Teekond algas möödunud sajandi alguses rotatiivmootorite võidukäiguga. Sellistel õhkjahutusega tähtmootoritel pöörlesid silindrid ümber liikumatu väntvõlli. Oma vesijahutusega kolleegidega võrreldes tunduvalt väiksema erikaalu (kg/hj) tõttu eelistati neid esimestes lahingulennukites.
Rotatiivmootorite paljudest puudustest olulisim oli see, et nende võimsust ei saanud tõsta üle 100-130 hj. Tekkivate suurte tsentrifugaaljõudude tõttu ei olnud võimalik suurendada silindrite arvu ja nende mahtu, güroskoopilise efekti tõttu halvenes lennuki juhtimine.
Seda tüüpi mootoritel on ka väga suur õlikulu – määrdeaine lihtsalt pihustatakse tsentrifugaaljõudude tõttu laiali. Kuigi vedelikjahutusega ridamootoritel oli erikaal suurem, olid nad I maailmasõja lõpuks õhkjahutusega rotatiivmootoritest kordades võimsamad ja seetõttu pea ainuvalitsevad.
Põline vastasseis – õhk või vedelik
Lennunduses kasutatakse kahte tüüpi kolbmootoreid. Vedelikjahutusega mootoritel asuvad silindrid reas, sageli V-kujuliselt, ning õhkjahutusega mootoritel tähekujuliselt. Kummalgi tüübil on omad eelised ja puudused ning nende vastasseis on kestnud kogu arenguloo vältel.
Õhkjahutusega mootorid on kergemad, odavamad ja lihtsamad toota ning hooldada, seetõttu ka töökindlamad. Vedelikjahutusega mootori suureks eeliseks on väike frontaalpind, mootor on tunduvalt saledam. See annab suure eelise aerodünaamikas ning terava nina tõttu on võimalik ka pardakahur mootorisse integreerida. Samuti oli 1920. aastatel alles lapsekingades aerodünaamikateaduse tõttu tähtmootorit ümbritsevatel katetel sageli suur õhutakistus.
Sama liitrivõimsuse juures (hj/l) on õhkjahutusega mootor jahutussärgi ja -vedeliku ning radiaatori puudumise tõttu kergem. Seega on ka lennuk kergem – see oli aga mootorite suhteliselt väikeste võimsuste juures väga oluline. Nii olidki sel perioodil hea manööverdusvõimega lennukid õhkjahutusega, kiirlennukid aga vedelikjahutusega mootoritega.
1930. aastate alguses alanud vedelikjahutusega mootorite õitsengu põhjustas ennekõike võimsa veepumbaga tekitatud sundjahutamine, mis võimaldas mootorist efektiivselt soojust ära juhtida. Kaherealistel õhkjahutusega mootoritel oli suuri probleeme teise silindrirea jahutamisega.
Kuni mootorid olid suhteliselt nõrgad, mängis olulist rolli selle kaal. Hispaania kodusõjas suutis õhkjahutusega mootoriga Nõukogude Liidu hävitaja I-16 veel vedelikjahutusega mootoriga Saksa hävitajaga Messerschmitt Bf-109B sammu pidada, kuid mootorite arenedes enam mitte. 1941. aasta suveks polnud I-16-st enam Messerschmittile vastast.
Radiaatorite keresse ja tiibadesse integreerimisega paranes oluliselt aerodünaamika, rõhu all oleva jahutusvedeliku kasutuselevõtt võimaldas kuni 40-50% vähendada veeradiaatori pindala ja jahutusvedeliku kaalu. Seega „läksid moodi” vedelikjahutusega hävituslennukid. Sakslaste Messerschmitt ja inglaste Spitfire olid esimesed, nende eeskujule järgnesid Nõukogude Liit, Prantsusmaa ja USA. Vaid Itaalia ja Jaapan jäid truuks õhkjahutusega mootoritele.
Kuid õhkjahutusega mootorid leidsid oma niši, sest suure vigastustaluvuse tõttu sobisid nad hästi vaenlase tule alla suunduvatele ründe- ja pommituslennukitele. Väga hea töökindluse tõttu kasutas USA merevägi oma lennukikandjatel vaid õhkjahutusega mootoritega lennukeid.
Järgmist käiku tuli oodata mitu aastat, kuid see tuli 1940. aastate alguses võimsate 2realiste õhkjahutusega mootorite näol. Selleks ajaks olid aerodünaamikutel lahendused teise silindrirea jahutamiseks. Teise rea silindrid nihutati esimese rea „varjust” välja, suurendati mootori ristlõiget, rakendati ventilaatoritega sundjahutust, kasvatati õlitussüsteemi mahtu (suur osa sellise mootori soojusest antakse ära läbi õli), suurendati ja paigutati optimaalsemalt silindrite jahutusribisid ning õhuvoolu deflektoreid jne.
