Redbull hangár

Redbull hangár

2011. december 12., hétfő

Az alkalmazott tudományok háza - Látogatásom a grazi Joanneum egyetem repülőműszaki tanszékén

III. rész

Szöveg és fotók: Gabriella

A riport első és második részében, sok egyéb mellett, olvashattatok egy pilóta nélküli repülőgép fejlesztéséről és a repülőszimulátorról is. Ez a repülőműszaki oktatás látványosabb része, de a hallgatóknak szüksége van erős elméleti alapokra is, mint például az alkalmazott matematika és fizika, valamint magabiztos tudásra az avionika terén. És hogy ezek hogyan lehetnek összefüggésben olyan témákkal, mint a pilóta nélküli utasszállító gépek és a brazil Air France járat katasztrófája? A blogbejegyzést végigolvasva megtudhatjátok.

Dr. Messnarz és az alapok

Ha olvastátok riportom első részét, már találkoztatok Dr. Bernd Messnarz nevével. Ő felelős az egyetem  repülőszimulátoráért és többek közt alkalmazott matematikát és fizikát is tanít. Nagyon elvontnak hangzik? Beszélgetésünkből megismerhetitek ezen tantárgyak praktikus oldalát is.

Gabriella: Az alkalmazott matematika és fizika az átlagember számára eléggé misztikus dolog. El tudná magyarázni konkrét példákkal, hogy ez miért fontos a diákok számára?
Bernd Messnarz: Amikor hallgatóink elkezdik a repülőmérnöki szakot, nem különösebben érdeklődnek az alkalmazott matematika és fizika iránt, így nagyon fontos megértetni velük már az első és második szemeszterben, hogy miért hasznos például a logaritmus vagy a fizikában Newton törvényei. Mindig próbálom példával érzékeltetni, hogy később mi lesz az alkalmazása egy matematikai módszernek.



Ennek illusztrálására használom ezt a képet, amelynek témája az Airbus 380 pilótafülkéje, amelyről a hallgatók tudják, hogy rengeteg repülésvezérlési rendszer és komputer van benne. Az oktatás a Repülésvezérlési rendszerek előadással kezdődik, de az ábra legalján a fizika, konkrétabban a híres Newton axiómák láthatók, erre épülnek a repülésvezérlési rendszerek. Ez irányítja az egész mehanikát. Később ugyancsak szükség lesz a matematikára és a fizikára, ahol a differenciális egyenletekkel foglalkozunk. A következő lépés az informatika, mert számítástechnikát használunk a numerikus számításokhoz. Mondhatni ez az út a repülőgép szereléshez.

G: Ez számomra azt jelenti, hogy a jövő pilótáinak az alapokat is ismerni kell, mert nem függhetnek teljesen a számítógépektől, hiszen vannak szituációk, ahol szükség van az alap tudásra. Ezért tűnik számomra furcsának a Ryanair vezetőjének ötlete, aki szerint egy pilóta is elég egy utasszállítógép vezetéséhez, mert a továbbfejlesztett repülésvezérlési rendszer mindent el tudna végezni és a pilótának ezt csak felügyelni kellene. Erről mi a véleménye?
BM: Lehetséges, hogy ez így elegendő lenne. Egy utasszállító még pilóta nélkül is tudna repülni a jövőben, inkább mentális oka van a pilóták alkalmazásának. Továbbá, ha valamilyen előre nem látható dolog történik, a számítógép nem tudna arra reagálni. Egy program csak arra tud reagálni, amire programozták. De számítástechnikai szempontból az utasszállító repülőgépek már napjainkban is képesek az önálló repülésre. Automatikusan tudnak le és felszállni.

G: Említette a mentális okokat mint akadályt. Ha Ön ülne utasként egy repülőgépen, megbízna pusztán a számítógépben?
BM: Nem igazán. Bár valójában már manapság is meg kell bíznunk a komputerekben, mert rengeteg feladatot átvettek és már nagyon is részei a repülésnek.

