Maailma lihtsaim mootor

12 000 km/h

Maailma lihtsaim mootor


Lennundustehnika ja kosmosetehnoloogia arengu taga on pea alati olnud sõjalised kaalutlused. USA ja Nõukogude Liidu sõjajärgne vastaseis on andnud meile reaktiivlennukid, Gagarini kosmoselennu ja jalajäljed Kuul. Nüüd, mil suur vastaseis lõppenud, dikteerib tehnoloogia arengut sõjajumal Marsiga võimult vähemalt võrdne jumalus – raha, majanduslik kaalutlus.

Vello Kala


1998. aasta suvi, USA, Nevada kõrb Grooms Dry Lake’i lähedal. Öö. Neli noort inimest naudivad vabadust lõkketule ümber. Kitarr, purgiõlu. Laulud – ja tähed kõrgel pea kohal. 17aastane Nataly märkab äkki tähekest, mis näib liikuvat. Langev täht tähendab õnne! Kuid see näib hoopis tõusvat ja muutub aina kirkamaks. Äkki on ta kohal, veider kolmnurka meenutav servadelt helepunaselt miilav objekt, vedades enda järel hõõguvat järelhelendust nagu komeet saba. Lummatult jäävad noored objektile järele vaatama. Ja siis tabab laagrit raevukas õhu- ja helilöök, ebamaine mürin kurdistab kõrvad, raevukas tuulesein rebib põõsaid ja pillutab laiali lõkke. Pimeduses helendavad vaid söed.
MIS see oli?

Alguses oli legend

Nevada kõrb varjab saladusi, mis ei paku huvi ainuüksi ufoloogidele. Ka näiteks paljude maade luureteenistusi huvitab, mis toimub USA õhujõudude salajases testikeskuses Grooms Dry Lake’i lähedal – või aatomirelva sünnikodus, Los Angelese laboratooriumis. Ülalkirjeldatu on üks juhtumeist X-failist koondnimetusega Aurora. Fakt? Legend? Ei taha kohtumõistjaks hakata, tõde ei selgu nagunii kunagi. Aurorast hakati kõnelema kaheksakümnendate lõpus, kui USA õhujõud loobusid tänaseni maailma kiireima lennuki tiitlit hoidva õhuluuraja SR-71 Blackbird (vt TM 05/99) projektist. Paljud vaatlejad märkasid, et USA on siiani loobunud kõrgtehnoloogilistest relvasüsteemidest ainult ühel põhjusel: kuni on valminud/valmimas seda ületav asendaja. Samal ajal sagenesid ajakirjanduses teated Nevada kõrbe kohal nähtud kummalistest ülikiiretest objektidest. Kui siis tsensori eksimuse tõttu leidus Pentagoni avalikustatud eelarvest luurelennukite SR-71 ja U2 kulunumbrite kõrval kolmas projekt, Aurora, millest keegi midagi ei teadnud, pani keegi ajakirjanik kolm asja kokku: Aurora on uus superlennuk, SR-71 järeltulija. Aurora saladust pole senini suudetud lahendada, naeruväärne oleks seda üritada minul oma toolilt TMi toimetuses. Küll võime mõelda, millised võiksid olla mootorid, mis võimaldaksid kiirusi, mille puhul lennukikere helepunaselt miilab.