Õhkjahutusega mootorite trumbiks kujunes läbi töömahu ohjeldamatu suurendamise saavutatud väga suur võimsus. Nii on kuulsale Nõukogude Liidu hävitajale La-5 paigaldatud 14silindrilise 2realise tähtmootori töömahuks 42 liitrit. Ja kuigi tema eelkäijal LaGG-3 asus sale vedelikjahutusega mootor M-105P, paranesid La-5 lennuomadused vaatamata aerodünaamika halvenemisele oluliselt.
Kuid vedelikjahutusega mootorid ei andnud alla. Kõige lihtsam võimalus võimsuse suurendamiseks tundus olevat kahe mootori ühendamine läbi reduktori üheks jõuallikaks. Suhteliselt väikest töömahtu püüti kompenseerida ka mitme mootoriploki liitmisega ühe väntvõlli alla. Nii sündisid H- ja X-kujulised mootorid, kuid sel teel saadud paljusilindriline konstruktsioon osutus liialt keeruliseks ja ebatöökindlaks ning rahuldavalt õnnestus sellise mootori loomine vaid inglastel. Sakslased proovisid ka oma kaugpommitajal Heinkel 177 kahte vedelikjahutusega V-12-mootorit kokku liita, kuid häid tulemusi ei saavutatud.
Paljusilindriliste agregaatide loomisega kaotas vedelikjahutusega mootor ühe oma põhieelistest – väikese ristlõikepindala. Samal ajal tehti edusamme tähtmootorite aerodünaamikas. Loodi väikese õhutakistusega ja optimaalset jahutust pakkuvad mootorikatted ning lahinguväljale saabus uus põlvkond õhkjahutusega mootoriga hävitajaid – Nõukogude Liidu La-5, sakslaste Focke-Wulf FW-190, ameeriklaste P-47 jt.
Vedelikjahutusega mootorite vastukäik tuli alles II maailmasõja lõpuaastatel – suurem töömaht saavutati suurema silindri läbimõõduga. Nii sündisid tõeliselt suured mootorid – Nõukogude Liidus Mikulini AM-42, Inglismaal Rolls-Royce Giffon, Saksamaal Daimler-Benzi DB-603 ja Junkersi Jumo 213. Kuigi selliste mootoritega varustatud lennukid näitasid väga häid lennuomadusi, sündisid nad liiga hilja – sõja tulemus oli juba otsustatud. Nõukogude Liidus arendatatud AM-42-ga jõustatud ründelennuki Il-2 edasiarendus Il-10 osutus nii heaks, et teda kasutati veel Korea sõjaski.
Ning siis selgus, et võimsuse edasisel suurenemisel hakkas selliste mootorite erikaal (kg/hj) hoopis suurenema. Põhjuseks asjaolu, et mootoris tekkivate suurte jõududega toimetulemiseks pidi detaile tugevdama, tugevamad detailid kaalusid aga rohkem. Seega tundus, et kolbmootorid on oma arengutipu saavutanud.
Appi tuli algselt mootorite kõrgustaluvust parandama mõeldud ülelaadimine. Tavaline sisepõlemismootor arendab maksimaalset võimsust maapinna lähedal, kõrgustesse tõustes põlemiseks vajaliku hapniku hulk väheneb. Sellega toimetulemiseks vähendatakse mootorisse antava kütuse kogust ning mootori võimsus langeb. Nii on väikestes kõrgustes tegutsema mõeldud mootor kõrgustes liialt suure tugevusvaruga, kui aga tuua suurte kõrguste jaoks projekteeritud mootor maapinna lähedale, võib ta liigse koormuse tõttu puruneda ning selle vältimiseks tuleb mootorisse antava kütuse kogust piirata.
Kõrgustaluvuse suurendamiseks hakati põlemisõhku kokku suruma. Esialgu kasutati selleks väntvõllilt ringi aetavaid tsentrifugaalkompressoreid. Kuid siin tekkis samasugune probleem – konstantse ülekandearvu puhul sai mootor maapinna lähedal õhku liialt palju ning vastava koguse kütuse lisamisel võinuks mootor puruneda, suurtes kõrgustes jäi aga õhku vajaka.
Lahenduseks hakati kompressoreid ringi ajama läbi mitmekäigulise käigukasti, muutes ülekandearvu vastavalt kõrguse suurenemisele. Alguses olid sellised reduktorid kahe-, hiljem kolmekäigulised. Sakslaste Daimler-Benz oli siin eriti eesrindlik – nende mootoris DB-600 käitati kompressorit läbi õlisiduri ning see tagas ülelaaderõhu sujuva reguleerimise. Kuna aga kompressori käitamiseks kulus energiat, olid sellised mootorid vabalthingavatega võrreldes suurema kütusekuluga.
Järgnevaks sammuks oli tänapäeva autodelt tuttava, heitgaaside abil ringi aetava turboülelaaduri kasutuselevõtt. Isenesest hea idee – kasutada ära seni niisama õhku lendavate heitgaaside energiat – osutus aga tehniliselt raskesti teostatavaks ning lahingulennukitele jõudsid sellised mootorid vaid USA-s. Turboülelaaduri tõrgeteta funktsioneerimiseks oli vaja kuumuskindlaid sulameid ja väga kõrgeid pöördeid taluvaid laagreid.
