Münchhausenil oli õigus?
Vello Kala
03.03.2010

Mäletate Münchhausenit, kes end ise juukseidpidi koos hobusega soost välja kiskus? Mitmed lugejate põlvkonnad üle maailma on kakssada aastat naernud paruni üle, kes oma luiskelugudes füüsikaseadustega ei arvestanud. Ent lugejate hulgas oli ka neid, kes ei naernud, vaid istusid arvuti ja joonestuslaua taha.

Ei, teadlased, keda Münchhauseni idee innustas, ei kavatsenud luua meetodit, kuidas soos hätta sattunuid abistada – ja küllap see vist, füüsikuid uskudes, võimatu olekski. Nende mõte liikus hoopis kõrgemal ja kiiremini.
On üks imelik, ent samas mitte millegagi segi aetav hääl – nagu kaks peaaegu kokkusulanduvat püssilasku. Sellise hääle tekitab mööda lendav helist kiirem lennuk. Nooremad lugejad pole seda ehk kuulnudki – inimkond ei pürgi tänapäeval enam nii kiiresti edasi kui kolme-neljakümne aasta eest. Ent toona oli kahekordne helilöök tuttav hääl kõigile, kes lennuväebaaside läheduses elasid. Ning „pabahh” saatis ka ülikiire reisilennuki Concorde’i ülelendu.
Seesama „pabahh” ongi võti Concorde’ist veel hoopis kiiremate lennukite loomisel – kui Boeingi uurijatel peaks õigus olema.
Mis helist kiirema lennuki omapärase helijälje tekitab? Heli on õhus levivad võnked, mille levimiskiirus on (õhurõhust sõltuvalt) umbes 1200 km/h. Seisvast objektist, näiteks äratuskellast, levivad helilained ringidena igale poole. Kui see äratuskell aga liikuma panna, pilt muutub. Kell nihkuks justkui heliringide selle serva suunas, kuhupoole toimub liikumine, sest kell üritab omaenda läkitatud helilainetele järele jõuda. Ning kui kella kiirus jõuab helikiiruseni, ei jõua õhulained enam kellast ette – selle asemel koonduvad need üheks võimsaks rõhulaineks, mis lendava objekti ninast koonusena tahapoole levib. Miks aga kahekordne „pabahh”? Sest teine samasugune koonus lähtub liikuva objekti sabast. See viimane meie juhul eriti oluline ei ole. Esimene rõhulaine aga küll, sest just seda lennuki enese poolt tekitatud rõhulainet kavatsevad USA teadlased lennumasina kandmiseks kasutada. Tõepoolest nagu Münchhausenil!

Waverider
Sõna „waverider” tähendab maakeeli lainel ratsutajat. Just sellise nime on saanud projekt, mis loodab lennuki omaenda rõhulaine turjal ratsutama panna. Tänapäeval juhtub harva nn Edisoni tüüpi avastusi – tuli hommikul mõte, lõuna ajaks oli esimene hõõglamp valmis. Tänapäeval võib idee sünnist selle praktilise rakenduseni kuluda aastakümneid – või enamgi.
Nii on ka „laineratsutaja” ideega. Esimesena sõnastas selle Briti teadlane Terence Nonweiler Belfasti Queensi ülikoolist 1951. aastal. Ühendkuningriik nimetas siis veel end tihti SUURBritanniaks ning kosmosesse usuti pürgivat sama edukalt kui USA või Venemaagi. Nonweiler töötaski hilisema USA süstiklaeva taolise kosmoseprojekti kallal – kosmoselaev, mis maandub tiibade abil nagu lennuk. Tema avastaski, et kui kujundada lennukikere nii, et tiivad ulatuvad lennuki ninast lähtuvasse rõhulainesse, võib selle abil saada täiendavat tõstejõudu. Ent kuna Suurbritannia enda tiivad ei kandnud enam superriigi kõrgusel lendu, ei saanud asja ka brittide kosmoselennukist ning Nonweileri idee jäi pikaks ajaks arhiivi tolmu koguma.

