ELMÉLET ÉS GYAKORLAT

KÁRMÁN TÓDOR ÉS A MODERN REPÜLÉSI-ŰRKUTATÁSI TECHNIKA KIALAKULÁSA

Peter L. Jakab
Nemzeti Repülésügyi és Űrkutatási Múzeum,
Smithsonian lntézet, Washington

1908 elején Kármán Tódor befejezte fizikusi disszertációját, letelt kétéves ösztöndíja a göttingeni egyetemen, és el kellett döntenie, mit tegyen, hová menjen. Apja a magyar kultuszminisztérium államtitkára és a magyar oktatási rendszer úttörő reformere volt. Mindig azt tanácsolta tehetséges fiának, hogy tanulmányai során intellektuálisan, nemzetközi téren bővítse tudását. Apja tanácsát követve, Kármán 1908 márciusában barátjával és göttingeni diáktársával, Vészi Gyulával Párizsban vett ki lakást. Együtt iratkoztak be a Sorbonne-ra, Marie Curie előadásait hallgatták. Éjjel Párizs kávéházi társaságait járták, elmerültek az éjszakai életében. Vészi bájos nővére Margit, aki szobrásznak tanult, és írt egy párizsi újságba is, nem kis szerepet játszott abban, hogy Kármán Franciaországba ment.

Megérkezése után két héttel Kármánnak olyan élményben volt része, amely szakmai téren meghatározta élete későbbi irányát, sőt kihatott a 20. század űrkutatásának jövőjére is. Március 20-án este Kármán éppen kedvenc törzshelyén iszogatta kávéját, amikor berontott oda Margit, és feldúltan újságolta, hogy másnap reggel 5 órakor tanúja lehet egy történelmi eseménynek, Európában az első két kilométeres repülésnek. Lapja őt bízta meg a tudósítással, és azt kérte, hogy Kármán vigye ki a repülőtérre. Meghallva a korai időpontot, Kármán bosszúsan válaszolta, hogy "reggel 5 órakor nem érdekelnek a történelmi események". Kis rábeszélés után - mivel, ha csinos nőről volt szó, Kármánnak nem kellett sok beszéd - beleegyezett, hogy autóval kiviszi Margitot a Párizs melletti Issy-les Moulineaux-i katonai gyakorlótérre, ahol a repülést tervezték.

A korai időpont ellenére már nagy tömeg gyülekezett a törékeny, dobozsárkány alakú motoros gép körül, amelyik éppen akkor gördült ki a hangárból. A pilóta, Henri Farman azzal vált híressé, hogy két hónappal azelőtt Voisin-típusú gépével 50 km/óra sebességgel az első egykilométeres repülést hajtotta végre, amit 50 000 frankkal jutalmaztak. A távot aznap reggel akarta megkétszerezni. Kármánra nagy hatást gyakorolt az ormótlan biplán nehézkes felemelkedése - nem annyira a műszaki teljesítmény, mint inkább a pilóta merészsége. Kármán már tudott a Wright-fivérek által néhány évvel korábban a Kitty Hawk motoros géppel végrehajtott felszállásról, és a brazil Alberto Santos Dumont 1906-ban Európában végzett első nyilvános útjáról. Más volt azonban jelen lenni a gyakorlati bemutatáson; ez számára új megvilágításba helyezte a születés állapotában lévő aerodinamikát. Visszatekintve, ez a váratlan kocsikázás Margittal Issy-les Moulineaux-ba, igen nagy hatással volt az életére. Farman repülése felgyújtotta fantáziáját, része volt abban, hogy az aerodinamika elveivel foglalkozzon, ami nemcsak őt, de bennünket is elindított az űrkorszak felé.

