Meid ootavad hüperkiirused

Indrek Liiva
01.02.2021

Viimastel aastatel on huvi hüperkiiruste vastu oluliselt kasvanud. USA, Venemaa, Hiina ja India arendavad hüperkiirusega liikuvaid tiibrakette, Boeing mõtleb tõsiselt viiekordse helikiirusega liikuvale reisilennukile.

Kõik viiekordsest helikiirusest kiiremini liikuvad objektid on hüperkiirusega liikujad. Siia kuuluvad näiteks osa mürske, rakette, piloteeritavaid lennuvahendeid ning ka inimesi ja laste kosmosesse ja sealt tagasi toovad vahendid, seega päris suur seltskond erinevaid tehnilisi seadmeid. Esimene hüperkiirusega liikuja – Corona luuresatelliit – liikus läbi atmosfääri juba 1960. aastal. Neile järgnenud kosmoselaevad Vostok, Sojuz, Apollo, kosmosesüstik, mandritevahelise ballistilise raketi lõhkepead liikusid või liiguks kõik läbi atmosfääri ülemiste kihtide umbes 20kordse helikiirusega. Kuid täielikult piloteeritavat-kontrollitavat pikaajalist, töötamiseks õhku kasutava mootori abil teostatavat lendu pole veel suudetud saavutada ning selles valdkonnas käivad tõsised uurimistööd. Õhku hingava mootoriga hüperkiirusel liikuv lennuvahend avaks meile senini täiesti kasutamata õhuruumi – 36–150kilomeetriste kõrguste vahel asuva n-ö atmosfääri piiriala, tiheda atmosfääri ja kosmose tühjuse vahel paikneva transatmosfääri.

Ramjet ja scramjet

1960ndatel toimunud 199 rakettlennuki X-15 lendu oli USA esimene katse transatmosfääri uurida. See oli väga edukas, kuid piiratud ulatusega uurimisprogramm. Kuna rakett peab kogu vajaliku oksüdeerija koguse endaga kaasas kandma, pole rakettmootor vähegi aktsepteeritava lennuulatusega praktilise lennuvahendi jaoks sobiv. Ehitatud kolm lennukit suutsid lennata maksimaalselt 450 km kaugusele.

Tänapäeval väga levinud turboreaktiivmootoril on omad piirangud. Selline mootor surub pöörleva turbiiniga sisseimetud õhu kokku, lisab kütuse, süütab saadud segu ning tekitab tulemusena saadud kõrge rõhu all oleva kuuma gaasijoaga vajaliku veo(tõuke)jõu. Järelpõleti abil on võimalik saavutada 3-3,5kordne helikiirus, kuid edasisel kiiruse suurendamisel kaob selle pöörleva masinavärgi efektiivsus. Tänapäevased turboreaktiivid suudavad hakkama saada vaid alla helikiirusliku õhuvooluga, ka 3,2kordse helikiirusega lendava superluurelennuki SR-71 Blackbird mootor pidi saabuva õhuvoolu enne kompressorilabadeni jõudmist aeglustama alla helikiirusliku.

Lahenduseks oleks pöörlevatest turbiinidest ja kompressoritest loobumine ehk las suurel kiirusel mootorisse sisenev õhk surub ennast ise kokku – edasi jääb vaid kütus sisse pritsida ning süüdata ja põlemisproduktid düüsi kaudu välja suunata. See lahendus on tuntud kui ramjet ehk annab otsevoolu-reaktiivmootori.

Kuigi seade näeb ka tänapäeval futuristlik välja, algasid otsevoolu-reaktiivmootori-alased teoreetilised uurimistööd juba enne I maailmasõda prantslase René Lorini uurimistöödega. 1930ndatel lõi tema kaasmaalane René Leduc rakettlennuki Leduc 0.10, kuid alanud sõda pidurdas arendustöid tervelt kümnendi võrra. Venelase Juri Pobedonostsevi juhitud uurimisrühm püüdis lisada otsevoolu-reaktiivmootorid kahurist väljatulistatavatele mürskudele ning Igor Merkulovi juhitav rühm katsetas otsevoolu-reaktiivmootoriga lennukit. Kuid need kõik olid vaid kiirendid, millega prooviti olemasolevaid lennukeid kiiremini lendama saada, aga mitte põhijõuallikad.

