KURZUS: Légi közlekedés

MODUL: I. modul

1. lecke: A légiközlekedés története, rendszere

| 1. A repülés története
A repülés évezredek óta az ember álma, de nem állt rendelkezésre megfelelő eszköz vagy tudás annak megvalósítására. Noha sok ókori nép legendáiban szerepelnek hősök, akik képesek voltak repülni (pl. Daidalosz és Ikarosz legendája), semmilyen tárgyi bizonyíték nem támasztja alá ezeket.
A repülés technikai megvalósításának története a reneszánsz idején Leonardo da Vincivel kezdődik. Da Vinci az első, akitől leírások, tervrajzok maradtak fenn repülő szerkezetekről. Azt nem tudni, hogy ezeket valóban megépítette és használta-e, de annyi bizonyos, hogy a tervei alapján a jelenkori kísérletezők által kivitelezett eszközök (sárkányszerkezet, ejtőernyő, ornithopter) képesek voltak betölteni funkciójukat.
Da Vincivel ellentétben mások próbálkozásait nem kísérte siker. Az emberek többsége a madarak módján, különböző csapkodó szárnyak segítségével próbált a levegőben maradni. Ez több életet is követelt, nem volt mindenki olyan szerencsés, mint egy bizonyos John Damian, aki 1500 körül sastollakból összeállított szárnyaiban bízva a mélybe vetette magát, zuhanását pedig egy trágyadomb fogta fel. Napjainkban bebizonyították, de Borelli már 1680-ban megállapította, hogy az ember izomereje (a láb kivételével) nem elég a levegőben maradás ilyen formában történő megvalósítására.
Az idők változásával a tudás, a tudományos alapok, és az ezeken alapuló konok kísérletezés fokozatosan tért hódított. Torricelli és Guericke eredményeit felhasználva egy olasz jezsuita pap, Francesco Lana de Terzi 1670 körül vákuummal "töltött" fémgömbökből álló léghajó építését javasolta. Az eszköz kivitelezése az akkori technikai szinten lehetetlen volt, de az elképzelés működőképes, a természeti törvényeket figyelembe vevő gondolaton alapult. Ráadásul de Terzi továbbgondolta művét, felmérte annak hatásait, és papként ismerve az emberi természetet arra az álláspontra jutott, hogy még ha megvalósítható lenne is a léghajó, azt csak a városok bombázására használnák fel, további kínt és szenvedést zúdítva a lakosságra. Jövőbelátó gondolat volt ez de Terzitől, alig két és fél évszázad múlva pont a katonai felhasználás vetette meg a repülőgépek gyors fejlődésének az alapját.
De Terzi ötlete az aerosztatikus repülést vetítette előre, melynek megvalósítása 1783-ban történt meg. Az aerosztatikus repülés az arkhimédészi törvény, a felhajtóerő elvén történik, azaz minden olyan test képes a repülésre (lebegésre) amelynek (átlag)sűrűsége kisebb a környező levegő (közeg) sűrűségénél.
1783-ban egy papírgyáros testvérpár Jacques-Étienne és Joseph Michel Montgolfier valóra váltotta az emberiség repülésről szóló álmát, ballonjuk Annonay-ban a helyiek üdvrivalgása közepette szökkent az égbe. A selyemből készült ballont szerintük "elektromos füst" emelte a magasba, de csakhamar kiderült, hogy egyszerűen a felmelegített levegő. A hőlégballon lett az első légi eszköz, mely gyorsan nagy népszerűséget szerzett Franciaországban, de egyelőre inkább, mint látványosság, kuriózum. Közlekedési eszközként történő hasznosítását lehetetlenné tette, hogy nem lehetett irányítani, illetve a töltő levegő lehűlésével a hőlégballon visszasüllyedt a földre, arra pedig senki nem gondolt, hogy a tüzet felvigye magával a magasba, arról nem is beszélve, hogy a tüzelőanyag szállítása csökkentette volna a hasznos terhet.