A következő évek során Kármán először az aviatika felé fordult, a repülés, tervezés, építés elméletével foglalkozott; igyekezett finomítani a már megkonstruált gépeket, melyek tervezői azonban más irányzatot képviseltek. Henri Farmant és a Wright-fivéreket nem érdekelte, hogy miért repülnek a gépek - nem keresték Newton és Einstein mintájára a természet fizikai jelenségeinek magyarázatát; műszaki ismeretek és tapasztalatok birtokában nagyobb teljesítőképességű gépeken akartak repülni. Vizsgáltak ugyan olyan dolgokat is mint emelő- és vonóerő, súlyelosztás, szerkezet, stabilitás és vezérlés - azért, hogy olyan méretű és alakú gépeket szerkesszenek, amelyek majd repülnek. Nem volt céljuk az erő elvi értelmezése, inkább meg akarták tanulni, hogy az adott gyakorlati esetben hogyan hatnak azok egymásra, az információk alapján jól szálló gépeket akartak konstruálni. A Wright-fivérek persze aerodinamikai szélcsatorna-méréseket is végeztek, de csak azért, hogy meghatározzák: melyik a legjobb a sokféle szárnyalak közül az emelés és vontatás szempontjából. Nem kívánták elméletileg megtudni, milyen áramlások lépnek fel a felületeken. Annak ellenére, hogy Wrighték első repülését követő húsz évben az ilyen technikai ismeretek birtokában a motoros repülés ugrásszerűen fejlődött, a repülőmérnökök és konstruktőrök keveset tudtak azokról a fizikai elvekről, amelyek ebben az izgalmas új technikában a sikerek elérésekor érvényesülnek.

Ebben az időszakban a fluidfázisok (a folyékony és légnemű fázisok közös neve) mechanikája - a természettudománynak éppen a repüléssel kapcsolatos ága - a zajos, maszatos repülő masináktól függetlenül fejlődött. Másfél évszázadon keresztül a hidrodinamika repülésre vonatkozó eredményeit nem kapcsolták össze az aeronautikával. Az ismert Bernoulli-tételt, mely megadja az áramló közeg nyomása és sebessége között az összefüggést, már a tizennyolcadik század közepén levezették. Ludwig Prandtl, akit az "aerodinamika atyjának" tekintenek, a 20. század fordulóján kezdte tanulmányozni az aerodinamikát akkor, amikor az üzemben, ahol dolgozott megkérték, hogy javítson meg egy fémforgácsot felszívó berendezést. E munka eredménye volt az, amit azóta "határréteg-elmélet" néven ismerünk. Ezt publikálta az áramló közegek felszínközeli rétegének súrlódásáról szóló híres cikkében (1904). Annak ellenére, hogy nem alkalmazta közvetlenül a repülésre, a határréteg-elmélet a repülőgépszárnyak emelő- és vonóerő elméletének alapkoncepcióját tartalmazza. 1908-ban Prandtl és mások elkezdték az aerodinamika kidolgozását; főleg a motoros repülés elméleti magyarázatát és matematikai formuláit vették tekintetbe. A repülés fizikájának megértésében történt bizonyos haladás, de az elméleti aerodinamika alapvető eredményei nagyon lassan mentek át a repülőgépgyártó műhelyek és gyárak gyakorlatába. Az elméleti aerodinamika és a repülőgép-mérnöki szakma csak az 1920-as évek közepén kapcsolódott össze olyan módon, ahogy ez ma már magától értetődő a modern repülőgépipar területén.

Az egyik meghatározó személyiség, aki a két irányzat között a hidat képezte, és vitán felül központi helyet foglalt el, Kármán Tódor volt. Pályája során számos eredeti munkával járult hozzá az elméleti aerodinamika felépítéséhez, de ezzel egyidőben dolgozott az építendő gépek gyakorlati problémáinak megoldásán is. Könnyedén mozgott mind elméleti, mind műszaki körökben, intézményes alapokat hozott létre mindkettő támogatására. Politikai ügyessége, személyes varázsa kulcsfigurává tette a nemzeti és nemzetközi tudománypolitikai tervezés területén. Röviden: a repüléstechnikában Kármán felbecsülhetetlen értékű kapocs volt elmélet és gyakorlat között.

Gyakran vitatkoznak arról, hogy a körülmények emelik-e ki a megfelelő nagy személyiségeket, vagy a nagy emberek teremtenek megfelelő körülményeket maguk számára. Kármán Tódor esetében erős érvek szólnak amellett, hogy sikerei belső tulajdonságainak köszönhetők. A született tehetség meglepően párosult benne más személyes vonásokkal, mint műveltség és gyakorlatiasság. A tapasztalatok okos felhasználása tette képessé arra, hogy ilyen döntő hatást tudjon gyakorolni a repülésügyre. Birtokában volt a tudományos jártasságnak, aktívan és ügyesen feltalálta magát mindig, ha a helyét új helyzetben kellett megállni.