Hingavad raketid

Esimene mõte on muidugi rakettmootor. Rakettmootoriga katselennuk X-15 saavutas kandelennuki tiiva alt startides kiiruse üle 6000 km/h juba nelja aastakümne eest. Kuid lennunduses rakettmootoril (kui stardikiirendajad välja arvata) kohta ei ole. Liiga suur on kütuse ja hapendaja kulu; lennuaegu tuleks mõõta pigem sekundites, kui minutites. Jättes ohutuskaalutlustel kõrvale omal ajal katsetusteni jõudnud aatomimootorid, jääb üle ainult üks mootor: ramjet-scramjet. Seda tüüpi mootorid on oma ehituselt maailma lihtsaimad mootorid: lihtsalt torujupp, mille eesmine ots kogub õhku, keskel põletatakse kütust ja tagant müriseb välja tuleleek. Tõsi, sama lihtne, kui seda oli kirjeldada, on tegelikult raske nimetatud sajandivanust ideed teostada. Asi on selles, et ramjeti, rääkimata scramjeti käivitamiseks peab mootorisse siseneva õhuvoolu kiirus olema väga suur –esimese puhul üle helikiiruse, scramjeti puhul viis-kuus korda enam.
Kuidas ramjet-scramjet töötab? Ram-mootor meenutab turboreaktiivmootorit, millest on eemaldatud kompressorturbiinid ja põlemiskambri turbiin. Tavalises reaktiivmootoris on turbiin vajalik selleks, et õhk siseneks põlemiskambrisse piisavalt kokkusurutuna. Torumootori puhul tagab siseneva õhu piisava kokkusurumise kiirus, millega lennuk õhumassi “rammib” (siit tulenebki nimetus ramjet). Õhuvõtukanalisse paigaldatud difuusor surub õhuvoo veel enam kokku, selle temperatuur tõuseb. Difuusorile järgneb põlemiskamber ja mootori lõpetab ahenev väljalaskedüüs. Tänu ahenevale düüsile gaasivoo kiirus põlemiskambris väheneb, nii et põlemine toimub veidi alla helikiiruse kulgevas gaasivoos. Ahenevast düüsist väljudes kasvab gaasivoo liikumiskiirus järsult, luues niimoodi reaktiivtõukejõu. Ramjet-mootoriga lennumasinaid katsetati juba viiekümnendate aastate lõpus ning tänaseks on see pea põhiline tiibrakettide jõuallikas.
Kuid kasuliku koormuse orbiidile aitamiseks napib ramjetil kiirust. Kuuekordsel helikiirusel läheb ramjeti põlemiskambris nii tuliseks, et põlemisproduktid hakkavad spontaanselt lagunema. Ka ei tunta materjale, mis sellist kuumust taluks.

Scramjet

Scramjet (supersonic combustion ramjet, ülehelikiirusel toimuva põlemisega ram-mootor) on oma põhimõttelt ramjetist veelgi lihtsam, sest sel puudub gaasivoolu pidurdav ahenev düüsikoonus. Tänu sellele läbib gaasivool mootori hoopis kiiremini ning ei jõua kuumeneda kriitiliste temperatuurideni. Kuid sellist mootorit on ka hoopis raskem ehitada, sest teoreetiliselt “käivitub” scramjet alles kuue- kuni kaheksakordsel helikiirusel. Olemasolevad tuuletunnelid katseid sellistel kiirustel muidugi ei võimalda. Tõsi, on olemas plahvatustunnelid – need on oma olemuselt mürsuta kahurid, scramjeti mudel paigutatakse torusse ning kui “kahur” tulistab, tabab mudelit ülikiire torus olnud õhu ja plahvatusgaaside voog. Nii saavutatakse tingimused scramjeti tööks. Tõsi, vaid millisekundiks, mida on lootusetult vähe, et mootorit katsetada ja edasi arendada.

Flöödi häälestamine

Nagu öeldud, on scramjet p õ h i m õ t t e l t äärmiselt lihtne mootor. Kuid kahjuks ainult põhimõttelt. Raskused tekivad seetõttu, et iga kindla põlemistrakti kujuga scram-mootor kipub ideaalselt töötama vaid mingil kindlal kiirusel ja kõrgusest sõltuval õhu tihedusel – asi, mis mõeldav ehk reaktiivmürsu puhul, kuid mõeldamatu lennunduses, kus tuleb sageli muuta nii lennukiirust kui -kõrgust. Võrdluseks sobivad hästi jalgpallikohtuniku vile ja flööt: esimene ajab ainult üht joru, teisel saab mängida keerulisi meloodiaid. Nii flöödi kui paindliku scram-mootori puhul on lahendus sama – tuleb leida võimalus muuta “instrumendis” kulgeva õhuvoo liikumistingimusi. Flöödis teeme seda õhuklappe avades-sulgedes, kuidas “sõrmitseda” aga lennul hõõguvat scram-mootorit?
X-43A mootori alumise poole moodustab suunajaplaat. Kui muuta selle esimene ja tagumine serv liikuvaks (nagu lennuki eleroonid ja kõrgustüürid), saamegi scram-mootoril “mängida”, häälestades teda soovitud lennurežiimile. Enamgi: painutagem mõttes suunaja tagaserv üsnagi palju üles – mis juhtub? Juhtub see, et mootori tagaossa moodustub ahenev düüs, seega pole tegu enam scram- vaid ram-mootoriga. See aga tähendab, et “flöötmootoriga” lennukit pole vaja mootori käivitamiseks kiirendada 6-8kordse helikiiruseni, piisab, kui kiirust on kolm korda vähem, nagu seda on vaja ram-protsessi käivitumiseks. See omakorda tähendab, et algkiirenduse võib lennukile anda tavaline turboreaktiivmootor.