Egy másik ballon is megjelent még ebben az évben az égen. Charles professzor szintén 1783-ban mutatta be az első gázballont, melyben hidrogén volt. Ez már hosszabb ideig a levegőben tudott tartózkodni, hiszen a felhajtóerő csak a hidrogén elszökésével változott, ami lassabban történt, mint a lehűlés. Később tűzveszélyessége miatt a hidrogén helyett egyre inkább a világítógázt kezdték alkalmazni töltésre. A gázballonok egyre inkább kiszorították a hőlégballonokat, noha ugyanolyan irányíthatatlanok voltak, mint emezek.
A légi eszközök megjelenése a kalandvágyókat újabb és újabb rekordok végrehajtására sarkallta. A bátrak egyre messzebb, vagy egyre magasabbra repültek eszközeik segítségével. Kihasználva a kedvező szelet például már 1785-ben megtörtént az első átkelés a La Manche csatornán (Blanchard). Ezek a kihívások egyre több áldozatot szedtek, így újra megszületett da Vinci után majd 300 évvel az ejtőernyő. Az első ejtőernyős ugrást 1797-ben hajtotta végre Garnerin.
A ballonok felhasználása egyre sokrétűbbé vált. A szórakoztatáson túl tudományos megfigyelésekben, katonai felderítésben is hasznosították. A közlekedésben azonban használhatatlanok voltak. Az irányítás problematikája egyre több feltalálót foglalkoztatott. Gyakorlatilag minden lehetséges módot kipróbáltak a ballonok irányítására, az evezőlapátoktól a lapátkeréken át a fújtatókon és tollas légcsavarokon keresztül a befogott madarakkal történő vontatásig. A megoldás itt is a gépi erő alkalmazása maradt.
Az első kormányozható léghajót 1852-ben Griffard mutatta be. Egy gőzgép hajtotta néhány km/h sebességgel, de szél ellenében nem tudott menni. Griffard próbálkozása rávilágított arra, hogy a gőzgépek nem használhatók megfelelően a léghajókon, az egységnyi tömegükre leadott teljesítmény ugyanis nagyon alacsony, nem is beszélve a szükséges fűtőanyag súlyáról.
1882-ben Tissandier már elektromos léghajóval próbálkozott. A villamos motor valóban könnyű, és megfelelő teljesítményű volt, a táplálásához szükséges akkumulátorok ellenben meglehetősen súlyos tehernek bizonyultak.
A léghajózásban is, csakúgy, mint a közúti közlekedés esetében, a megoldást a benzinmotorok alkalmazása jelentette. A benzinmotor méreteihez képest nagy teljesítmény leadására képes, elfogadható üzemanyag-fogyasztás mellett. Az első benzinmotoros léghajót Wölfert mutatta be 1897-ben.
Közben új, korszerű technológiák jelentek meg a léghajógyártás területén, amelyek egyre jobb konstrukciókat eredményeztek. Ilyen volt a gáz szökését gátló jobb impregnálási eljárások kidolgozása, vagy az új fém, az alumínium előállítása. Utóbbi felhasználásával erősebb, merev szerkezetű, nagyobb léghajók gyártására nyílt lehetőség. A felsorolt eredmények alkalmazásával Schwarz Dávid épített léghajót 1897-ben, melynek szabadalmát Ferdinand von Zeppelin szerezte meg Schwarz halála után. Schwarz munkásságát felhasználva fejlesztette ki 1900-ra saját óriás kormányozható léghajóit, a zeppelineket. Ezekkel már nagyobb távolságot lehetett megtenni biztonságosan. A németeken kívül az angolok és az amerikaiak is alkalmaztak a zeppelinekhez hasonló merev testű léghajókat. Az egyik brit léghajó, az R-34 jegyzi az első transzatlanti repülést 1919-ben. A két világháború között a zeppelinek menetrend szerinti repülést kínáltak több város között is, sőt, transzkontinentális útvonalon is. 1925-ben már röpke 80 óra alatt át lehetett repülni Európából az Egyesült Államokba. 100-120 km/h sebesség elérésére voltak képesek, azonban a teherbírásuk relatíve alacsony 10-12 tonna volt. Ami a léghajók vesztét okozta, az a 120-160 ezer köbméter hidrogéngáz volt, mely a fennmaradásukat biztosította. Sajnos gyakran következtek be tragédiák, melyek során berobbant, vagy kigyulladt a léghajó. Az utolsó szeget a léghajók koporsójába a Hindenburg 1937-es katasztrófája verte bele. Bár maga a baleset a szerencsésebb kimenetelűek közül való volt (35 áldozat, de 62 túlélő), az, hogy felvételek készültek róla, amelyek gyorsan bejárták a világsajtót, megpecsételte a léghajók sorsát. Többé nem volt utas, aki utazni mert volna velük, így egy csapásra eltűntek a történelem színpadáról.