Varsti kerkis ka siin sein ette – ramjet suudab kasutada vaid alla helikiiruslikku õhuvoolu. Kui lennukiirus ületab viiekordse helikiiruse, kuumeneb kokkusurutav õhk sedavõrd, et põlemine mootoris katkeb, õhk põleb enne ära. Lahenduseks sai õhuvoolu teelt kõigi takistuste kõrvaldamine ning tulemusena sündis ülehelikiiruslik otsevoolu-reaktiivmootor – supersonic-combustion ramjet ehk scramjet. Sellisest mootorist liigub õhk läbi ilma kokku surumiseta ning sellest tingitud kuumenemiseta.

Nagu ramjeti puhul, lisatakse ka siin kütus, segu süüdatakse ning tekitatakse seeläbi veojõud. Algul lootis NASA lennutada scramjeti katsemudelit koos X-15A-2ga, kuid X-15 kere kuumenes seejuures nii tugevalt, et kinnitused sulasid üles ning mootor kukkus X-15 küljest ära. Komplektne katsemudel ei teinud ühtegi lendu.

Alles 2004. aastal katsetati scramjetti lennukil X-43.

Aastail 2001–2006 tegeleti Austraalia Queenslandi ülikoolis HyShot-nimelise programmiga, uurimaks scramjet-mootori kasutusvõimalusi. Esimene katsemootor oli prooviks kinnitatud meteoraketi Terrier-Orion Mk70 ninasse, rakett viis mootori maksimaalselt 330 km kõrgusele. Arvatavasti ajaloo esimene edukas scramjet-mootori töötamine toimus 30. juulil 2002, kuigi on ka arvamusi, et DARPA ja venelased olid selleni jõudnud varem. Mootor näitas tagasilennul maa suunas 6–10 sekundi jooksul, et võib arendada kiirust kuni Mach 7,6. Teine edukas katsetus teist tüüpi mootoriga tehti 25. märtsil 2006, kuid praktilisse kasutusse neist mootoreist midagi ei jõudnud, sest katsemootorid olid selleks liiga kallid. Katsetulemuse poolest oli X-43 edukam, sest arendas 2004. aastal toimunud kolmandal katselennul 11 sekundiks peaaegu 10kordset helikiirust.

Teoreetiliselt pole scramjetil piiranguid. Kuni jätkub kütust ja mingitki õhku, on temaga võimalik saavutada esmapilgul äärmuslik ehk 25kordne helikiirus. Just selleni püüdiski jõuda 1986. aastal president Ronald Reagani välja kuulutatud National Aero-Space Plane program ehk rahvuslik kosmoselennuki programm. X-30 tähistusega õhusõiduk pidi olema scramjet-mootorit kasutav üheastmeline kosmoseaparaat, mis suurtes kõrgustes pidi oksüdeerijana kasutama eelnevalt maal kogutud ja veeldatud õhku. Saavutati 12–15kordne helikiirus, kuid taotletud orbitaalkiirus ehk vähemalt 25kordne helikiirus jäi kättesaamatuks. Lõppkokkuvõttes kujunes kogu kosmoselennuki projekt suureks raha- ja ajaraiskajaks. Kaugelt üle eelarvepiiride ja lõpuni lahendamata võtmetehnoloogiatega programm lõpetati 1994. aastal. Sealtpeale seostub hüperkiirus paljudele inimestele millegi väga suure, keeruka ning väga kalliga.

2000ndate alguses teatasid Venemaa uurijad, et neil olevat olemas töötav scramjet-mootor. Vaidlused selle üle, kas venelaste mootor tõesti töötas, käivad nappide andmete tõttu tänini, kuid piltidel paistab nende rakett väga sarnane X-15 külge riputatuga.

Uued katsed

Tühistatud X-30 programmi otsene järeltulija X-43 oli algselt mõeldud vaid vähendatud mõõtkavas lennuvahendina superkiiruste ja scramjet-tehnoloogiate demonstreerijaks. Lisaks sellele, et lendkeha saavutas 9,6kordse helikiiruse, oli hoopis põnevam see, et scramjet-mootor ka tegelikult töötas. Mootori ainsaks puuduseks leidsid katsetajad, et seade ei olnud „termiliselt tasakaalustatud”, mis lihtsamalt öeldes tähendas, et vaid mõnesekundilise töötamise järel hakkasid mootori seinad sulama. Sellest hoolimata loeti programm täielikult õnnestunuks.

