Concorde saab poja?
Ülo Vaher
12.12.2009

Eelmise sajandi kuuekümnendatel välja töötatud ülehelikiirusega reisilennukid Tu-144 ja Concorde lõpetasid oma lennud vastavalt 1999. ja 2003. aastal ning kunagised rivaalid veedavad nüüd oma vanaduspuhkust teineteise kõrval Sinsheimi tehnikamuuseumis. Aga ka käesolev sajand tahab näha ülehelikiirusega reisilennukeid. Uue sugupõlve nimel pingutavad paljud lennukiehitajad mitmel maal. Üks ambitsioonikamaid on Euroopa projekti LAPCATi mudel A2, mis on saanud brittidelt hellitusnime Concorde’i poeg ning mis ületab oma eelkäijat rohkem kui kaks korda nii kiiruse, lennukauguse kui ka reisijate arvu poolest.

Ligi saja-aastane lennukiehitajate deviis „kõrgemale, kaugemale, kiiremini!” heliseb endiselt nende peas ja südames. Seda unistust realiseeriti pidevalt ja samm-sammult, kuni vastu tuli tõke – helibarjäär, millest läbimurdmine nõudis revolutsioonilisi uuendusi lennundustehnikas. See õnnestus poolsada aastat tagasi kergetel sõjalennukitel nende lühikestusega lendudel, mille juures ei küsitud selle saavutamise hinda. Mitmekordselt suuremaid raskusi tuleb ületada kogukate ja pikki vahemaid läbivate reisilennukite väljatöötamisel, mis suudaksid rahuldada ka kõiki keskkonnakaitse alaseid nõudeid. Nimelt tekitavad ülehelikiirusega lennukid helilöögi ja müra ning põhjustavad suurema õhusaaste CO2 ja heitgaaside näol. Ja muidugi – last not least – selle lennu hind peab olema reisijatele taskukohane. Just lendude hind ja majanduslik tasuvus ongi vist see, millele jääb ülehelikiirusega reisilennukite loomise õnnestumisel öelda lõplik sõna.
Teatavasti nii Concorde kui ka Tu-144 valmisid ja lendasid oluliste riiklike subsiidiumide toel. Kuid miks siis on ülehelikiirusega lennud nii kallid? Peamine põhjus on selles, et helist kiiremal lennul tekib lennuki ette n-ö kokkupressitud õhust sein, millest ta ei saa läbi lennata, vaid peab ennast läbi „puurima”, mis aga nõuab suure koguse lisaenergiat/kütust. Selle helibarjääri ületamine vajab nii uut tüüpi mootorite kui ka lennuki sobivama väliskuju väljatöötamist. Ülehelikiirusega lennukite puhul osutub tehniliseks lisaprobleemiks ka lennuki välispindade ülekuumenemine mitmesaja kraadi võrra. Siit tekib vajadus uudsete kuumuskindlate ja samal ajal ka kergete ehitusmaterjalide järele, sest alumiinium ja klaas hakkaksid sulama.
Kõigi raskestilahendatavate tehniliste probleemide loetelu on pikk. Lisaks tehnilistele tuleb võidelda ka juriidilist laadi probleemidega, milleks on eeskätt piirangud ja normid stardi- ja maandumispiirkonnas tekitatavale lennukimürale. Nii Concorde’i kui ka Tu-144 puhul oli müra tunduvalt suurem kui tavalennukitel. Suurimaks tõkkeks jääb siiski näiteks USAs kehtestatud keeld lennata üle asustatud piirkondade ülehelikiirusel, sest sellisel kiirusel kaasneb helilöök. Seetõttu näib, et ülehelikiirusega reisilendude peamiseks pärusmaaks jäävad lennud üle ookeanide. Concorde teatavasti suutis lennata üle Atlandi, kuid mitte üle Vaikse ookeani, ning just üleookeanilised lennud võivad osutuda ka majanduslikult õigustatuteks.