Kármánnak a természettudomány és a matematika iránti hajlama már nagyon fiatal korában megnyilvánult. Kisfiúként gyorsan és pontosan szorzott össze fejben hétjegyű számokat. Humoros, hogy amikor ezt apja megtudta, megtiltotta hogy három évig matematikával foglalkozzon, mert attól félt, hogy bűvészmutatványokra pazarolja az idejét, és elhanyagolja a komoly tanulmányokat. Ez a durvának látszó beavatkozás hosszú távon sikereket hozott. Kármán biztos volt abban, hogy az, hogy apja tartós humanista szemléletet igyekezett elültetni benne, meg is hozta az eredményét, mivel a természettudományos tevékenysége mindig kapcsolatban volt a való élettel, és ez jó hatással volt szakmai munkájára.

Kármánt természetes adottságai segítették, de hasznos volt számára az apja által kezdeményezett középiskolai oktatási reform is. Ennek része volt a tehetséges gyermekek számára létesített Trefort utcai Mintagimnázium, ahogy valaki megjegyezte az "elitbölcsőde". Itt végzett számos híres ember, köztük Teller Ede és persze Kármán is. Apja csak most engedte meg, hogy újból foglalkozzon matematikával, és ő mohón rá is vetette magát. Tanulmányai között azonban behatóan kellett foglalkoznia olyan tárgyakkal is, mint a latin, történelem, földrajz - ebben az iskolában ezeket egyedülálló módon tudták a mindenapi életre vonatkoztatni. Kármán kiemelkedő eredményeket ért el a Mintában, amelynek programja a magyar középiskolák számára modellként szolgált.

Érettségi után Kármán beiratkozott a Magyar Királyi József Műegyetemre. Itt is hatékonyan érvényesült apja befolyása. Kármán az elméleti tudományok iránt érdeklődött, de apja meggyőzte arról, hogy mérnöki szakot válasszon, mert az közelebb van a mindennapi élethez. A Műegyetemen Kármán a gépszerkesztés és hidraulika kiváló professzora, Bánki Donát mellett gyakornokoskodott. Az ő közvetítésével tagja lett a Ganz és Társa - Európa egyik legnagyobb mozdonygyártó vállalata - tanácsadó testületének. Az itt szerzett tapasztalatok tették képessé arra, hogy fel tudja becsülni a műszaki problémákat, és érzéke legyen azok megoldásához. Ez jellemezte őt később is egész pályafutása során.

A tanulmányai és munkája során szerzett első tapasztalatok, valamint apja hatása képesítették arra, hogy minden szakmai törekvésének középpontjában a műszaki kihívásoknak megfelelő elméleti és gyakorlati válaszok kombinálása legyen. Mindenek előtt azt tartotta szem előtt, hogy ezeket összefüggéseikben tekintse át. Nem kétséges azonban, hogy Kármán elsősorban elméleti tudós volt. Ezen a területen nem sok riválisa akadt. Mindig figyelembe vette az elméleti munka gyakorlati hasznát is. Ismereteit nem magáért a tudásért akarta bővíteni, a tudományos felfedezéseket a technikai feladatok alaposabb kidolgozásához használta fel. Szerette mondogatni, "hogy nincs praktikusabb, mint egy jó elmélet". Ilyen irányú érzékenysége jellemezte legjobban, ezzel ért el sikereket. Egyformán becsülték két olyan szakmában, melyek nemcsak a múltban, de jelenleg is oly nagyon különböznek, és mindkettőben jó hatásfokkal dolgozott. Egyszer Göttingenben határozottan elméleti beállítottságú emberekből álló csoportnak tartott alkalmazott matematikai előadást. Egyikük így reagált Kármán szokatlan szakmai hozzáállására: "Kármán - jelentette ki - az összes ütődött »alkalmazott« közül maga lehet az egyetlen, akinek műveltsége van." Pályafutása során véges végig megnyilvánult a kettős: elméleti és gyakorlati beállítottsága - mindez korábbi neveléséből és szakmai gyakorlatából következett. Korán megtanult helyesen közelíteni a problémák megoldásához, ezzel magyarázhatjuk azt a rendkívüli hatást, amelyet a modern repülés-űrhajózás gyakorlatára és intézményeire gyakorolt.

Kármán pályájának rövid áttekintéséből egészen világos lesz számunkra a repülésügyben megtett karrierje.