Valküür
Või mitte just päris tolmu koguma – Nonweileri ideid kasutas Royal Aircraft Establishment (RAE) ülikiire lennuki loomise projektis. Projekt oli alafinantseeritud ja ei kestnud kaua – ent just selle projekti järelejäänud paberitest said oma idee North American Aerospace’i insenerid, kui USA tuli mõttele luua ülikiire strateegiline pommituslennuk. Erinevalt brittidest oli USAl selleks ka võimalusi ja eeskätt raha. Kirjutaja meelest ehk elegantseim kunagi õhku tõusnud lennukeist (vt Tehnikamaailm nr 12, 2006) sai tõepoolest kaunis, kiire ja kõrgel lendav. Ent seda paraku vaid kahe katseeksemplarina. Ballistiliste rakettide kiire areng muutis ülikalli superpommitaja idee kasutuks. Lisaks polnud XB-70A Valkyrie siiski „puhas” lainelratsutaja, suurel kiirusel alla painutatud tiivaotstega püütav lainerõhk moodustas vaid murdosa kogu lennuki aerodünaamilisest tõstejõust. Valküür oli küll ülikiire (kolmekordne helikiirus, üle 3300 km/h), ent lainelratsutaja efekti täismõõdus kasutamiseks jäi sellest väheks, vaja olnuks kaks või kolm korda suuremaid kiirusi, vaid sellistel kiirustel on rõhulaineefekt piisavalt tugev, et kogu lend sellele rajada.

Kust võtta kiirust?

„Omaenda turjal ratsutamine” polnud niisiis võimalik jalutustempol. Nagu öeldud, tekib klassikaline rõhulaine alles helikiiruse ületamisel, kasutamiseks piisavalt võimsaks saab laine aga alles mitu korda suurematel kiirustel.
Kuidas selliste kiirusteni jõuda? Nonweileril seda probleemi polnud, orbiidilt laskuval kosmoselaeval on see kiirus juba olemas – teistmoodi poleks see ju orbiidile jõudnudki ega seal püsinud. Kui aga eesmärgiks on luua mitte kosmoselaeva, vaid atmosfääris liikuvat lennukit või tiibraketti? Esimene mõte on mõistagi rakettmootor – jõuallikas, mis võib hõlpsasti anda vajaliku kiiruse. Ent seda vaid väga lühikeseks ajaks. Miks? Sest lisaks kütusele veab rakett kaasas ka kütuse põletamiseks vajalikku hapnikku, ning seda kulub hoopis enam kui kütust ennast. Kokkuvõttes seab see rakettmootorile rajatud lennumasina ette kaks valikut: kas tõusta õhku ja lennata ülikiirelt … paar minutit – või võtta peale pikemaks lennuks vajalik kütuse ja hapendaja kogus ning … müriseda stardirajal, suutmata ennast maast lahti rebida.
Selge seega, et rakettmootorist laineratsutaja vedajat ei ole – keemiliste kütuste võimalused on viimaste teoreetiliste piirideni läbi uuritud ning tuumamootoriga lennuk on võimalik vaid teoreetiliselt: lennukid juhtuvad ikka alla kukkuma, vaevalt riskiks ükski riik võimalusega, et lennuavarii tähendab taevast alla pudenevat tuumareaktorit.
Ainsaks teeks jääb niisiis otsida õhku hingavat mootorit, mis oleks võimeline kiirusteks 5000–10 000 kilomeetrit tunnis.
Poole sajandi eest, mil päevakorral oli helikiiruse ületamine, selgus, et propelleriga ei saa nii kiiresti lennata juba põhimõtteliselt – propeller lihtsalt „ei tööta” ülehelikiiruste režiimis. Siis aitas hädast reaktiivmootor, mis lubas lennukite kiirust kümne-kahekümne aastaga nelja-viiekordistada. Ent kiiremini? Ei usu, et tulevikus sünniks reaktiivmootoriga lennuk, mis lendaks oluliselt kiiremini kui juba mainitud Valkyrie või kõigi aegade kiireim lennuk, SR-71 Blackbird (mõõdetud kiirus ligi 3600 km/h).
Teadlastel tuli seega minna põhimõtteliselt uue mootori otsinguile.