Seejärel toimus USA õhujõudude poolt koordineeritud programmi X-51 raames aastatel 2010–2013 neli katselendu. Tegemist oli scramjet-mootoriga mehitamata õhusõidukiga, mis lendas kandurlennukist eraldumisest alates kuni kütuse lõppemiseni 209 sekundit. See oli X-51 loojate jaoks tõeline „Lindberghi-hetk”. Nimelt tõestas Charles Lindbergh oma 1927. aastal toimunud üle Atlandi ookeani lennuga, et kolbmootor on lennuki jõuallikana kasutatav. Nüüd tõestas X-51, et scramjet on kasutatav lennuvahendi jõuallikana. Vastavalt inimkonna traditsioonile hakatakse scramjetti ilmselt kõigepealt kasutama sõjaliselt, kuid enam-vähem kindlalt viib see meid ühel päeval ka viiekordse helikiirusega lendavate reisilennukiteni, mis suudaks näiteks Vaikse ookeani ületada kolme tunniga. President Reagan kutsus juba 1986. aastal üles looma nn Orient Expressi lennukit, mis lendaks Washingtonist Tokyosse kahe tunniga.

Kuigi taolist lennukit lubavaid tehnoloogiaid on juba olemas, ei oleks sellisel lennukil suure tõenäosusega veel scramjet-mootorit, sest selline mootor on selleks veel liialt toores. Ilmselt kasutataks mingit turbo-ramjet kombineeritud mootorit. Ka näeb hüperkiirustel liikuv lennuk kindlasti teistsugune välja, kui tänapäevane tiibadega toru meenutav lainer. Uudsel lennumasinal sulanduvad tiivad ja kere sujuvalt kokku ning kusagile konstruktsiooni sügavustesse on peidetud ka mootorid. Võimalik, et kasutatakse ka nn lainelratsutaja-kontseptsiooni, mille puhul lendkeha nagu ratsutab enda tekitatud ülehelikiiruslikul rõhulainel, sest selline variant on aerodünaamiliselt kõige efektiivsem.

Arvatakse, et kui kõrvale jätta mitmed, ennekõike majanduslikud takistused, oleksid konstruktorid võimelised sellise lennumasina looma umbes 20 aastaga, kuid see ajapiir sõltub pemiselt arendajate huvist. NASA näiteks ei soovi rahapuudusel jätkata edukaks osutunud X-43 ja X-51 programme. Enamik USAs loodavatest relvasüsteemidest ei põhine mitte scramjet-tehnoloogial, vaid on nn boost-glide süsteemid – rakett kiirendab manööverdusvõimelise wave-rider tüüpi õhusõiduki suurtesse kõrgustesse, kust see siis ligi 20kordse helikiirusega märgile lendab. See pole utoopia, sest 2011. aastal saavutas DARPA loodud lennumasin Hypersonic Technology Vehicle 2 (HTV-2) enne Vaiksesse ookeani kukkumist mitmeks minutiks 20kordse helikiiruse. Kiirel lennul tekkinud soojuse tõttu ülessulanud lennuvahendi kerekate välistas edasise stabiilse lennu.

Õhku hingavate süsteemide poole pealt ehitab DARPA koostöös Ameerika õhujõududega X-51 tehnoloogial põhinevat lennumasinat Air Force Hypersonic Air-Breathing Weapon Concept ehk HAWC, et seda tulevikus tiibrakettidel kasutada. Septembris teatati, et varsti ollakse katsetusteks valmis. Raketi abil kiirendatavad (boost-glide) süsteemid sobivad paremini strateegilistele ehk kaugmaarelvadele, õhkuhingavad süsteemid on aga eelistatavad lühimaarelvade puhul, sest need saab teha väiksematena, kuna ei pea kaasas kandma oksüdeerijat ja on X-51 näol ka reaalselt katsetatud.

DARPA direktori Steven Walkeri sõnul on Pentagon väga huvitatud hüperkiiruste tehnoloogiast. Nii HAWC kui ka HTV-2 järglane Tactical Boost-Glider peaksid jõudma lennukatsetusteni lähiajal. Samuti on valmis saamas uus väike kandelennukilt startiv rakett Generation Orbit X-60, mis võimaldab hüperkiiruse eksperimente teha palju sagedamini ja odavamalt.

Progress või regress?

Seega inimkonna progressiks loetav ajalugu jätkub – 19. sajandi alguses oli loomveoki kiiruseks 10 km/h, 20. sajandi alguses sõitsid parimad auruvedurid kiirusega 100 km/h ning 21. sajandi alguses lendasid reaktiivreisilennukid 1000 km/h. 22. sajandi alguses võiks inimeste reisikiirus olla 10 000 km/h.