A Farman-féle repülés első élményének hatását fokozta egy 1908-ban bekövetkezett szerencsés fordulat, Párizsban ajánlatot kapott Ludwig Prandtltól, hogy dolgozzon a Zeppelin-programon, amelyet kevéssel azelőtt a német kormány számára kezdtek el Göttingenben. Két évvel korábban ösztöndíjasként Kármán már dolgozott Göttingenben, Prandtl vezetésével ott készítette el doktori disszertációját a rugalmatlan kihajlásról. A Zeppelin programhoz szélcsatornát kellett építeni. Kármánnak részt kellett vennie az építésben és a kísérletekben, mechanika előadást kellett tartania. Kármán ugyan merevnek és hidegnek érezte Göttingent, mégis jónak tartotta az ajánlatot, és elfogadta azt. Az ott töltött idő alatt kötelezte el magát speciális szakágához, az aerodinamikához.

Kármán göttingeni éveiben az elméleti aerodinamika területén elért legjelentősebb eredménye az volt, amit ma "Kármán-féle örvényút" néven ismerünk. A fluidumban áramlás közben - megfelelő feltételek között - örvények alakulnak ki, ezek leválásakor káros oszcillációk lépnek fel. Aerodinamikai alkalmazhatósága kézenfekvő volt, és Kármánnak azonnal elismertséget és tekintélyt adott. Érdekes, hogy a Tacoma-hídnak 1940-ben bekövetkezett oszcillációs összeomlásáról is kimutatták később, hogy Kármán-féle örvények okozták.

Annak ellenére, hogy a göttingeni évek termékenyek voltak számára, Kármán nem fogadta el a végleges kinevezést. Nem szerette a környezetet, és csalódottan ment el (1912). Rövid ideig Selmecbányán, a Bányászati Akadémián tanított, majd elfogadott egy állást Németországban, az aacheni műegyetemen; kinevezték az Aacheni Aerodinamikai Intézet igazgatójának (1913). Ezt az állást 16 éven át megtartotta.

Aachenben folytatta úttörő elméleti aerodinamikai munkásságát. Röviddel megérkezése után kollégájával, Erich Trefftzcel új szárnyfelület-elméletet dolgoztak ki, amit azonnal fel lehetett használni a repülőgép-tervezésben. Kármánnak és egyre növekvő tanszékének a sok közül egy másik elméleti témája volt a Prandtl-féle határréteg-elmélet finomítása.

Nem kevésbé lényeges, hogy Kármán Aachent repülésügyi központtá kezdte fejleszteni. Először is a berendezést tökéletesítette, legjelentősebb ezen a téren a már meglévő szélcsatornának modern, hatásos eszközzé történő áttervezése. Szoros kapcsolatot épített ki Németország egyre növekvő repülőgépiparával. Hugo Junkers, az Aacheni Aerodinamikai Intézet létrehozója megvált az egyetemtől, mint nagyiparos és feltaláló dolgozott tovább. Kármánnal szoros partneri viszonyt alakított ki, így az intézet és a német repülőgépipar között erős kapcsolat jött létre. Kármán felismerte a tudományos kutatási eredmények gyakorlati alkalmazhatóságának módját, ez jól összeillett Junkers fantáziadús és innovatív technikai gondolkozásával. A Junkersszel és Zepelinnel kötött jövedelmező szerződések segítették elő, hogy Aachenben a repülésügyi kutatás felvette a versenyt Göttingennel.

Aachenben kiderült, hogy Kármán intézetszervező képessége vetekedik kutatói tehetségével. Megérezte, milyen irányban fejlődik a technika, és hogyan lehet elméleti megoldásokkal hozzájárulni a fejlődést segítő technikai célkitűzésekhez. Ezzel vált Kármán és az Aachen Intézet a repülésügy fejlődésének centrumává. Affinitása a gyakorlati példák megoldásához sikereinek ugyanolyan lényeges tényezője volt, mint elméleti tudása. Kármán irányításával Aachen annak modelljévé lett, hogy milyen elvek alapján épüljön ki az elkövetkező évtizedekben a repülésügyi kutatómunka.

