Mitől nehéz a repülőgép-tervezés? Drónok térhódítása

Sok Marosvásárhelyről elszármazott kiváló szakember él és dolgozik a nagyvilágban. Köztük van a volt bolyais diák, a negyvenes évei elején járó prof. dr. Sóbester András, aki a dél-angliai nagyváros, Southampton egyetemén a repülés és űrrepülés szak professzoraként repülőgép-tervezést tanít. Szabadsága idején főtéri lakásukban beszélgettünk pályafutásáról, a repülésről és a drónokról édesanyja, Sóbester Klára gyógyszerésznő társaságában.

– Hogyan vezetett az út az Egyesült Királyságba? 

– A kolozsvári műegyetem gépészmérnöki szakára jártam, a negyedévet viszont egy csereprogram keretében egy észak-angliai egyetemen végeztem. Onnan tértem vissza Kolozsvárra tanulmányaimat befejezni, majd a Southamptoni  Egyetemen doktoráltam repülőgép-tervezésből. 

Amikor a doktorátus körülményeiről érdeklődöm, humorosan megjegyzi: 

– „Megmagyarázhatatlan” módon sikerült. Akkor még nem tudtam, hogy egy nagyon jó időszak volt az életemben, mert csak egy dologra kellett összpontosítanom. A kezdő kutatónak olyan szempontból „nagyon könnyű” a helyzete, hogy van egy projekt, amin dolgoznia kell, és három év múlva a kész munkát be kell mutatnia. Ezzel biztatom a doktoranduszaim is. Mert az említett időszakhoz képest egyetemi tanárként egy átlagos hét alatt  értekezletek, előadások, határidők stb., sok ilyen „szabad időt” nem hagynak a programomban. Visszatérve a kérdésre: egy kutatási projekten dolgoztam néhány évig, aztán következő lépésként megpályáztam egy oktatói állást. A Southamptoni Egyetemen kezdtem tanársegédként, ahol 2021-től professzorként oktatok. 

– Ezek szerint a külföldi származás nem jelentett hátrányt?

– A britek nagyon nyitottak és befogadóak, senkit sem érdekel, hogy ki honnan származik, a teljesítmény a fontos. Egyébként a munkahelyem nagyon nemzetközi összetételű.

– Elegáns, nagy egyetem, olvastam, hogy több mint 20.000 hallgatója van. 

– Az óceánkutatástól a szülészetig, a zenétől az elektronikáig, a számítástechnikától a csillagászatig, a jog, a közgazdaságtan, szinte minden szak megtalálható. Ez jellemző az angliai egyetemekre.

– Van-e erdélyi a kollégák között? 

– Nem tudok róla. Volt viszont egy kutatási projektünk több fakultás részvételével. Ennek kapcsán egyszer valamiért meglátogattam a vietnámi kollégát, aki a számítástechnika karon dolgozott. Amikor ajtót nyitott: – Szervusz, András, parancsolj, foglalj helyet – mondta ékes magyar nyelven. Kiderült, hogy kétéves korától Magyarországon élt a szüleivel, és ott járt iskolába. Engem az szórakoztatott, hogy amikor a kollégáim észrevették, hogy a folyosón egy nyilvánvalóan távol-keleti kinézésű úriemberrel olyan nyelven beszélgetünk, amelyet senki sem ismert, valósággal rövidzárlatot okozott egyeseknél. 

– Feltehetően édesapádnak, Sóbester Ferenc pilótának – aki 17 éven át aktívan repült, majd a vezetője volt az Aviasan egészségügyi mentőszolgálatnak – is szerepe volt abban, hogy a repüléssel kapcsolatos hivatást választottad.

– Miután elmúlt egy olyan időszak, amikor egészen biztos voltam abban, hogy mozdonyvezető vagy tűzoltó leszek, már egészen kicsi koromtól kezdve ki voltam téve ennek a kísértésnek, annak ellenére, hogy édesapám azt szerette volna, hogy a színművészeti egyetemre felvételizzek, így nem kellett volna elmennem Vásárhelyről.

– Ahhoz képest a választott pálya vonzásában elég messzire sodort a sors. Repülőgép-tervezésből doktoráltál, a dolgozatod az egészre vonatkozott, vagy valamilyen részletére egy repülőgépnek?

– A legjobban a repülőgép-tervezés eszközei érdekelnek, algoritmusok, matematikai modellek, a repülőgép-tervezést alátámasztó statisztikai módszerek. 

– Egy kicsit beavatnál ezeknek a jelentésébe? 