Kuid see polnud veel kõik. Seeriamootoritel viis turbiinini pikk ja raske toru ning ka seade ise oli suur ja raske. Selgus et turboülelaadimine sobib suurtele pommitajatele, kuid kergetel hävitajatel osutus läbi kahekäigulise reduktori väntvõllilt käivitatav laadur paremaks. Ka sai selgeks, et väikestel pööretel ei anna turbokompressor piisavalt rõhku ning mootor kippus seisma jääma. Lahendusena kasutati vkombinatsiooni, kus madalatel pööretel töötas väntvõllilt käitatav kompressor, suurematel pööretel võttis aga turbo töö üle.
Lisaks selgus, et eriti suurtes kõrgustes teeb ülelaadur õhu piisavaks kokkusurumiseks palju tööd ning see kuumutab mootorisse suunduva õhu väga kõrgete temperatuurideni. Vastavalt termodünaamika seadustele muutub selline õhk hõredamaks ning silindrisse satub vähem põlemiseks vajalikku hapnikku. Jahutuseks tuli suunata põlemisõhk läbi radiaatori, mis aga tekitas täiendava aerodünaamilise takistuse. Seega õigustas lennukimootoril põlemisõhu vahejahutamine vaid kõrglendude puhul.
Forsseerimine? Forsseerimine. Forsseerimine!
Õhkutõusul peab mootor arendama maksimaalset võimsust, kaugele lendamisel on aga vajalik maksimaalne ökonoomsus. Seega töötab lennukimootor vaid väikese osa oma elust maksimaalkoormusel.
Suurtel koormustel töötades on üheks võimaluseks mootori võimsuse suurendamiseks spetsiaalsete vedelike kasutamine. Väikestel kõrgustel pritsitakse mootorisse kas vett või vee ja piirituse segu. Selline oli nt Saksamaal kasutusel olnud WM 50, mis kujutas endast 50% vee ja metanooli segu. Sellega jahutati nii silindrisse suunatavat küttesegu kui mootorit. Jahedam küttesegu on tihedam ning silindrisse saab „pakkida” rohkem nii kütust kui selle põlemiseks vajalikku hapnikku. Suureneb ka detonatsioonikindlus.
Kõrglendudel on mootoril terav hapnikupuudus, mille leevendamiseks võiks seda gaasi balloonides kaasa võtta, kuid see oleks tehniliselt väga raskesti teostatav. Lahendus leiti hapniku keemilise sidumisega naerugaasi (N2O2) ehk nn nitro näol.
Keemilist forsseerimist kasutati ennekõike II maailmasõja aegsetel hävitajatel. Kuigi nii vähenes oluliselt mootori ressurss, andis keemiline forsseerimine koos kõrgeoktaanilise kütusega lahingus sageli eluliselt vajalikku lisavõimsust.
Peale II maailmasõda pakkusid äsja areenile ilmunud reaktiivmootorid kolbmootoritele tugevat konkurentsi. Suurtel, helikiiruse-lähedastel kiirustel olid reaktiivmootorid ainuvalitsevad, kolbmootorite osaks jäi nende kordades suurema kütusesäästlikkuse tõttu kauguste vallutamine ning sõjaaegsele pommitamiskogemusele tuginedes sai 1950. aastatel hoo sisse transatlantiline reisilennundus. Sel ajal ilmusid eriti võimsad paljusilindrilised õhkjahutusega mootorid ning mitmerealised vedelikjahutusega mootorid. Kasutati ka nn turbokompaundskeeme, mille puhul heitgaasid juhiti läbi 2 või 3 järjestikuse turbiini. Esimest turbiini kasutati põlemisõhu kokkusurumiseks, järgmiste energia suunati läbi reduktori väntvõllile. Sellised agregaadid kujunesid ülikeerulisteks ning olid väga paljude liikuvate osade tõttu tõeliseks lennukimehaaniku õudusunenäoks. Oli päris tavaline, et ühel silindril oli 2 süüteküünalt ning 5 klappi – 2 sisselaskele ning 3 väljalaskele. Ning ühel lennukil võis olla neli 18silindrilist mootorit!
Nii andsid sel ajal üle Atlandi ookeani reisijaid vedava reisilennuki 72 silindrit kokku 168 liitrit töömahtu. Aga paljud vanema põlvkonna piloodid igatsevad siiani seda erilist, väga paljude silindritega mootorite tekitatud häält.
Kuid varsti muutusid ka reaktiivmootorid piisavalt ökonoomseteks, et neid sai hakata kasutama kaugele lendavatel lennukitel. Kolbmootorite osaks jäi – ja on ka nüüd – päris arvukas väikelennundus. Enamik piloote saab oma esimese lennukogemuse just kolbmootoriga lennukiga ning paljude jaoks on esimene päris oma lennuk just sellise mootoriga.