Uus tase
Uue, 21. sajandi vajadustele ja võimalustele vastava ülehelikiirusega lennukite generatsiooni väljatöötamisega tehti algust mitmes riigis (USA, Venemaa, Jaapan, Prantsusmaa jt ) juba eelmise sajandi lõpukümnenditel, kuid tööde lõpuleviimiseks ei leitud vajalikke suuri finantseeringuid. Ilmselt pole sellised projektid üksikutele riikidele (v.a vahest USA) jõukohased, ainus võimalus on koostöö.
Üheks soodsaimaks võimaluseks selles osas on Euroopa Liidu ja tema Komisjoni finantseeritavad suured teadus- ja arendustööde raamprogrammi lülitatud projektid. Üks selliseid ülehelikiirusega reisilennukite loomise projekte on LAPCAT (Long-Term Advanced Propulsion Concepts and Technologies), mille 7 miljonit eurot maksnud esimene etapp kuulus raamprogrammi FP6 ning selle 10 miljoni eurone jätkuosa LAPCAT II programmi FP7 aastateks 2008–2012. Programmi üldkoordinaator on kosmoseagentuur ESA ning sellesse on lülitatud 4 uurimiskeskust, 4 ülikooli ja 4 tööstusfirmat 6 liikmesriigist. Lõppeesmärgina on formuleeritud ülesanne luua hüperhelikiirusega reisilennuk, mis suudaks lennata Brüsselist Sidneysse 2–4 tunniga. Hüperhelikiiruseks nimetatakse teatavasti sellist kiirust, mis ületab helikiirust vähemalt 5 korda (lühidalt 5M, kus M tähendab helikiirust õhus, mis merepinnal on 1225 km/h; tähis M on tuletatud Tšehhi/Austria teadlase E. Machi nime järgi).
LAPCATi esimeses etapis uuriti ja võrreldi mitmeid erinevaid variante nende teostatavuse ja efektiivsuse aspektist. Kiirusel 5M lendavatest variantidest võeti Saksa kosmoseuurimiskeskuses DLR lähema vaatluse alla petroolil töötava mootoriga lennukid, mille puhul toetutaks peamiselt juba olemasolevatele tehnoloogilistele lahendustele. Seevastu Suurbritannia uurimiskeskuses Reaction Engines pühenduti radikaalselt uuematele lahendustele, mille üheks tähtsaimaks elemendiks oli mootorikütusena vedela vesiniku kasutamine. Just see variant (tingtähisega A2) valitigi välja selle lõpuni arendamiseks ja viimistlemiseks programmis LAPCAT II. Põhjalikud analüüsid näitasid, et traditsioonilistel süsivesinikest koosnevatel kütustel töötavate mootorite korral jäävad võimalikud vahemaandumiseta lennukaugused soovitust lühemaks. Need võiksid küündida näiteks Euroopast Tokyoni, kuid eesmärgiks on seatud lennukaugus, mis võimaldaks lennata ka maakera kaugeimasse punkti, aga see oleks ju pool maakera ümbermõõdust – seega 20 000 km.