Kuid pole sugugi kindel, et USA jääb hüperkiiruste valdkonnas liidriks. Venemaa on teinud hüperkiiruse oma relvaprogrammide prioriteediks, Hiina ehitab mudelite katsetusteks võimsaid tuuletunneleid ja avaldab tuhandete kaupa vastavaid teadusartikleid, Indiagi arendab usinalt hüperkiirusega tiibrakette.

Omaette küsimus on, kas hüperkiirusel liikuvad relvad suudavad asendada tänapäevaseid ballistilisi rakette ja tiibrakette. Kui 1950ndatel loodi esimesed ballistilised raketid, tundus, et need on ülirelvad, mille vastu pole kaitset, vastast võib rünnata täiesti karistamatult. Kuid varsti olid tuumalõhkepeadega ballistilised raketid valvel mõlemal pool raudset eesriiet ning riigid teadsid, et tõsisem konflikt viiks vastastikuse hävitamiseni. Selline habras, kuid rahu tagav tasakaal kestis ajani, kui hakati arendama raketikaitsesüsteeme. Ballistiline rakett tõuseb kõrgele kosmosesse, sel ajal on ta kergesti avastatav ning ettearvatava trajektoori tõttu ka suhteliselt kergesti tabatav. Uue, hüperkiirusega boost-glide süsteemi puhul on kanderaketist vabanev liugurkeha võimeline liikuma väga keerulisel trajektooril ning see teeb tema tabamise peaaegu võimatuks. Lisaks võib korraldada vastase õhukaitsesüsteemi „ära ummistava” massirünnaku, kus tuumalõhkepead on vaid osadel lendobjektidel, ülejäänud on kas tavalise lõhkeainega täidetud või on nad päris ilma laenguta Lisaks võib mõne kandekeha ohverdada ka õhukaitsesüsteeme segadusse ajavate kildude tekitamiseks.

Arvatakse ka, et hüperkiirusel liikuvale relvale pole lõhkepead vajagi, sest lendkeha omab niigi väga suurt kineetilist energiat, mis näiteks viiekordse helikiirusega sõjalaeva tabades tekitab sellele fataalseid purustusi.

Lisaks on maapinna lähedal hüperkiirusega lendav tiibrakett raskesti tabatav, sest maapealsed radarijaamad avastavad ta liiga hilja. Siin on tõhusaks abiks kosmoses paiknevad luuresatelliidid, mis avastavad hüperkiirusega liikuja tema soojusjälje tõttu maapealsetest radaritest varem.

Tundub, et jällegi on relvastusvõidujooksus üks ring täis saanud – ründaval poolel on relvad, mille vastu kaitsval poolel esialgu puudub vastuabinõu.

Kuid hüperkiirusega liikuval lennuaparaadil on ka omad nõrgad küljed. Kõigepealt tekib sellise kiirusega liikumisel maapinna lähedal õhu hõõrdetakistusest palju soojust. Kui superluurelennuk SR-71 lendas 30 km kõrgusel, kus õhutihedus on vaid 5% maapealsest, 3,2kordse helikiirusega, kuumenes tema tiiva esiserv 580 °C-ni, hüperkiirusega liikuja kuumeneb aga pea 2000 kraadini. Ka ballistilise raketi tuumalõhkepea kuumeneb analoogselt maale tagasipöörduva kosmoselaevaga, kuid see kestab vaid loetud minuteid, hüperkiirusel liikuja peab aga kuumas õhuvoolus vastu pidama tunduvalt kauem. Lendkeha ümber moodustuv plasmapilv takistab GPS-signaalide ning juhtimiskäskude vastuvõtmist ning õhumolekulid võivad hakata lennuvahendi kerematerjaliga reageerima ning seda lammutama. Samuti on selgunud, et scramjet on siseneva õhuvoolu muutumise suhtes väga tundlik – ettevaatamatu ehk ootamatu manööver võib mootori seisata. Ka mõjutavad tihedas atmosfääris lendu ilmastikutingimused – tuule suund ja kiirus ning õhuniiskus ja nii võib suhteliselt pisikesele märgile, näiteks lennukikandjale pihtasaamine olla problemaatiline.

Vajatakse uuringuid

Hüperkiiruste saavutamisel on suurimaks takistuseks vastavate uurimisvõimaluste vähesus ning nende kallidus. Üks sellisest uurimiskompleksidest paikneb USAs Marylandi osariigis White Oaki äärelinnas tagasihoidlikus hoonetekompleksis, mille välimus ei reeda millegagi, et siin tehakse maailma tipptasemel aerodünaamikateadust. Vaid hoonete juures asuv suur hõbedane kera annab aimu, et siin toimub midagi erilist.