Helyüket a levegőnél nehezebb szerkezetek vették át, az aerodinamikus repülés - a mozgás során a felületen képződő felhajtóerőn alapuló repülés - (legalábbis a közlekedés terén) kizárólagossá vált. Lomonoszov 1754-ben bizonyította, hogy megfelelően kiképzett felületeken felhajtóerő keletkezik, ezzel tulajdonképpen kimondta, hogy elméletileg lehetséges a levegőnél nehezebb szerkezettel való repülés.
A témával tudományosan először Sir George Cayley (1773-1857) foglalkozott. Felírta a repülésnél fellépő erőket, kutatta a különböző siklófelületek hatásait, sárkánymodelleken méréseket végzett. 1796-ban még egy kis helikoptermodellt is készített, melyen a forgószárnyak ellentétes irányba forogtak, stabilizálva ezzel a gépet. Eredményeit publikálta, ezzel sok későbbi próbálkozó útját egyengette.
1850-ben Alphonse Pénaud gumimotoros repülőmodellje, majd Gauchot-val kidolgozott motoros gép szabadalmi terve már műszakilag megvalósítható és működőképes konstrukciók voltak. Az aerodinamikus repülés már csak a megfelelő erőforrásra várt. Cayley számításaiban arra az eredményre jutott, hogy a gőzgépek nem alkalmas erőforrások a repülőgépek számára alacsony fajlagos teljesítményük miatt. Az eredmények őt igazolták. Bár ismerünk konstrukciókat, melyek képesek voltak elemelkedni (Mozsajszkij 1884, Clement Ader 1890, Maxim 1894), ezek többnyire csak szökellések voltak, tartós repülésre képtelennek bizonyultak, nem is beszélve az irányíthatóságról.
További segítséget nyújtott a repülés úttörőinek a német testvérpár Otto és Gustav Lilienthal. Elsősorban Otto volt az, aki 1891 és 1896 között siklórepülési kísérleteket végzett. Eredményeikről 1889-ben adtak ki könyvet, melyet haszonnal forgattak a kísérletezők. Otto gyakorlati és elméleti kutatásai során kidolgozta a működőképes repülőgép jellemzőit, halála azonban megakadályozta abban, hogy kutatásait befejezze.
Az Egyesült Államokban Wilbur és Orville Wright saját kísérleteik és Lilienthal eredményeinek tanulmányozása eredményeképpen készítették el saját gépüket. Először csak siklórepülőkkel próbálkoztak, majd 1903. december 17-én dokumentáltan is végrehajtották az első repülőgéppel történő motoros, irányított repülést. Míg első próbálkozásuk 12 másodpercig tartott 39 méter megtételével (ez nem volt lényegesen több, mint amit korábban a szökdelő gépek tudtak), addig az aznapi 4. kísérletük (mely tulajdonképpen az első irányított is volt) már egy másodperc híján egy percig tartott, miközben 279 métert tettek meg.
Sikerük titka a benzinmotor, a gondos kísérletek eredményeként megszerkesztett szárnyprofil és a jó hatásfokú légcsavar volt.
A Wright testvérek tettükkel azonnal híresek lettek, azonban voltak, akik elvitatták tőlük dicsőségüket. Egy Gustav Weisskopf (Whitehead) nevű feltaláló azt állította, hogy ő korábban hajtott végre igazi repülést. Az, hogy ez pontosan mikor is történt nem tisztázott, 1899, 1902 és 1903 egyaránt felmerültek, mint lehetséges dátumok. Ami tény, nincs döntő bizonyíték arra, hogy Whitehead állításai valódiak lennének, közönség előtt bemutatott repüléséről csak jóval későbbről tudunk.