Kütus ütleb oma sõna, mootor kinnitab
Niisiis määravaks saab kütus. Kütus on lennukauguse seisukohalt seda efektiivsem, mida suurem on tema energiasisaldus kaaluühiku kohta ehk teisisõnu, seda kaugemale võimaldab tonn kaasavõetud kütust lennata. Vesinikul on see võime umbes kaks korda suurem kui traditsioonilistel lennukikütustel. Vesinikul on veel teinegi oluline eelis – ta ei saasta atmosfääri kasvuhoonegaasidega CO2, mille kogused kütuse põletamisel suurte lainerite poolt on üüratud. Vesiniku põlemisel tekib vaid süütu veeaur. Seetõttu on tulevast lennukit A2 mõnikord nimetatud ka roheliseks taevahiiglaseks.
Otsustav sõna lennuki efektiivsuse seisukohalt on öelda tema südamel – mootoril. Ainult õnnestunud mootori konstruktsioon võimaldab luua ka efektiivse õhusõiduki, seda eriti üle- ja hüperhelikiirusega lennuki puhul. Milles siis seisneb tulevase ülikiire õhuhiiglase mootori eripära?
Mootori peaautoriks ja hingeks on firma Reaction Engines direktor ja peakonstruktor Alan Bond, kellele kuuluvad ka jõuallika peamised patendid ning kes juhtis mootorite väljatöötamist ka brittide kosmoselennukite projektides HOTOL ja Skylon. A2-mootorit võib vaadelda kui kosmoselennuki Skylon mootori Sabre mugandust stratosfäärilendude tarbeks.
Lendu ülehelikiirustel võib piltlikult võrrelda duatloniga, kus osa distantsi tuleb läbida näiteks ujudes, teine osa aga joostes. Mõlemas distantsi osas tuleb töötada erineval viisil. Lennul alahelikiirustel (stardil, maandumisel ja lennul üle asustatud alade) töötab parimal viisil turboreaktiivmootor, aga suurtel ülehelikiirustel on efektiivsem hoopis otsevooluga ramjet-mootor. Kahe erinevat tüüpi mootori kasutamine ühel lennukil poleks lahendus, sest see muudaks lennuki kalliks ja raskeks. A. Bondil ja tema meeskonnal õnnestus konstrueerida hübriidmootor Scimitar, mis ühendab endas nii turboreaktiivi kui ka ramjet-mootori positiivsed omadused ja lülitub erinevatel kiirustel ümber erinevatesse töörežiimidesse. Reaktiivmootori tõukejõud sõltub esmajoones põlemiskambrist väljuva gaasijoa kiirusest, viimane aga omakorda rõhust ja temperatuurist. Seepärast ongi turboreaktiivmootorid eriti efektiivsed, kuna nad on varustatud turbiinkompressoriga, mis tõstab põlemiskambrisse siseneva õhujoa rõhku. Turbiinide kasutamine on võimalik vaid teatava lennukiiruseni, mida ületades turbiin kuumeneb sedavõrd, et tema labad hakkavad üles sulama. Scimitari mootori unikaalsus seisneb selles, et A. Bond varustas turbiini eeljahutussüsteemiga ning mis kõige tähtsam – tal õnnestus see sobivaid materjale kasutades konstrueerida eriti kergekaalulisena. Kui tavaline maapealne 400 MW soojusvaheti kaalub 200 tonni, siis Scimitari mootori oma vaid 1,25 tonni (!). Selle mootori jahutussüsteem koosneb tuhandetest kroomi ja nikli sulamist Inconel 718 valmistatud torukesest, milles liigub jahutav heelium. Tänu nendele tehnilistele uuendustele saavutab Scimitari mootori reaktiivjuga kiiruse kuni 40 900 m/s (!). Õhkutõusmisel, maandumisel ja lendudel üle asustatud piirkondade suunatakse kuni 80% õhku mootori otsevoolukanalitesse ja vähendatakse niiviisi mootori müra, kuid kiiruse tõustes 2,5M piirimaile suunatakse õhuvool otse mootori südamikku.

Raske, kuid mitte võimatu
A2 konfiguratsioon on samuti paljuski sarnane kosmoselennuki Skylon omaga, kus kasutatakse samuti mitmekihilisi konstruktsioonielemente ning milline on lisaks varustatud aktiivse jahutussüsteemiga. Välispinna suure kuumenemise tõttu ei ole tal võimalik kasutada klaasist aknaid – nende asemel on lamedad televiisoriekraanid. Kere pikkus on 139 ning läbimõõt 7,5 m, tiivaulatus 41 m, tiibade pindala 900 m2 ning stardimass 400 tonni, millest kütus (H2) moodustab 200 tonni. A2 võib pardale võtta kuni 300 reisijat koos pagasiga. Lennuaeg Brüsselist Sidneysse trassil üle Põhjanaba (18 700 km) oleks 4,6 tundi. Seejuures jääb reservi veel kuni 5000 km kiirusel 0,9M. Stardipiirkonnas ei tohiks müra 450 m kaugusel ületada 102 dB. Piletihinnaks prognoositakse 3940 eurot, mis on ligilähedane tänapäevastele hindadele äriklassis, kuid tähendavad praegu üsna tüütut 22 tunnist lendu. Lennuki lõplik väljatöötamine kestab plaanide kohaselt 13 aastat (muidugi kui majanduskriis seda ei korrigeeri) ja nõuab umbes 22,6 miljardit eurot. Lennuki müügihinnaks prognoositakse 639 miljonit eurot oletatava 100-lennukise tootmismahu korral.