Scramjet

Öeldakse, et kõik uus on hästi unustatud vana. Sellisteks kiirusteks sobiva mootori idee on tegelikult juba väga vana – pea sama vana, kui tavaline reaktiivmootorgi. Kuidas reaktiivmootor töötab? Reaktiivmootor on toru, mille sees kaks ühele ja samale võllile kinnitatud turbiini. Tagumise ees põletatakse kütust, hõõguvad põlemisgaasid panevad turbiini pöörlema – ja põlemiskoldest eespool olev samale võllile kinnitatud turbiin pumpab põlemiskoldesse aina uut õhku, et protsess saaks jätkuda. Esimeselt turbiinilt tulev õhuvoog on ühtlasi põlemiskambri esiseinaks – kui poleks turbiinilt sissevoolava õhu rõhku, väljuksid mootoris põletatava kütuse gaasid ühtmoodi mootori mõlemast otsast ja sõit jääks mõistagi sõitmata.
Ent selgub, st see kehtib vaid seisva või suhteliselt aeglaselt liikuva mootori puhul. Kahe-kolmekordsest helikiirusest alates tekib piisav vastusurve juba kiirusest, millega lennukit ümbritsev õhuvool mootorisse siseneb. Seega pole ülikiire reaktiivmootor mitte mingi ülikeeruline seade, vaid … lihtne torujupp, mille ühest otsast tuhiseb sisse õhk, keskel põletatakse kütust ja tagant müriseb välja leegisaba.
Nii lihtne on see mõistagi ainult asja põhimõtet tutvustava illustratsiooni puhul. On ju flööt või oboegi põhimõtteliselt vaid toru, see ei tähenda aga, et iga ülejäänud veetorujuppi otsast sisse puhumisel kauneid muusikahelisid tasuks loota. Kel asja vastu suurem huvi, vaadake Tehnikamaailma 2002. aasta juuninumbrit, seal käisime selle mootoritüübi üsna põhjalikult üle.
„Torumootorid” jagunevad ehitustüübilt kahte perekonda – ram- ja scram-mootorid (nimetus tuleneb sellest, et ülikiires õhuvoos liikuv mootor nagu rammib endale õhku sisse. Scramjeti „s” märgib „supersonic ramjeti”, ehk ramjeti, kus põlemine toimub mootorit ülehelikiirusel läbivas gaasivoolus. Ramjeti puhul on toru tagaots kooniliselt ahenev. See pidurdab õhuvoolu ja põlemine toimub helist madalamatel kiirustel. Selliseid mootoreid on ehitatud aastakümneid. Esialgu üritati neid seada ka lennukeile, ent kuna iga „toru” kipub hästi töötama vaid ühes, tema mõõtmetele ja kujule vastavas kiiruse- ja kõrgusediapasoonis, lõi ramjet-mootor läbi põhiliselt tiibrakettide jõuallikana. Rakettmootoriga stardikiirendi annab sellisele tiibmürsule ramjeti käivitumiseks vajaliku algkiiruse (kaks-kolm helikiirust), edasi võtab ramjet töö üle. Moodsamate ram-rakettide puhul on kiirendusraketi asemel tahke raketikütus valatud ram-mootori düüsi: nii stardib tiibrakett raketina, kui raketikütus ära põlenud ja vajalik kiirus käes, jätkab juba ram-mootor. Selline on näiteks Euroopa Typhoon-hävitajate varustusse mõeldud rakett Meteor.
Scramjet oleks põhimõttelt nagu veel lihtsam – siin pole tagaosas koonduvat ja gaasivoolu pidurdavat düüsigi. Ent scam-toru häälestamine on ülikeeruline. Esiteks tuleb suuta põletada vajalik kogus kütust gaasivoolus, mis läbib mootori pikkuse mõne mikrosekundiga. Teiseks tuleb tagada põlemisprotsessi stabiilsus – lihtsamalt öeldes tagada, et mootor ennast ise „ära ei puhuks”. Ning asja teeb keerulisemaks seegi, et scram-protsess käivitub minimaalselt viiekordsel helikiirusel – mitu korda rohkem, kui suudab pakkuda ükskõik milline aerodünaamiline tuuletunnel. Erinevalt ramjetidest pole seni ükski scramjet-mootorit kasutanud lennumasin veel õieti lennanudki – ainus tõsine õnnestumine on jänkide 2004. aastal lennanud X-43A, mille lend kestis … kümmekond sekundit.