Egy másik kihívó a korai repülés egyik nagy alakja Glenn Curtis volt. Ő perre is ment a Wright fivérekkel az elsőbbség kérdésében. Nézete szerint az első működőképes repülőgépet Langley tervezte és építette meg. Langley 1891-től végzett kísérleteket a hadsereg megbízásából. A századfordulóra gépei már közel 1 km-t tettek meg 30 méteres magasságban, de még ember nélkül. 1903-ban két kísérletet is tett emberes repülés végrehajtására. Az első esetben a gép orrnehéz volt és lezuhant, a második esetben a katapultból történő kilövésnél a farok leszakadt, így ismét lezuhant a gép. Langley végül feladta a további kísérleteket, Curtis azonban 1914-ben repülésre bírta a Langley által tervezett gépet.
Míg Amerikában az elsőségen ment a vita, Európa megpróbált felzárkózni a tengerentúlhoz. 1906-tól a Wright testvérek európai bemutatóin felbuzdulva (és megoldásaikból tanulva), az Óvilág pionírjai is végrehajtották saját felszállásaikat (Santos-Dumont 1906, Ellehammer 1906, Traian Vuia 1906). Az 1910-es évekre már nagyjából azonos színvonalú gépek épültek szerte a világon, köszönhetően a bemutatóknak és az információ-megosztásnak (Santos-Dumont például egy újságban tette közzé egy kicsi, házilag elkészíthető gép pontos tervrajzát). A folyamatos tökéletesítéseknek köszönhetően megjelentek a kétfedelű és háromfedelű gépek helyett az áramvonalas egyfedelű gépek. Újra előkerült a biztonság kérdése, míg a korai repülőgépek esetén nem volt mód a menekülésre, 1913-tól Adolphe Pégoud első ejtőernyős ugrásától kezdve felkerült a gépekre az ejtőernyő, mint mentőeszköz.
A technika fejlődésével újra előjött a már ballonoknál tapasztalt versengési láz. 1909-ben megtartották az első nemzetközi repülőversenyt, 1909-ben Blériot sikeresen átkelt gépével a Dover és Calais között, 1913-ban Roland-Gaross átszelte a Földközi-tengert, 1919-ben Alcot és Brown leszállás nélkül átrepülték az Atlanti-óceánt, majd 1927-ben Charles Lindbergh egyedül is megtette ezt.
A polgári repülés lendületét a két világháború törte meg, ugyanakkor a harci eszközként való alkalmazás a repülőgépek rohamos fejlődését tette lehetővé, amiből majd a polgári repülés is profitált. Így került át a polgári repülésbe a teljesen fémből készült gép (Junkers F-13), a túlnyomásos kabin, vagy a sugárhajtás. Utóbbi már az 1920-as évek környékén felmerült, mint lehetséges hajtómű, de szabadalmat csak 1930-ban kapott rá Whittle. Az első sugárhajtású gépen 1935-ben a németek kezdtek el dolgozni, melynek eredményeként 1939-ben bemutatták a Heinkel HE-178-ast, mely az első sugárhajtóműves gép volt.
A motoros gépek sebessége alacsony volt, melyet a sugárhajtóművek segítségével próbáltak túlszárnyalni. Határként azonban megjelent a hangsebesség. A hangsebesség megközelítésekor a gépekben rezonancia keletkezett és gyakorlatilag szétestek. A szuperszonikus repülés elméleti alapjait, a különböző örvények hatásait 1932-ben dolgozta ki Kármán Tódor. Az ő munkássága alapján 1947-ben Chuck Yeager a Bell X-1 kísérleti rakétahajtású gépével törte át először a hangsebesség határát. A hangsebesség fölötti repülés elsősorban a katonai repülésben terjedt el, a polgári repülésben a Tu-144 (1968-1978/83) és a Concorde (1969, 1976-2003) képviselték, de túl költséges volt a fenntartásuk.
A repülőgépek méreteik és teljesítményük növekedésével egyre jobb és hosszabb felszállópályát igényeltek. Nem mindenhol áll azonban rendelkezésre elegendő hely, így a függőleges fel- és leszállás gondolata újra fölmerült.