X-43A

Tänase päevani pole veel ükski lennumasin scram-mootoriga lennanud. Kuid X-päev ei pruugi olla kaugel. NASA Langley uurimiskeskuses on konstrueeritud piloodita pisilennuk X-43A, millest peaks saama esimene iseseisva scram-lennu sooritanud lennuaparaat. X-43A loojad on scramjeti-teooriat kaugele edasi arendanud. Mootorit lennukil õieti polegi – ta on ise mootor. X-43A pikilõike saab tagurpidi kolmnurgast ja sirgest (vt joonist). Kolmnurk on lennuk ise, sirge – gaasivoo suunaja. Läbi õhumassi sööstes lähtuvad lennuki ninaosalt rõhulained – nagu käigulained vees liikuva laeva ninast. Suunaja “püüab” väga kõrge rõhu all liikuva rõhulaine kinni ja suunab difuusorisse – see on kitsaim koht lennukikere ja suunaja vahel. Siin pritsitakse õhuvoolu kütust (vedel vesinik) ja süüdatakse (tõsi, võimalik, et süüdet pole vajagi – scram-kiirustel hõõgub lennukikere nagunii heledalt ja difuusoris, kus rõhk kõrgeim, on seda ka temperatuur. Seega võib “süüteküünlast” loobuda, selles põrgus süttiks nagunii kõik, mis põleb ja mis ei põle ka.
Kuidas aga jõuda 6-7kordse helikiiruseni, mis vähim X-43A mootori käivitamiseks? NASA lahendas asja nii, et ekperimentaallennuk asub kiirendusraketi Pegasus ninas, viimane omakorda ripub B-52 pommitaja tiiva all. B-52 viib oma lasti 8 km kõrgusele, seal stardib Pegasus. Pegasus viib X-43A 33 km kõrgusele ja annab scram-lennukile vajaliku lähtekiiruse – esimesel katsel 7, hiljem 10 Machi (1 Mach = helikiirus)

2. juuni 2001

Täpselt kell kuus hommikul kiirendab USA õhujõudude Edwardsi baasi betoonrajal pommitaja B-52. Kuid see pole tavaline pommitaja. Tema parema tiiva all on ebaproportsionaalselt suur valge rakett. Raketi ninas tavalise ninakoonuse asemel on aga süsimust objekt, mis meenutab ühtaegu lennumasinat “Tähesõdadest” ja lutsukivi. Lennuk tõuseb õhku ja võtab kursi läände. Tunniga jõuab ta Vaikse ookeani kohale. Veel viisteist minutit ja lennuki tiiva all pahvatab suitsupilv: Pegasuse mootorid on käivitunud. Veel minut või kaks ja maailma esimene scram-lend saab tegelikus! Paraku ei. Kaheksa sekundit pärast kandelennukist eraldumist kaotab juhtimiskeskus Pegasuse üle kontrolli. Kurb, aga tuleb vastu võtta otsus katseseade õhus lõhata. X-43A ja Pegasuse jäänused kaovad igaveseks Vaikse ookeani sügavustesse.

Edasi?

