez a földi kiszolgálásra is szükség van. A mainál hosszabb szárnyú repülőgépek nem fognak gondot okozni például a reptereken?

– Igen, ez valóban problémát jelenthet, ezért tervez a Boeing és az Airbus is felhajtható szárnyvégű repülő­gépeket. A Boeing lassan már el is jut oda, hogy engedélyeztesse a 777X-et, amelynek már fel lehet hajtani a szárnyvégeit. Ilyenkor a szárny kétharmadánál egy csuklót építenek be, amely parkoláskor felhajtható. 

Jóllehet a csukló növeli a szárny tömegét, általa egy újabb beavatkozási ponthoz jutunk.

Természetesen az ilyen jelentős szerkezeti átalakítások­nak mindig ára van, ezért a tervezéskor optimalizálni kell az előnyöket és a hátrányokat. Jóllehet a csukló növeli a szárny tömegét, általa egy újabb beavatkozási pont­hoz jutunk. Vagyis a csuklót nemcsak a reptéri helytakarékosság céljaira használhatjuk, hanem a szárnyak rugalmas viselkedését is befolyásolhatjuk a segítségével. Tehát ezeket a zsanérokat aktívan is használhatjuk, például a széllökések káros hatásainak kioltására, és ezáltal akár ellensúlyozhatjuk is a zsanérok okozta tömegnövekedés negatív következményeit.

A Boeing 777X, amelynek már fel lehet hajtani a szárnyvégeit. (Kép: Dan Nevill from Seattle, WA, United States)

A felszíni közlekedésben az energiahatékonysági fej­lesztések nagy része az alternatív hajtásmódo­kat célozza. A repülésben azonban mintha nem ter­jed­­né­nek az elektromos vagy akár a hidrogénes meg­haj­tás megoldásai. Mi ennek az oka?

– Itt is az infrastruktúra kiépítetlensége a legerősebb korlátozó tényező. Ahhoz, hogy például a hidrogénhajtás megvalósulhasson, létre kellene hozni a reptereken a hidrogénellátás feltételeit. Leginkább helyben kellene telepíteni a vízbontással hidrogént előállító üzemeket, amelyek azonban rettentő energiaigényesek lennének, tehát erőmű is kellene hozzájuk. Vagyis e hajtásmód elterjedése nem csak a repülőgépek fejlődésén múlik. A nehézségek ellenére az Európai Unió elindult a hidrogén által hajtott repülők támogatásának irányába.
Azt igyekeznek elérni, hogy egy-két évtizeden belül már ne legyen drágább a hidrogénnel hajtott repülőgép üzemeltetése, mint a hagyományos kerozinos gépeké – bár ezt leginkább a kerozinra terhelt pluszadókkal, vagyis a hagyományos fosszilis meghajtás drágításával próbál­ják elérni. A hidrogénhajtás elterjedéséhez azon­ban nem elég az EU támogatása; ehhez az Egyesült Államok és Kína hozzájárulására is szükség lenne. Ugyanakkor az akkumulátortechnológia hatalmas fejlődésen ment át az elmúlt években, tehát már rendelkezésre állnak azok az akkumulátorok, amelyek nemcsak a személyautókat, de akár a repülőgépeket is képesek energiával ellátni.
Nagyon valószínű ezért, hogy a jövőben a kisrepülőgé­pek és a rövid távú járatok esetében a tisztán elektromos hajtás, a középtávú járatoknál a hidrogén üzemanyag­cella-elektromos hibrid hajtás, a leghosszabb távú repüléseknél pedig a hidrogént égető gázturbinák válnak majd egyre dominánsabbakká. Ám ehhez még rettenetesen sok kutatásra és még több pénzre van szükség.•

Címlapkép: Airbus