Kisebb modelleket Cayley óta készítettek, de az első igazi forgószárnyas repülést, mely 20 másodpercig tartott, Paul Cornu hajtotta végre 1907-ben. 1918-ban az Osztrák-Magyar Monarchia a Petróczy, Kármán és Zurovecz által tervezett PKZ2 típusú eszközt alkalmazta megfigyelésre. Ez csak vertikális mozgásra képes forgószárnyas eszköz volt, mintegy 50 m magasságra tudott felemelkedni.
1924-ben Oehmichen saját készítésű gépével már 1 km távolságot tudott megtenni, 1928-ban pedig állítólag Asbóth Oszkár mutatta be gépét.
1923-ban a spanyol Cierva mutat be egy érdekes eszközt, az autogirot, mely átmenet a helikopterek és a repülőgépek között. A felhajtóerőt a szabadon forgó forgószárny biztosítja, de a forgáshoz szükséges sebességet az előrehaladás szolgáltatja.
Az első használható helikopter 1932-ben készülhetett a Szovjetunióban, de ez titokban maradt. Ezzel a címmel így az 1937-ben bemutatott Focke-Anghelis FA-61 büszkélkedhet. 1940-ben Sikorsky elkészíti a Vought-Sikorsky VS300 típusú gépét, mely a modern helikopterek prototípusa. A helikopterek alkalmazása csak a második világháborút követően válik tömegessé.
A helikopterek tulajdonságai számos területen jól alkalmazhatóvá teszi azokat, hátrányuk azonban viszonylagos lassúságuk. A repülőgépek és a helikopterek kedvező tulajdonságainak kombinálására fejlesztették ki a VTOL (Vertical Take-Off and Landing) gépeket. Ezeknél a légcsavarok vagy a sugárhajtómű kiáramlási szögének változtatásával oldják meg a helyből felszállás problémáját. A művelettel járó műszaki-technikai nehézségek miatt ezen eszközök nem annyira elterjedtek.
A repülőgépek fejlődésén túl a navigációs technológia is jelentős fejlődésen ment keresztül. Míg az első repülősök tájékozódását nem sok minden segítette (gyakori volt, hogy le kellett szállniuk megkérdezni, hol járnak), később a rendszeres légiposta-forgalom, majd a személyszállítás megindulásával kialakult a jelzőtornyok rendszere. A kommunikációs technológia fejlődésével a rádióvezérlés, a rádiólokátoros követés, a leszállító berendezések alkalmazása mind gyakoribbá vált. A műholdas technológiák alkalmazásával pedig további lehetőségek nyílnak a biztonságosabb légiközlekedés megteremtése előtt.
2. A repülés ma
Mára a repülés a legdinamikusabban fejlődő közlekedési módok közé tartozik. Elsősorban az interkontinentális személyforgalomban kiemelkedő a jelentősége, de a nemzetközi személyforgalomban és a nagy területű országok belső személyforgalmában is jelentős szereppel bír. Az interkontinentális személyforgalomban az 1960-as évektől, az interkontinentális személyhajózás megszűnésével gyakorlatilag egyeduralkodóvá vált.
Az utasforgalom folyamatosan emelkedik, 2019 nyarán meghaladta a 700 milliárd fizető utaskilométer/hó értéket. Tekintetbe véve, hogy a kibocsátott kapacitás megközelítőleg 860 milliárd férőhelykilométer/hó volt, az átlagos kihasználtság 80% fölötti. Az áruszállításban a kihasználtság alacsonyabb, 2019 májusában 22 milliárd árutonnakilométer és 46 milliárd tonnakilométer kapacitáskibocsátás mellett a kihasználtság 48% környékén mozog.