G: És néha a pilóta sem tud megoldani mindent.
BM: Igen, emlékezzen csak a híres Air France járatra, ami 2009-ben zuhant at Atlanti-óceánba. A pitot csövek eljegesedése miatt rossz adatokat továbbítottak az érzékelők és még a pilóták sem tudták megoldani ezt a szituációt.

G: Az egyik pilóta barátom szerint ennél a konkrét esetnél a kaptánynak tudnia kellett volna, hogy mit kell tenni, de állítólag elég nagy káosz volt a pilótafülkében és nem végezték el azt a manővert, ami segített volna.
BM: Talán a képzés nem elég jó mostanság, többet kellene tréningelni a pilótákat, hogy elkerüljék az ilyen eseteket. Például nem kellene annyira megbízniuk a gépekben.

A quadrokopter



G: Ön be van vonva a JXP projektbe?
BM: Nem, de mesélhetek Önnek a mikro UAV-ról (Unmanned Aerial Vehicle = pilóta nélküli repülőeszköz). Mielőtt megépítettük volna a 7 méteres szárnyfesztávú, 23 kg-os JXP-t, tudtuk, hogy a repülés algoritmusokat nem tudjuk tesztelni ilyen nagy géppel. Szóval van itt egy kisméretű, távirányítású modell repülőgépünk, ami fel van szerelve elektronikával és önállóan tud repülni. Vannak rajta szenzorok és pitot cső is a sebesség mérésére, továbbá robotpilóta rendszer is be lett építve, ami szintén fel van szerelve érzékelőkkel, hogy mérni tudjuk a magasságot. Ez utóbbit egyébként barometrikusan is mérjük. Az egészet a hallgatók építették egy projekt során. Ezév elején volt vele az első önálló repülésünk a laboratóriummal szemben lévő füves részen. A gép önállóan körözött, mindössze GPS kontrollal. Sajnos a legutóbbi teszt során összetört (kipróbáltunk valamit, ami nem sikerült), szóval újjá kell építenünk, de ez csak 90 euróba kerül, így nem lesz olyan drága és az elektronika még működik rajta.
A másik projektünk a quadrokopter, ami szintén önállóan tud repülni és szintén sok szenzorral szereltük fel (például GPS-szel), de van rajta mágneses érzékelő is. Be lehet programozni súlypontokkal, valamint GPS koordinátákkal is és tartani tud egy bizonyos pozíciót a levegőben. Kamerával felszerelve egy útkereszteződés felett is lebeghet, az általa továbbított képeket pedig fel lehet használni forgalomszámláláshoz, ami érdekes lehet az autópálya tervezéssel foglalkozó mérnökök számára. Még szélben és porban is tudja tartani pozícióját a levegőben. A variója (függőleges sebessége) olyan stabil mint egy helikopteré. Egy merevszárnyú géppel összehasonlítva, a quadrokptert sokkal könyebb tesztelni, mert csak kimész és elindítod, míg ha egy merevszárnyú géped van, akkor nagyobb helyet kell keresni. Ez számunkra a legnagyobb előnye. És amikor például GPS jeleket vagy ehhez hasonlókat gyűjtünk a repülési röppályából, akkor ezeket az  adatokat az első és második szemeszter informatika óráin is tudom használni. Mesélek nekik erről a projektről és valós adataink vannak, amiket maguk gyűjtöttünk. Egyébként a projekten dolgozó hallgatók az ötödik vagy a hatodik szemeszterükben vannak.

Flühr professzor – az avionika jelene és jövője

Holger Flühr professzor avionikát tanít és nekem határozottan úgy tűnt, hogy imádja választott szakterületét. Ahogy a beszélgetésünk végére kiderül, ez egy nagyon gazdag témakör.