Kümme sekundit tulevikku
X-43A lennust kirjutas Tehnikamaailm 2004 aasta juuninumbris pealkirja all „Kümme sekundit tulevikku” – kel rohkem huvi, neil soovitan toonane ajakirjanumber üles otsida. Lühidalt nägi X-43 programm välja nii: pommitaja B-52 tõstis oma tiiva all õhku kiirendusraketi Pegasus, mille ninna oli omakorda kinnitatud X-43A, tilluke ülikiirlennuk, mis kandis vaid kilogrammi jagu kütuseks mõeldud vesinikku. B-52 viis Pegasuse tosina kilomeetri kõrgusele, siis rakett vabastati ja käivitati selle mootor. Pegasus tõusis ligi kolmekümne kilomeetri kõrgusele ning andis ka scram-mootori käivitamiseks vajaliku kiiruse – umbes 8000–9000 km/h. ning siis alustas X-43A oma iseseisvat lendu, mis kestis kümme sekundit. Siis oli kaasa võetud kütus põletatud. Ent telemeetria kinnitas, et scram-mootor töötas ja arendas veojõudu. Esimene scram-lend oli toimunud! (Tõsi, scram-tsükli toimimist on kinnitanud ka Austraalia teadlaste ja USA õhujõudude katsed, ent neis polnud tegu millegi lennukilaadse, vaid pigem mürsuga, mis kandis scram-tsüklis töötavat mootorit – seetõttu jätame need katsed praegu tähelepanuta. Lühidalt oli neist juttu Tehnikamaailma 2002. aasta juuninumbris).

X-51A
Nüüd siis oleme pikalt ajalookaarelt tagasi tänapäevas. Sest scram-tehnoloogiast ei sattunud me kirjutama juhuslikult – selle kirjutise ilmumise ajal peaks uue põlvkonna scram-lennuk X-51A olema teinud oma avalennu – või siis selleks just valmistuma. Sellest lennumasinast kirjutamine pole kerge, sest erinevalt varasematest projektidest, mida saatis meedia suur tähelepanu, on Onu Sam X-51A puhul enam kui kidakeelne olnud. Põhjus? Seda võib vaid oletada. Külma sõja aegadel oli vaja maailmale näidata vaba maailma tehnilist ülekaalu ja salatsevad sõjaväeasutused sunniti oma ulmeprojektidest rääkima. Täna seda vajadust enam pole ja mehed mundris püüavad harjumust mööda lüüa salastustempli pea igale oma tööle. Üldiselt on X-51A mõne aasta eest lennanud X-43 loogiline edasiarendus. Sellegi viib kõigepealt üles kandurlennuk, scramjet ise paikneb kiirendusraketi ninas. Tõsi, X-43 kandnud Pegasuse asemel on X-51 kiirendiks hoopis võimsam rakett ATACMS. Kümne kilomeetri kõrgusel vabaneb rakett lennukist ning annab X-51-le scram-protsessi käivitumiseks vajaliku algkiiruse. Siis rakettkiirendi eraldub ja X-51 jätkab juba omal jõul, kuni kütus lõpeb ja lennuk ookeani langeb. Ent ka erinevused on selged. Kõigepealt on X-51 oma eelkäijast pea poole suurem – pea kaheksa meetrit pikk ja ligi kaks tonni raske. Lisaks, kui X-43 oma paar hetke kestnud lennu ajal kiirust juurde ei kogunud, siis X-51 eraldub kiirendist kiirusel Mach 4,5, paariminutise oma mootoriga lennu jooksul tõuseb kiirus aga enam kui kuuekordse helikiiruseni. Ent hoopis suuremad erinevused on X-51 üldises filosoofias. Kui X-43 oli mõeldud vaid scram-tehnoloogia võimalikkuse tõestamiseks, siis X-51 on ehitatud tulevase ülikiire tiibraketi praktilist tootmist silmas pidades. Seetõttu on seal, kus võimalik, välditud ülikalleid eksootilisi materjale: korpus on põhiliselt alumiiniumist. Ninale lähemal, kus kiirel lennul temperatuur ülikõrgeks tõuseb, on siiski kasutatud titaani ning päris ninaots on volframist – kõige kuumuskindlamast metallist Mendelejevi tabelis. Veelgi olulisem on muutus kütuse osas. X-43 põletas vesinikku. Vesinik on kõrgeima energiasisaldusega kütus, nii et katsemudeli jaoks igati õigustatud valik. Ent vesinik on ülikerge, ja kilo vesinikku võtab mitu korda enam ruumi, kui näiteks tavaline lennukipetrool. Seepärast on vesinikukütus eeskätt kosmilisteks lendudeks, kus õhutakistuse vähesus või puudumine lubab lennumasina mõõtmeid paisutada. X-51 on aga mõeldud lendama atmosfääris. Pratt & Whitney lõid scram-mootori SJX61-2, mis põletab tavalist lennukipetrooli (mark JP-7). Ning kui X-43 vesinikumootor huilgas vaid kümmekond sekundit, siis X-51 peab mootori jõul lendama juba minuteid. Seetõttu on mootoris mõndagi, mida X-43 katsemudelil polnud, milleta nn päris mootor aga hakkama ei saa – näiteks mootori tööpindade jahutamine kütuse abil. Pentagoni kindralid usuvad, et kui X-51 põhjal arendatud scram-tiibrakett relvastusse jõuab, võib kavandatud tuhandekilomeetrise tegevusraadiuse ulatuses saata surmava laengu mõne minutiga sinna, kuhu just vaja. Tõsi, „laeng” on selle projekti raames eksitav sõna – lõhkelaengut scam-tiibraketile ei plaanita, ülitäpse riista purustusjõu moodustab ta enda ülikiirest liikumisest tulenev kineetiline energia.