– Azok a „szerszámok”, amelyeket bármilyen repülőgép tervezésekor használni lehet: algoritmusok, numerikus modellek, számítógépes szimulációk, például légáramlás szimulálása egy, még nem létező repülőgép körül. A legjobban mindennek a mértani része vonz. Az alapvető mértani probléma szerint a repülőgépnek van egy hasznos terhe, ami lehet egy vagy száz utas, kereskedelmi áru stb., és e köré kell egy gépet tervezni. Ennek a formája és a nagysága alapvetően mértani problémát jelent. Feltevődik a kérdés, hogy a lehetséges végtelen számú mértani alakzat közül, amelybe be lehetne csomagolni ezt a hasznos terhet, melyik a legjobb. Itt következnek a módszerek, amelyek lehetővé teszik ezeknek a formáknak a generálását, amelyek száma végtelen, de le kell egyszerűsíteni addig, hogy egy véges számú megoldást generáljunk. Ezek a kissé hasonló, de eléggé különböző repülőgépek. Ezért egy olyan módszerre van szükség, amellyel el lehet dönteni, hogy két alternatív megoldás közül melyik lesz a legjobb. Ennek is több oldala van, egyrészt, hogy mi az a megfelelőségi szám, amivel el lehet dönteni a jobbik megoldást. Ez általában az üzemeltetés költségével kapcsolatos, vagy a fizikával közelebbi szinten az elfogyasztott üzemanyaggal. Ha a megtervezendő repülőgépnek az a feladata, hogy a hasznos terhet A-tól B-ig el kell szállítani egy bizonyos magasságban és gyorsasággal, akkor az a kérdés, hogy a két lehetőség közül melyik tudja ezt a feladatot a legkevesebb üzemanyag felhasználásával végrehajtani. 

A másik érdeklődési területe a kutatócsoportnak, amelyben dolgozom, a drónok tervezése és készítése. A megvalósult tervezési módszereket a drónok építésénél is fel tudjuk használni. 

– Beszélj az egyetemről, ahol tanítasz!

– A Southamptoni Egyetemen van egy mérnöki iskolánk, amelyen körülbelül 2000 mérnökhallgató tanul. Közülük 600-an választják a repülőmérnökit (pontosabban a repülés és űrrepülés szakot). Amikor kiállok az elsőévesek elé, körülbelül 210 hallgatóval nézek szembe.

– Ebből hányan szerzik meg a diplomát?

– Tartottam ettől a kérdéstől. Van egy bizonyos lemorzsolódás, de több mint a háromnegyede marad. 

– Milyen tantárgyakat tanítasz?

– Elsőéveseknek egy Bevezetés a repülésbe és az űrrepülésbe nevű tantárgyat, ami valójában a repülés mechanikájába való bevezetésről szól, Newton második törvényéről tárgyakra alkalmazva. Továbbá a repülés műveleti oldalait vesszük számba az időjárástól a navigációig stb. Az asztronautikába való bevezetés során a rakétarepülés mechanikájának az alapjait tanulják meg. 

Harmadéven repülőgép-tervezést tanítok. Ezenkívül olyan alaptantárgyaink vannak, mint a mechanika, a szilárdságtan, az aerodinamika, a folyadékmechanika, a matematika, a fizika, az elektronika, a programozás stb. Ahogy haladnak tovább, mind specializáltabb tantárgyak következnek, így például a repülőgép-szilárdságtan, a szárny-aerodinamika típusú tantárgyak. 

A szak koronaékszere az egyéni diplomamunka harmadéven, negyedéven pedig hatos csoportokban megterveznek és megépítenek valamit. Fantasztikus lehetőségeik vannak, biztosítjuk számukra a tervezési, gyártási és tesztelési felszerelést, ami szükséges ahhoz, hogy október és május között egy olyan repülőgépet tervezzenek, ami a megadott feltételeket teljesíti. Legtöbbször érdekes, a lehető legkockázatosabb, legszokatlanabb feladatok végrehajtására alkalmas drónok tervezésével bízzuk meg őket, amire később az iparban elhelyezkedve nem lesz alkalmuk. Az egyetemen viszont nagyon jó műhelyek vannak erre a célra, szélcsatornákban és egyéb laboratóriumokban lehet a drónokat tesztelni, mielőtt a levegőbe emelkednek. Áprilisban egy hideg reggelen kimegyünk egy közeli repülőtérre, füves mezőre, ahol kipróbáljuk. Az ötös-hatos csoportok párhuzamosan dolgoznak az év során, és ilyenkor meglátják a társaik munkájának az eredményét is, ami igazi versengéssé avatja ezt az eseményt. 