A középen álló Flühr professzor (fotó: FH Joanneum)

Holger Flühr: Mindenekelőtt fonotos kihangsúlyzni, hogy az avionika nagyrészt a repülőgép elektronikai eszközeit jelenti, de ugyanakkor a földi elektronikát is. A pilótafülke elektronikája a földi rendszerekre támaszkodik és erős kölcsönhatásban vannak. Gondoljunk csak egy A-ból B-be tartó járatra: a pilótának szüksége van navigációs rendszerekre, hogy tudja, hol is van éppen és hová tart. Ezt az interakciót a földi navigációs rendszerek és a fedélzeti berendezések biztosítják. Másrészről viszont, ha egy légiforgalmi irányítót veszünk, aki a toronyban ül a reptéren, neki szüksége van információkra a légiforgalomról a reptéren és azt körülvevő légtérben. Kötelező tudnia az összes repülőgépről, az összes járatról egy bizonyos légtérben. Ezt az információt a földi radarrendszerek szolgáltatják. Szóval az avionika témakörébe minden olyan rendszer beletartozik, amire szükség van egy repülőgépen, továbbá a gépek navigálásához valamint a légtérfelügyelethez szükséges földi rendszerek is. Ezekről beszélek előadásaim során, de a kutatótmunkában is szerepelnek.

G: Feltételezem, az avionika tanítása élethosszig tanulást jelent még a tanár számára is, figyelembe véve ennek a területnek a gyors fejlődését.
HF: Így van. Az első néhány szemeszter során az alapvető technológiákat oktatjuk. Aztán vannak olyan magasabb szintű témakörök is, ahol a technológia nagyon gyorsan halad előre. Próbálunk hidat építeni hallgatóink elméleti tudása és a gyakorlat között, így megérthetik a fejlettebb rendszereket is. Ez az én alapelvem arra vonatkozólag, hogy hogyan kell felépíteni az oktatást.

G: Joachim említette nekem, hogy nemrég írt egy könyvet az avionikáról. Tudna mesélni róla?
HF: A könyv (“Avionik und Flugsicherungstechnik”, Springer-Verlag, 2010) nagyrészt a légtérellenőrzési technológiáról szól és átfogó megközelítése a témának. Egyrészről saját hallgatóinknak szántam, segít nekik jobban megérteni amit az előadásokon hallanak. Ugyanakkor azon mérnökök számára is hasznos lehet, akik a repülőgépiparban szeretnének dolgozni. Mondok egy példát az én hátteremről. Egykor elektro- és orvosbiológiai mérnökként kezdtem, ami nagyon különbözik a repülőmérnökségtől. Amikor majdnem 9 évvel ezelőtt elkezdtem dolgozni az egyetemen, nagyon nehezen találtam jó szakirodalmat, amelynek segítségével többet megtudhattam volna a repülőgépek rendszereiről. Véleményem szerint, a repülőgépek és a kereskedelmi rendszerek elektronikájának háttere ugyanaz. Ami teljesen más, az a szabályozási rendszerük. Sok szabály és engedélyezési procedúra van, és ezek a dolgok ismeretlenek az elektro- vagy műszaki mérnökök számára. A könyv ezt a hiányt próbálja bepótolni. Jó alapot adhat, segít megérteni hogyan működik a repülőgépipar az elektronika szemszögéből.

G: Mit gondol az avionika jövőjéről? Mi lehet a fejlesztések fő irányvonala?
HF: Sok irány van, amelyek már napjainkban is láthatók. Van most egy nagy trend, amit „teljesen elektronikus repülőgép”-nek (all electric aircraft) neveznek. Ismert tény, hogy a kerozin nem lesz elérhető 50-100 év múlva. Folyik egy kutatás arra vonatkozólag, hogy a jövőben hogyan lehetne egy repülőgépet konfigurálni ugyanazt a teljesítményt biztosítva, de kerozin nélkül, hidrogént vagy más erőforrást használva. Egy ilyen repülőgép nagyrészt csak elektronikai rendszereket tartalmazna. Lennie kell egy üzemanyagcellának, egy elektromos meghajtású propellernek, ami meghajtja a repülőgépet és egyéb más rendszerei is elektromos módon működnének a jövőben. Ugyanez az irány észlelhető az autóiparban is az elektromobilitással.
A másik aktuális dolog az európai navigációs rendszer fejlesztése. Mostanság az európai légtér kis szektorokra van osztva, míg az Egyesült Államok légtere csak egyetlen nagy szektor. Ez egy olyan dolog, aminek meg kellene változnia a jövőben és jelenleg folyik is egy nagy kutatási projekt ami Single European Sky ATM  Research (SESAR) néven fut és az EU finanszírozza. Ez a jövőben drámaian meg fogja változtatni a légiforgalom irányítását. Új kommunikácisós, navigációs és légtérfelügyeleti technológiák lesznek. Úgy gondolom, az egész légtér másképp fog kinézni 20 év múlva.
A repülőgép elektronikát ielletően, véleményem szerint a modern rendszerek, számítógépes hálózatok sokkal jobban jelen lesznek a jövő repülőgépében. Nagyon valószínű, hogy különálló csúcssebességű hálózatok lesznek a pilótafülkében, de az utastérben is, az utazók kényelméért. A repülőgép hálózata össze lesz kapcsolva a földi hálózattal, minden integrálva lesz egy átfogó repülési hálózatba.