Légi utas és áruszállítási teljesítmények
1. ábra
Forrás: IATA Monthly Statistics
A forgalom helyének megoszlásában is változások vannak. Míg a 2010-es évek elején a légi piac legfőbb helyszínei az Egyesült Államok, Európa és a kettő közötti atlanti térség volt, mára Ázsia és különösképpen Kína felzárkózott ezekhez a térségekhez. Jelenleg az összes légi forgalom 34,4%-a jut Ázsia és Ausztrália-Óceánia területére, 26,7%-a Európára és 22,5%-a Észak-Amerikára. A maradék közül számottevő még a Közel-Kelet és a Perzsa-öböl térsége a maga 9,2%-kával.
A nemzetközi forgalomban (mely a teljes forgalom kicsit kevesebb, mint kétharmadát teszi ki - 64%) Európa vezet 23,9%-kal, Ázsia szorosan követi 18,9%-kal. (Az értékek a teljes forgalomhoz viszonyítanak, tehát Európa esetében az összes légi forgalom 26,7%-a Európában keletkezik és ennek szinte teljes egésze, a világforgalomhoz viszonyítva 23,9% nemzetközi forgalom.) Észak-Amerika részaránya (7,6%) még a Közel-Keletét sem éri el (8,9%). Ez azt mutatja, hogy az észak-amerikai piac elsősorban belföldi piac, és valóban, a légi piac 36%-t kitevő belföldi piacon az Egyesült Államok vezet. A világ légi forgalmának 14,1%-a az Egyesült Államokon belül zajlik. A másik meghatározó belső piaccal rendelkező ország Kína, melynek részesedése meredeken emelkedik, jelenleg 9,5%. A harmadik helyen Oroszország a maga 1,6%-os részesedésével messze elmarad a két vezető ország mögött.
Milyen infrastruktúra van ezek mögött a számok mögött? Először nézzük a repülőgépeket. Egy 2017-es The Telegraph cikk (https://www.telegraph.co.uk/travel/travel-truths/how-many-planes-are-there-in-the-world/) szerint akkor 23600 civil repülőgépet tartottak üzemben és további 2500 körül volt a nem forgalomban lévő gépek száma. Az egyazon időben levegőben tartózkodó gépek száma július-augusztusi péntek délutánonként 2 és 4 óra között tetőzik 16000 járattal. A Boeing 2018-ban 25560 körülire becsülte a forgalomban lévő repülőgépek számát. A növekedés dinamikus, 2038-ra a piac 50660-ra teszi a szükséges repülőgépek számát.
Ezt a járműmennyiséget 43983 repülőtér és leszállóhely szolgálja ki (CIA The World Factbook 2019, többnyire 2013-as adatok alapján). Ennyi rendelkezik ICAO/IATA kóddal. Ebből kis-közepes (50 fő körüli befogadóképességű) sugárhajtású utasszállítógépek fogadására 10000 körüli repülőtér alkalmas. Ha mindenféle leszállóhelyet figyelembe veszünk, ahol valamilyen szolgáltatást biztosítanak (sportrepülőtér, magán leszállópályák, mezőgazdasági repülőterek stb.), akkor 200000 körülire teszik ezek számát.
Intézményi oldalon a légitársaságok számát csak becsülni lehet, olyan nagy a fluktuáció. Kereskedelmi légitársaságból nagyságrendileg 400 körüliről beszélhetünk, de a charter, magán és egyéb társaságokat is beleszámolva mintegy 5000 jegyzett légitársaságot tartanak nyilván (rendelkezik ICAO/IATA kóddal).
A légi közlekedés bonyolításában legnagyobb szerepe a kereskedelmi légitársaságoknak van. 2018-ban kicsit több, mint 38 millió járatot indítottak és 812 milliárd dollár feletti bevételt könyvelhettek el. A légiközlekedés az utóbbi 10 évben folyamatosan nyereséget termel ágazati szinten. Természetesen ez nem azt jelenti, hogy mindenki nyer. A hatalmas bevételek mellett óriásiak a költségek is, a verseny pedig nagyon éles. Ennek következménye a már korábban is említett magas fluktuáció. Bár az utazók száma folyamatosan emelkedik, a piaci kilátások nem mindenki számára biztosítanak lehetőséget.

| Ellenőrző kérdések
Mit jelent az aerosztatikus repülés? Kik alapozták meg tudományosan a dinamikus repülést? Mi tette lehetővé a repüléstechnika gyors fejlődését?