Tolleks ajaks oli NASA-l valminud kolm X-43Ad. Katastroofi põhjuste selgitamiseni loobuti allesjäänud “ikside” lendudest. Õige pea selgus, et viga oli Pegasuse juhtsüsteemis. Ning tänavu aprillis teatas NASA, et teab täpselt, mis esimesel katselennul juhtus. Nii et peagi võib kõuelennuk taas üle taeva söösta, muutudes reaalsuseks – ja küllap sünnitades ka uusi legende. Seekord, tõsi, pigem kalameeste kui kõrbeasukate seas.

Ka teised proovivad

Ehk üllatav, ent oma scram-projekt on ka austraallastel. Mullu 30. oktoobril jõudsid nemadki esimese lennukatseni, mis, tõsi, samuti ebaõnnestus. Queenslandi Ülikooli projekti oleks siiski väär X-43Aga võrrelda – kui NASA-l on valmis scram-mootoriga mehitamata lennuk, siis austraallased üritavad esialgu vaid uurida, kas nende loodud mootor ka tõepoolest käivitub. Austraallaste projekt näeb välja nii: Woomera kosmodroomilt (loe TM 12/01) tõuseb väike kanderakett, mille ninaossa on kinnitatud scram-mootorit sisaldav terasmürsk. Kõrgusel 300 km vabastab rakett mürsu, mis hakkab kiirust kogudes langema. Kui kiirus on Mach 6–8, lülitatakse sisse mootor. Mingit “lendu” ei toimu, küll aga fikseeritakse, kas mürsu langemiskiirus suurenes (mootor töötas ja arendas veojõudu) või mitte (scram-efekt ei avaldunud).
Võrreldes NASA mulluse katsega oli austraallastel sellevõrra rohkem õnne, et kanderakett töötas laitmatult. Alt vedas mootor ise – kütus ei jõudnud põlemiskambrisse ja nii mürtsatas katseseade Lõuna-Austraalia kõrbe midagi selgitamata. Lisafotosid austraallaste programmist leiate http://www.mech.uq.edu.au/hyper/hyshot/, tõsi, see nõuab veidi kannatust, sest hoopis enam kui katseseadest on seal pilte end Fosteri õllega kosutavatest teadlastest.

* * *

Kui kummi väga venitada, võib öelda, et esimene vaba lend scram-mootoriga on juba toimunud. Mullu 20. juunil tulistati USA õhujõudude Arnoldi uurimiskeskuses hõrendatud gaasiga täidetud eksperimentaalkahurist välja scram-mootorit kandev mürsk. 10 cm läbimõõduga mürsk väljus kahuritorust kiirusega Mach 7,1. Järgneva 85 lennumeetri jooksul titaanmürsu scram-mootor töötas (tööaeg oli ...30 millisekundit). Ometi suutsid katseseadmed registreerida mürsu liikumiskiiruse üliväikest kasvu võrreldes ballistikaseadustel põhinevaga. USA õhujõud said seega hakkama sama tüüpi katsega, mis austraallastel ebaõnnestus: nad tõestasid, et scram-mootor võib tõepoolest veojõudu anda. Mõistagi ei saa ka seda katset kõrvutada NASA plaaniga panna lendama scram-mootoriga lennuk.

Kes oleks ostjad?

NASA. NASA teadlased on arvutanud, et hapniku kaasavõtmisest loobumine teeks orbiidilennuki ligi poole kergemaks. NASA loodab projektist nii odavat “orbitaalveoautot” kui väikest alati stardivalmis kosmoselennukit meeskonna orbiidile (näiteks kosmosejaama) toimetamiseks.
Sõjatööstus. USA õhujõudude andmetel on scram-lennuk tuumarelva kohaleviijana ballistilisest raketist hoopis efektiivsem, kuna võib püüdurrakettide eest kõrvale põigata.
Tsiviillennundus. Oleks ju ilus unistada võimalusest lennata näiteks Tallinnast Austraaliasse, et juua Sydney ooperimaja terrassil tass hommikukohvi ja olla lõunaks kodus tagasi. Arvestades kütusekulu oleks pilet ilmselt väga kallis. Kuid inimesi, kel aega hoopis napimalt kui raha meie planeedil ju leidub.

Artikkel avaldatud Tehnikamaailmas juuni 2002

printerisõbralik versioon esita küsimus