G: Dr. Messnarznak már feltettem a következő kérdést, de kíváncsi lennék az Ön véleményére is. Mint gondol a pilóta nélküli utasszállító gépek ötletéről?
HF: Technikai szempontból az már ma is megvalósítható lenne. Vannak olyan repterek ahol már jelen van ez a technika, például automata landolások esetében. És önállóan működő vonatokkal is el lehet már jutni A-ból B-be. A rendszer biztonságát is a technika szavatolja. De pszichológiai szempontból ez problémás. Szerintem sok ember nem választaná azt a légitársaságot, ami ezt a megoldást alkalmazná.

G: A repülőjáratok száma folyamatosan növekszik szerte a világon és a repterek egyre zsúfoltabbak. Napról-napra nehezebb kezelni a légiforgalmat. Gondolja, hogy ezen a területen is lesznek fejlesztések?
HF: Úgy vélem, a jövőben erre is irányulnak majd kutatások. Amire nagy szükség is van, a környezet megóvása érdekében. A légiközlekedés várhatóan még tovább nő a jövőben, Kína, Brazilia, India és egyéb országok iparának fejlődése következtében. Ezekben a régiókban nagy igény van a légiközlekedés fokozására. A következő években 5-6%-os növekedés várható és emiatt végig kell gondolni, hogy milyen környezebarát intézkedéseket hozunk meg, például a fel- és leszálló repülőgépek okozta zajártalom csökkentésére. Sok kutatási téma van ezen a területen.

G: És Önnek van kedvenc témája az avionika terén?
HF: A szakterületem a híradástechnika, ezért leginkább az új kommunikációs rendszerek érdekelnek, például a repülőgép és a földi irányítás között. Az egyik kutatási témám a pilóta nélküli repülőgépek rendszerei. Fejlesztünk egy kommunikációs rendszert, ami nagyon megbízható és erős, így még a legrosszabb körülmények közt is lehetővé teszi a kommunikációt az UAV és a földi állomás között.

A JXP prototípus (fotó: FH Joanneum)
G: Ez része a JXP projektnek?
HF: Hosszútávon tervezzük a megvalósítását a JXP-ben is. Első lépésként a rendszer földi tesztelését tervezzük. A laboratóriumunkban vagy egy tesztberendezés erre a célra. Ehhez egy kisméretű modell repülőgépet használunk, mozgatható fékszárnyakkal. A fejlesztéseink ehhez a modellhez kapcsolódnak, hogy igazoljuk, a rendszer megfelelően működik és hogy ez egy megbízható, biztonságos technológia. A második lépésben egy rotoros repülő eszköz használatát tervezzük, Mr. Messnarz quadrokopterét vagy egy másik mikro UAV-t, amely tudja hordozni a kommunikációs rendszert a teszteléshez. A második lépés után beépítjük majd a JXP-be, a hosszútávú cél pedig az, hogy a JXP teléjesen önállóan repüljön.