Ühes sealsetest hoonetest asub Saksamaalt Peenemünde raketiuurimiskeskusest pärineva tuuletunneli koopia. Selle 40 x 40 cm mõõtealaga tunneli abil töötasid Saksa teadlased 1940. aastatel välja ballistilised raketid V-2. Pärast sõda USAsse tooduna aitasid need Saksa spetsialistide kaasabil luua ameeriklaste oma rakettrelva.

Tunnel on võimeline tekitama 2-3kordse helikiirusega õhuvoolu. Kuid uurimiskompleksi, mida ametlikes kirjades nimetatakse U.S. Air Force Arnold Engineering Development Complex, südameks olev Tunnel 9 on võimeline vähemalt 18kordseks helikiiruseks. Kui USA õhujõud arendavad raketitõrjesüsteeme, NASA töötab uue Orion-kosmoselaeva kallal, Sierre Nevada Corporation arendab oma Dream Chaser kosmoselennukit või kui keegi teine tahab, et tema looming hakkaks lendama tõeliselt kiirelt, peab ta sammud seadma Tunnel 9 juurde, kus asub tänapäevase hüperkiiruste-alase uurimistöö epitsenter.

Hoonesse sisenedes hakkavad silma koridori seintel asuvad hapnikumonitorid ning hingamismaskid. Põhjus on selles, et Tunnel 9 kasutab töögaasina väga suurtes kogustes lämmastikku ning tugeva surve all olev inertgaas on võimeline, juhul kui midagi peaks valesti minema, ruumidest kogu hingamiseks vajaliku hapniku hetkeliselt välja tõrjuma.

Üle kogu Ühendriikide asuvad firmale kuuluvad üheksa tuuletunnelit on unikaalsed nii oma omadustelt kui ka lahendatavate ülesannete poolest. Tunnel 9-t majutavas hoones asub ka väike muuseum, mille kõige huvitavam eksponaat on seljapoolel väikese harjaga ning kõhupoolel väikese soonega, nooleotsa meenutav lendkeha. Sellise kuju saavutamiseks alustati koonusest ning järk-järgult eemaldati kõik, mis tekitas takistust, kuid ei loonud tõstejõudu. Tulemuseks on nn lainelsõitja – wawerider – lennuvahend, mis „ratsutab” omaenda ülehelikiirusest tekitatud rõhulainel – tänapäevane hüperkiiruse saavutamise võtmetehnoloogia.

USA liidripostisiooni säilitamiseks töötab Tunnel üheksa täiskoormusel. 18kordse helikiiruse saavutamiseks ei piisa lihtsalt ventilaatoriga torusse ühest otsast õhu sissepuhumisest. Tunneli tööpõhimõtte selgitamiseks võrreldakse seda õhupalliga. Niipea, kui sulgemata õhupall lahti lasta, püüab õhk sellest väljuda. Sama toimub ka siin, kuid hoopis teises mõõtkavas. Hoone kõrval asuv mitmekorruselise maja kõrgune metallkera on 60 000 m3 mahuga vaakummahuti, milles tekitatakse tuuletunnelis alarõhk 1 tuhandik atmosfäärirõhust, kuid sellest ei piisa, vaja oleks miljonikordset rõhuvahet. Tunneli teises otsas asub 1000baarise rõhu all lämmastikuga täidetud survenõu, millest katsetuse käigus liigub gaas läbi mõõteala vaakumkambrisse, tekitades nii kokku miljonikordse rõhkude erinevuse. Survekambrist vabanenud kõrge rõhu all olev lämmastik läbib kõigepealt teda veelgi kokku suruva väikese ava ning seejärel mõõteala küljes oleva düüsi. Ava ja düüsi vahekord määrabki ära õhuvoolu lõpliku kiiruse. Nii saavutatakse 14kordne helikiirus 2,5 cm ava ja 1,5meetrise läbimõõduga düüsi kombinatsiooniga, 18kordse helikiiruse saavutamiseks vähendatakse ava 1,3 sentimeetrini. 12meetri pikkuse düüsi otsas asuva 1,5meetrise läbimõõduga mõõtealasse saab paigutada kuni 90 kg kaaluva uuritava mudeli. Üheksas tunnel suudab 18kordse helikiirusega õhuvoolu tekitada kuni 15 sekundiks.

Kui kõik inimesed on turvaliselt paksude betoonmüüride taga peidus, vajutatakse kontrollruumis Start-nuppu ning saadakse vaid arvutisimulatsiooni loomiseks vajalikke andmeid.

Sarnased artiklid