Van egy rendkívül erős idegrendszerű berepülő pilótánk, aki nagyon sok éve ezeket az elképesztően kockázatos, nem a legstabilabb alapokon nyugvó drónokat a levegőbe emeli. Azt szoktuk mondani: ha a leszállások száma egyenlő a felszállásokéval, akkor nyertünk. Legtöbbször két napig tart a próbaröptetés, ez idő alatt a drónokon levő ragasztószalag mennyisége fokozatosan növekedik, és közben nagyon sokat tanulnak a hallgatók. Egy dolog a felhajtóerő termelésének a mechanizmusát egy tankönyvben elolvasni, és teljesen más, amikor látják tervezési döntéseiknek az eredményét, ha a levegőben van a gép. Ugyanakkor a tervezés és a gyártás alatt olyan kapcsolatokra találnak a terv különböző aspektusai között, amilyenekre nem számítanak. Megtanulják külön az aerodinamikát, a szerkezettant, a szilárdságtant, a gyártási módszereket, a hajtóművek termodinamikáját, de a próba során jönnek rá, hogy ezek mind összekapcsolódnak, és akkor lesz igazán bonyolult a kérdés. Akkor tanulják meg azt, hogy minden mérnöki döntésnek vannak pozitív és negatív oldalai is, és mindig a legkevésbé rossz döntést kell hozni, de azt csak úgy lehet, ha figyelembe vesszük a probléma összes aspektusát, és ettől nehéz a tervezés. Semmit nem lehet izolálni a rendszer többi részétől, különösen a repülőgép-tervezésben. Ha bármely kis változást eszközölünk, egy hajtóművet például nagyobbra cserélünk, akkor ez megemeli a tömeget, a nagyobb tömeg megváltoztatja a repülőgép teljesítményét, a terhelést, amit a szárnyak el kell bírjanak, és ez így folytatódik tovább, mint egy dominóeffektus. 

– Lányhallgatók vannak-e?

– Vannak, de nem annyian, amennyit szeretnénk. Amikor a hallgatók 20 százaléka lány, akkor nagyon jó évünk van. Ilyen szempontból még sok a dolgunk. 

– Akik elvégzik a szakot, hol tudnak elhelyezkedni?

– Egy részük a repülőgépiparban, de sokan teljesen más irányt vesznek. Vannak hallgatóink, akik szakot váltanak, általában a gépészmérnökit választják, de aki nagy kalandra vágyik, az építőiparra vált át. Hasonlóra számítottam, amikor az egyik hallgatóm bejelentette, hogy szakot akar váltani, de nagy meglepetésemre kiderült, hogy musicalrendező szeretne lenni. Amire megjegyeztem, hogy a kemény szilárdságtani és aerodinamikai alapok, amelyeket első évben lefektetett, feltehetően a hasznára válnak majd. 

– Az Egyesült Királyságban hol van repülőgépgyár?

– Két komoly gócpont van, az egyik az Airbus, amelynek van egy kutatási központja Bristolban, és egy gyártási és összeszerelési üzeme Walesben. A másik a Rolls-Royce nevű cég, ami ugyancsak a két R logó alatt szerepel, és gázturbinás sugárhajtó műveket, valamint sok minden mást (energiageneráló turbinákat) gyárt. Ők az egyik kulcsfontosságú ipari partnerünk, és az általunk kidolgozott módszerek nagy részének a felhasználói. Ezenkívül mindenik cégnek vannak beszállítói, amit úgy kell elképzelni, mint egy hatalmas piramis alapját. Ilyen szempontból nagyon gazdag a brit ipar, sok mindent gyártanak, ami egy repülőgéphez szükséges. Van egy honvédelmi ipari része is, harci repülőgépeket és hozzájuk tartozó elektronikai felszereléseket gyártanak. Ezenkívül kis gépek is készülnek. 

– Szó volt a drónok tervezéséről. Mióta léteznek?

– A drónok története nagyon hosszú, szinte egyidős a repülőgépek történetével. 

– Miért csak az utóbbi években hallottunk többet róluk?

– Azért, mert a hatásos és biztonságos vezérlésükhöz szükséges elektronika most lett eléggé előrehaladott és elég könnyű a tömeg szempontjából. Egy drón stabilizálásához szükséges giroszkópos rendszer, ami a drónt vezérli, több nagyságrenddel miniatürizálódott. Ez lehetővé teszi azt, hogy egy kicsi kínai játék drón stabilitás szempontjából már azt tudja, mint egy olyan, ami az 1960-as években akkora lett volna, mint egy ház. Az elektronika fejlődése mellett nagyon megnőtt az akkumulátorok energiasűrűsége, tehát a tömegegységre eső tárolt energiamennyiség. Ez lehetővé tette az elektromos meghajtású drónok készítését, beleértve a forgószárnyas szerkezeteket, amit az üzletekben is meg lehet már vásárolni.