Míg Európában, olyan helyeken mint Göttingen és Aachen, gyorsan fejlődtek a repülésügyi kutatások, az Egyesült Államokban ezek támogatására kevés gondot fordítottak. Az emberbarát Daniel és Harry Guggenheim felismerték az elmaradást, és 1926-ban merész lépést tettek: létrehozták a Daniel Guggenheim Alapítványt. Ennek keretén belül 2,5 millió dollárt adtak több neves amerikai egyetemnek, köztük a Cal Technek (a Kalifornia Műszaki Egyetemnek) aeronautikai kutatásokra. A Cal Tech híres fizikusa, Robert Millikan jó barátságban volt Kármánnal, és minden erejével azon volt, hogy megnyerje, vállalja el a Cal Techen létesített, GALCIT néven ismertté vált Aeronautikai Laboratórium igazgatói állását.

Kármán, valamint anyja és nővére részéről súlyos döntés volt, hogy átmenjenek Pasadenába. Kármánnak majdnem két évtizedes munkája feküdt abban, hogy Aachenből kiemelkedő repülésügyi központot csináljon, ahol rendkívül nagy hírnevet vívott ki magának Európában. Átköltözése az Egyesült Államokba legalább is kulturális átállást jelentett. A döntéstől eleinte húzódozó Kármánt Millikan anyagi és szakmai perspektíva szempontjából vonzó ajánlatokkal győzte meg. Nem kis szerepet játszott a németországi romló politikai helyzet Kármán azon elhatározásában, hogy 1930-ban elhagyta Európát.

Nincs elég időm arra, hogy Kármán amerikai periódusáról sokat beszéljek, lényeges az, hogy ott is azzal az kitartó odaadással és jó érzékkel állt neki a problémák megoldásának, és az intézmények felépítésének, mint Európában. A GALCIT-ot is Aachenhez hasonló világszínvonalú központtá alakította át; szüntelenül tökéletesítette berendezéseit, gépparkját. Nagyon aktívan és sikeresen törekedett jövedelmező szerződéseket kötni azokkal a vezető dél-kaliforniai repülőgépgyártó vállalatokkal, amelyek támogatták kutatási programját. Kiemelkedő képességű fiatalokat hívott a Cal Techre, vezető aerodinamikai és aeronautikai mérnökökből szervezte meg annak vezető testületét. Miközben mindezt csinálta, megmaradt az elméleti aerodinamika élvonalában, sok eredeti munkát jelentetett meg ezen a területen.

A legjobb példa arra, hogy Kármán a mérnöki programokban mennyire tudta elméleti és gyakorlati tudását hasznosítani, az, ahogyan a GALCIT-ban a kezdeti rakétakutatásokat támogatta. A GALCIT rakétaosztálya az "öngyilkosok klubja" néven ismert lelkes egyetemi hallgatókból állt, ugyanis amikor valamelyik kísérletük balul ütött ki, minden a levegőbe repült. Ezt a tevékenységet fejlesztették nagy vállalkozássá, amikor a II. Világháborúban az USA hadserege rákényszerült a program támogatására. Ebben a periódusban azt dolgozták ki, hogyan segítsék rakétákkal repülőgépek felszállását. A kutatás eredményeképpen alakult meg később a híres Sugárhajtási Laboratórium (Jet Propulsion Laboratory).

A hadsereg részére vállalt munka alapozta meg Kármán tartós kapcsolatát az amerikai légierővel, így lett ő a hadsereg befolyásos tervezője és tanácsadója. 1945-ben fejezte be "Toward New Horizons" (Új horizontok felé) című klasszikussá vált munkáját, amelyben a technikai fejlődés és a nemzetvédelem programját foglalja össze. 1952-ben kezdeményezte a NATO új aeronautikai kutatási és fejlesztési tanácsadó csoportjának az AGARD-nak megalapítását, amelynek elnöke lett. 1963-ban bekövetkezett haláláig Kármán kiemelkedő szerepet játszott a nemzetközi légügyi-űrkutatási tervezésben.

Ennek a tudományágnak fejlődéséhez még számos jelentékeny személyiség járult hozzá. Közülük egyeseknek ismertebb neve volt, mint Kármán Tódornak, nehéz volna azonban egyet is kiemelni ezek közül, aki centrálisabb szerepet játszott volna az intézményszervezés, programtervezés terén. Személyében összpontosította az elméleti aerodinamikát és a légügyi-mérnöki technikát. Európában, Ázsiában és Amerikában fontos kutatóintézményeket szervezett, épített, támogatott. Segített kibogozni az atmoszférán átjutás titkait, nagyban hozzájárult a rakétatechnika és űrrepülés első lépéseihez. Nélküle a repülés-űrkutatás története egészen bizonyosan másként alakult volna.