Ennustame tulevikku?
Ennustama ma siinkohal lausa pean, sest esimene X-51A lend oli planeeritud veebruarikuuks – kui teie seda lugu loete, peaks esimene X-51 oma tulikaare Vaikse ookeani kohal juba sooritanud olema. Täna mina seda veel ei tea. Ent ükskõik, kas X-51 on märtsiks juba lennanud või lükatakse esimene katselend edasi – scram-lendude ajastu on alanud. Omaaegsete, meedia tähelepanu nautinud (ent lõpuks ebaõnnestunuks osutunud) scram-projektide puhul räägiti ikka, et päev, mil võite Londonist mõne tunniga Sidneysse jõuda on lähenemas. Täna me enam nii suurelised ei ole. Aga ehk kunagi siiski? Sest alati on olnud nii, et kõigepealt töötatakse välja tehnoloogia pommi kiireks kohaleviimiseks, kui sellega juba OK, võib loota, et kunagi jõuab järjekord ka inimeste ja nende kohvriteni.

_________________________________________________________________
Lisaraha tulekul?
Veebruari alul avas oma kosmosealaste uuringute tulevikunägemuse president Obama administratuur. Maailma ajakirjanduse tähelepanu pälvis eelkõige NASA loobumine Kuu-programmist, ent presidendi sõnades oli ju ka positiivne pool. President pidas Kuu-programmi tehniliselt eilsesse päeva kuuluvaks ja mõttetult kalliks ning märkis, et edaspidi peab NASA keskenduma eeskätt uute tehnoloogiate loomisele kosmose ründamiseks. Selleks on NASA eelarves ette nähtud hiigelsummasid. Ent ega peale scram-tehnoloogia põhimõtteliselt uusi lahendusi praegu eriti silmapiiril olegi. Nii et ehk tähendavad presidendi sõnad, et päev, mil Tallinnast mõne tunniga Austraaliasse kohvile jõuab, on nüüd lähemal kui varem võinuks arvata.

Sarnased artiklid