– A repülőgép-tervezést tanító professzornak van-e drónja?

– A legjobb része a munkahelyemnek olyan, mint egy játékszoba, ahol játékdrónok lógnak a falról. Van olyan, amit mi építettünk, és van, amit vásároltunk. A legnagyobb dolog az, hogy a fejlődés gyermekjátékszer-ár szintre hozott le nagyon komoly drónokat. Van olyan forgószárnyas herkentyű, ami a tenyeremben elfér, és 10-12 percig tud repülni. 

– És remek képeket készít. 

– Hadd ne menjünk bele ennek a nagyon bonyolult jogi hátterébe. Viszont már egy középiskolás fiatal is vehet 50 euróért egy drónt, amit programozni lehet, és sok mindenre felhasználhatja. Ha a drónokon kívül a számítógépekre gondolunk, olyan lehetőségek nyílnak a fiatalok számára, hogy például komoly robotokat lehet építeni, távirányítani. Ez demokratizálta a drónok használatát is. 

A drónkérdésnek egy komoly oldala viszont az, hogy milyen formában lesz a társadalom számára hasznos. Ipari felhasználás szempontjából forradalmasították a filmezést. Egy ingatlanügynök is megengedheti magának, hogy egy drónszemmel látható felvételt készítsen az ingatlanról, amelyet árul. A tévéműsorok és filmek is lassan már elképzelhetetlenek drónfelvételek nélkül. Oda jutottunk, hogy a felhasználói drónok piacán vezető szerepet betöltő kínai cégnek vannak olyan készülékei, amelyek egy nagyobb fényképezőgép táskájában elférnek, rendkívüli teljesítményre képesek, és aránylag rossz időben is éles felvételt készítenek. A következő iparág, ahol alkalmazhatóak lesznek: a megfigyelés típusú feladatok, például a magasfeszültségű vezetékek megfigyelése és karbantartása egy fantasztikus felbontású kamerával, ami minimális költséggel rengeteg nehézkes munkától kíméli meg az embert. A térképészetnek is egy dinamikus dimenziót fog adni, például egy tengerpart pillanatnyi formáját nemcsak térben, időben is feltérképezi, ami pontosan tükrözi az eróziót. Kereskedelmi súllyal bíró alkalmazás a csomagküldés, a drón a megrendelt árut rendkívüli gyorsasággal képes házhoz szállítani. Azonban óriási problémát fog jelenteni, ha emberek által sűrűn lakott területek fölött közlekedni kezdenek a drónok, amelyek össze is ütközhetnek vagy üzemzavar következtében kénytelenek lesznek emberek közé leszállni. Mi történik, ha a drónok által okozott zaj sokak számára problémát fog jelenteni? Lesznek folyosók a légtérben, amelyeket drónok használhatnak? Mi történik, ha zavarni kezdi a normális légi közlekedést, vagy ha üzemzavar következtében egy drón letér a neki kijelölt pályáról. Környezetvédelmi szempontból jó hír, ha nem egy dízelautó, hanem egy elektromos drón fogja szállítani a csomagot, ami nem szennyezi a környezetet, de mi lesz akkor, ha taxik helyett embereket akarunk drónnal utaztatni, Kolozsvárra például egy negyedóra alatt? Ez több trilliós iparág lesz, de óriási jogi, biztonsági és technológiai kérdéseket kell megoldani. Aki ezekre a problémákra megoldást talál, a legnagyobb elismerést érdemli.

Függelék

– Hogyha már találkoztunk, szeretném elmondani, hogy nagyon szeretek repülni, és mindig izgatja a fantáziám egy mérnökember számára feltehetően buta kérdés: hogy egy nagy testű utasszállító repülőgép, tele emberekkel, csomagokkal hogyan tud olyan kecsesen és látszólag könnyedén a levegőbe emelkedni?