Mida teevad konkurendid?
Kui Euroopa Liit loodab oma Concorde’ile kinkida poja, kas siis Tu-144 jääb järglaseta? Vastus jääb lahtiseks. Tupolevi konstrueerimisbüroodes alustati eelmise sajandi lõpus küll uue põlvkonna ülehelikiirusega reisilennukite Tu-244 ja Tu-444 väljatöötamist, kuid valitsus suhtus inseneride entusiasmi üsna jahedalt, kuna riigi huvides jäi ettepoole siiski militaarotstarbeliste lennukite väljatöötamine. Hoopis teisiti suhtub ülehelikiirusega reisilennukite väljatöötamisse lennunduse suurriik USA. Praeguseks ajaks on oma arendustöös üsna kaugele jõudnud mitu firmat, nende seas eelkõige Supersonic Aerospace International (SAI) ja Aerion Corporation. Omavahel võisteldakse, kes esimesena hõivab ülehelikiirusega lennunduses vabaks jäänud turunišši, milleks on 8–12kohalised luksuslikud äriklassi privaatlennukid SBJ. Nende kasutajateks loodetakse saavat eeskätt riigijuhid, mitmesugused superstaarid ja miljardäridest ärimehed, kellel ei ole puudust rahast, kuid napib aega. Sellised lennukid võimaldavad neil osta endale raha eest isegi aega. Seda tüüpi lennukite väljaarendamisel on peamiseks probleemiks viia müra ning helilöögi tugevus lennundusametite poolt kehtestatud normide piiridesse, sest suur osa lende peaks toimuma asustatud piirkondade kohal. SAI on seadnud eemärgiks välja töötada revolutsiooniline vaikse ülehelikiirusega lendamise tehnoloogia QSST (Quiet SuperSonic Transport) ning on selle eesmärgi saavutamiseks sõlminud lepingu 25 miljoni dollari ulatuses kuulsa Lockheed Martini osakonnaga Skunk Works. Tänu erilistele aerodünaamilistele võtetele asendataks traditsiooniline ülehelikiirusega lendudel tekkiv tugev kaksikhelilöök mitmete nõrkadega, mille tulemusena on helijälg 100 korda väiksem, kui see oli Concorde’il. Lennuk lendaks kiirusel 1,6–1,8M ja lennukaugus oleks umbes 8000 km. Esimene katselend on kavandatud 2011. a ning teenistuslennud peaksid algama 2012–2014.
Aerion on valinud oma ülehelikiirusega ärilennuki SBJ projektides teistsuguse strateegia. Nimelt hiilivad nad helilöögiga seotud piirangutest mööda sel moel, et piirduvad asustatud piirkondade kohal lendamisel alahelikiirusega, jättes ülehelikiiruse vaid ookeanide ja asustamata piirkondade kohale. Teiseks kasutavad nad lennukil sellist aerodünaamilist kuju ja T-saba, mis tagavad laminaarse (turbulentsideta) õhuvoolu lennuki ümber ka kiirustel 1,5M, samuti kasutavad eriti kergeid materjale ning juba olemasolevat Pratt & Whitney mootorit JT8D-219, mis kõik kokku võimaldavad vähendada väljatöötamiskulusid ligi kaks korda, võrreldes SAI projektiga.
Kes konkurentidest võidab selle turunišši? Tõenäoliselt see, kes sinna esimesena jõuab. Nii et Concorde võib enne suurt poega saada ka väiksemat pisiperet.

Sarnased artiklid