G: Tud olyan konkrét példát mondani a rossz kommunikációra a repülőgép és a földi állomás között, ami fejlesztésre szorulna?
HF: A legkritikusabb pont a repülő és a földi irányatás között, hogy: A – nem megbízható, B – nem biztonságos. Manapság bárki nyomon követheti egy FM rádióval a kommunikációt a pilóták és a légiirányítás között. Nem köztudott, de egy reptér biztonsági kockázata elég nagy. Bárki vásárolhat  egy hordozható adót és megpróbálhat beszélni a pilótákkal vagy a légiirányítókkal, amit persze tilt a törvény. Ez néha veszélyes szituációkhoz vezethet. Ez egy régi technológia. Az amplitúdó modulációt, amelyet a légiforgalmi kommunikációban használnak, a múlt század közepén vezették be. Az olyan modern kommunikációs rendszerekkel összehasonlítva, mint a GSM mobiltelefonok és a WLAN, ez egy nagyon nem biztonságos kommunikációs eszköz. Az a célunk, hogy olyan kommunikációs eszközt hozzunk létre, amely megbízhatóan működik, még durva körülmények között, zavarás esetén is.

G: Létezik olyan kommunikációs rendszer, ami még rossz időjárás esetén is működik?
HF: Van néhány trükk arra, hogy javítsunk a kommunikáció minőségén, még ilyen körülmények között is. Sok esetben a zavarás csak néhány frekvencia tartományt vagy sávot érint. A mi rendszerünkben redundáns megközelítést alkalmazunk. Két-három kapcsolódást próbálunk használni különböző frekvencia csatornákon. Így ha egy rendszert zavarnak, a többi párhuzamosan működik. Emellett ott vannak a modern modulációs technológiák is. Ez egy módja az információ kódolásának, amelyet egy bizonyos frekvencián továbbítunk. Ezt a technológiát alkalmazva, a zavarás kisebb lehet, mint a régebbi rendszerekkel. Egy másik lehetőség, hogy támogató rendszereket építünk be a repülőgépbe. Ebben az esetben – ha valóban megszakad a kommunikációs kapcsolat – a repülőgép „tudni fogja”, hogy mit kell tennie vészhelyzetben. Például repülhet pár kört vagy megpróbál önállóan landolni egy bizonyos helyre.

G: Részt vesz az tanszék jégtelenítéssel kapcsolatos kutatási projektjében?
HF: Csak részben. A jegesedés, mint téma nem igazán kapcsolódik a munkacsoportomhoz, de részt veszünk benne egy kis feladattal. Mi vizsgáltuk meg, hogy hogyan viselkedik egy speciális érzékelő rendszer jegesedési körülmények között. Néhány évvel ezelőtt történt az Air France járat balesete, amelyhez a levegő adatokat továbbító szenzor (air data sensor) eljegesedése is hozzájárult. Ebben a kutatási projektben együtt dolgoztunk egy céggel egy új air data sensor kifejlesztésén és végeztünk számukra néhány kísérletet, hogy kiderítsük, hogyan teljesítenek az érzékelők ilyen körülmények között. A jégtelenítés projekten dolgozó csoport tesztberendezését és tapasztalatainkat használtuk, a tesztelés végeztével adtunk néhány javaslatot a vállalatnak a további kutatásokhoz.

G: Van más olyan folyamatban lévő avionikai projekt, amiről szeretne említést tenni?
HF: Gondolkozunk egy inerciális navigációs rendszeren, amely a repülőgépben teljesen önállóan működne. Ez egy jövőbeni projekt lehet. Emellett valószínűleg végzünk majd vizsgálatokat az optikai kommunikáció terén is. Az ilyen rendszereknél infravörös fényt alkalmaznak, amelyek  a jövőben helyettesíthetik az elektronikai adatkábeleket és hálózatokat.

A riportom következő és egyben utolsó részében megismerhetitek Simon Jauk-ot és Andreas Tramposch, valamint kutatási projektjeiket. Közvetlen információkat szerezhettek az egyetemi élet másik oldaláról egy diákkal készíett interjúmból.

Nincsenek megjegyzések:

Megjegyzés küldése