– Édesapám évtizedekig pilóta volt, és ő is mindig ezt kérdezte. Bizonyos szempontból egy pszichológiai csalódásról van szó, olyan értelemben, hogy amikor egy nagy utasszállító repülőgépet lát az ember, akkor elképzelünk egy olyan sűrűséget, ami a körülöttünk lévő tárgyak sűrűségéhez fogható. De egy utasszállító repülőgép sűrűsége, vagyis a tömege elosztva a térfogatával nagyon alacsony. Ezt nehéz elhinni egy 180 személyes utasszállító gépről, amilyent a marosvásárhelyi röptéren is látni lehet. De a törzs alumínium bevonata jellemzően körülbelül két milliméter vastag, a többi része (egyéb szerkezeti elemektől és a gép fedélzeti rendszerétől eltekintve) nagyrészt az utastér levegője! A léggömbtől ilyen szempontból abban különbözik, hogy a felhajtó erőt a szárnyak biztosítják, nem a gáz, ami a „léggömbben” van – mondhatnám egy „kontraproduktív” metaforával. Egy ilyen repülőgép azért emelkedik a levegőbe, mert a mérnökök rendkívül sokat izzadnak azért, hogy minden alkatrészből, a szárnyaktól a tálcákig, amin az ételt felszolgálják, mindenből a lehető legtöbb tömeget kivegyék. Mindent a tömeg minimalizálása irányít, ahogy egyébként az űrrepülésben is ez az állandó vezéreszme uralja a mérnökök gondolatvilágát. Ez addig fokozódik, hogy például egy bizonyos alkatrész elbírná-e a terhelést, ha öt lyukat fúrnánk belé, mint egy sajtba. Többek között azért tart egy új szállító repülőgép kifejlesztése több mint egy évtizedet manapság, mert nagyon sokat kell a súlycsökkentéssel „szórakozni”. 

– Ez világos, hogy sokkal könnyebb, mint gondolnánk, de ezenkívül még mitől száll fel és repül a levegőben? 

– A hajtóművek nagy teljesítményének köszönhetően. Egy Airbus 320-asnál (gyakran látni ilyeneket Vidrátszegen), például a hajtóművek egyenként több mint tíz tonna tolóerőt generálnak a felszállópályán. Ez a tolóerő körülbelül fél perc alatt annyira felgyorsítja a gépet, hogy a szárnyak annyi felhajtóerőt generálnak, amennyi a repülőgép súlya (jellemzően 70 tonna körül), és akkor a levegőbe emelkedünk.

– És hogyan marad fenn és repül a levegőben?

– Az utazó magasságon az erők egyenlete nagyon egyszerű. A tolóerő egyenlő kell legyen a légellenállással, és a felhajtóerő a súllyal. Ezen az egyenleten alapszik az egész. A tolóerőt a motorok generálják, és annyi tolóerő kell, hogy a légellenállást legyőzze, a felhajtóerőt a szárnyak generálják, és annyi felhajtóerőre van szükség, amennyi a súlyt legyőzi. Amikor az egyikkel gond van, kigyúl egy sor lámpa, és a pilótának megnehezedik a dolga.

– Leszálláskor mi történik?

– Olyankor az a kihívás, hogy senki sem szeret gyorsan leszállni, ezért amikor a kifutópályához érkezik a repülőgép, több szempontból is jó, ha lelassult. Ahhoz, hogy lassan tudjon repülni, vagy a súlyt kellene csökkentenie (de mivel „nem praktikus az utasoktól megszabadulni”), a felhajtóerőt kell növelni. Ha ezt továbbra is a súllyal egyenlőnek akarjuk tartani, akkor, annak ellenére, hogy lassul a gép, a szárny felhajtóerőt generáló képességét növelni kell. Ezt a szárny éléből kinyíló lapokkal lehet elérni, amelyek megnövelik a felhajtóerőt. A sok probléma közül az egyik az, hogy a lapok működését lehetővé tévő komplex mechanikai rendszer nagyon megnöveli a gép szerkezeti tömegét. Ezért ezeket is a lehető legkönnyebbre kell tervezni. De minél kisebbek, annál nagyobb lesz a sebesség a leszállásnál. Attól még le lehet szállni, de sokkal több betonra van szükség, hogy megálljon a gép. Azért, hogy esős napon (ami a legrosszabb a leszállás szempontjából) egy elfogadható hosszúságú kifutón meg tudjon állni a repülőgép, lassan kellene érkeznie. A repülésben elég kényelmetlen ellentmondás, hogy az utazómagasságban gyorsan szeretnénk menni, viszont a leszállásnál lassan. Másodéves hallgatóinknak szoktuk azt a feladatot adni, hogy olyan repülőgépet tervezzenek, amelyen a minimális és a maximális sebesség között a legnagyobb a különbség. Úgy mennek el, hogy ez könnyen megoldható, és malmozhatnak hónapokig, de hamar rájönnek, hogy valójában borzasztó nehéz. Ez az egyik legnagyobb kihívás a nagy utasszállító repülőgépeknél. 

– Sikeresen „leszállva” immár a lap alján is túlra, megköszönöm a türelmet, a laikus méretére szabott magyarázatokat. Sikeres önálló projekteket, tehetséges hallgatókat és a nagy feladatok megoldásában való előrelépést kívánok.