Nähtamatu müür õhus. Selle murdmine
Vello Kala
19.05.2008

Pole midagi ilusamat, kui vaade lennukiaknast – teie ja kaugete linnade-orgude vahel pole midagi, mis pilku takistaks, vaid lõputu tühjus. Ligi tuhat kilomeetrit tunnis liikuva lennuki alt voolab mõne tunni jooksul mööda kogu Euroopa. Ent kas saaks seda linti panna veelgi kiiremini liikuma, kihutada mitte tuhat, vaid kaks või kolm tuhat kilomeetrit tunnis? Katsed selleks algasid varsti pärast Teist maailmasõda ja selgus, et näilises tühjuses on kiirlennuki teel nähtamatu takistus – helibarjäär. Väga palju katselendureid jättis oma elu, enne kui õpiti helist kiiremini lendama.

Kolbmootoriga lennukid saavutasid oma täiuslikkuse juba enne Teist maailmasõda. Itaalia vesilennuk Macchi M.C.72 püstitas 23. oktoobril 1934 lennukite absoluutse kiirusrekordi 709,209 km/h ja vaatamata lennukitööstuse tohutu kiirele arengule sõja-aastatel, ei suutnud ükski kolbmootoriga lennuk kümne aasta vanust rekordit oluliselt ületada: sõjapõlvkonna lennukite tipuks jäi Messerschmitt Me 209 põhjal ehitatud rekordlennuki 755,138 km/h.
Napp areng, vaatamata teadlaste ja inseneride pingutustele kõigis sõdivates maades.
Miks enamat ei saavutatud? Sest kolbmootoril ja propelleril põhinev valem oli oma võimalused ammendanud.
Lahendus sündis sellessamas sõjas. Sakslased, nende järel aga ka teised lõid reaktiivmootori, mis oli võimeline arendama oma kaalu kohta kolbmootorist kümneid kordi enam võimsust. Esimesed reaktiivlennukid jõudsid peagi kiirusteni 800, isegi 900 km/h. Ent siis algasid ootamatud probleemid.
Juba sõja-aastatel oli lennunduses täheldatud „seletamatuid” katastroofe – pikeerides (ning niimoodi oluliselt lennukiirust suurendades) hakkas lennuk rappuma ja ei kuuletunud enam kõrgustüürile. Väga sageli oli tulemuseks lennuki purunemine. Nähtuse põhjust toona ei mõistetud ja küllap polnud sõja ajal ka aega ega võimalusi põhjalikeks uuringuteks.

Helibarjäär
Mis on helibarjäär? Heli liigub kiirusega umbes 1225 km/h (mitte alati ja igal pool – aga sellest hiljem) ja paljudes populaarsetes käsitlustes on helibarjääri ületamist võetud lihtsalt teatud tingliku rekordkiiruse saavutamisena, nagu näiteks 10,0 sekundi barjääri saja meetri jooksus. Kuid tegelikult on helibarjäär reaalne füüsikaline nähtus. Heli kiirus on kiirus, millega õhk on võimeline rõhulaineid laiali kandma. Seisev või aeglaselt liikuv objekt saadab rõhulaineid igas suunas. Ent kui objekti kiirus läheneb helikiirusele, ei jõua rõhulained enam selle eest „põgeneda” ning koonduvad võimsaks helilöögiks. Maapinnal olija kuuleb seda kiire kahekordse raksatusena – kahekordsena seetõttu, et teine rõhulaine lähtub lennuki sabaosast. Selle superlaine olemasolu tingis vajaduse lennuki uue, rõhulainega kohandatud aerodünaamilise lahenduse järele. Selle leidmine nõudiski palju inimelusid.
Tegelikult tekkisid probleemid juba madalamatelgi kiirustel, sest õhuvool ei liigu ümber lennuki ühtlaselt ning mõnes kohas võib õhk lennuki suhtes helikiiruse saavutada juba siis, kui lennuki kiirus on veel allpool helipiiri. See oligi sõjaaegsete „seletamatute” katastroofide põhjus.
Tööd helist kiiremini lendava lennuki loomiseks algasid juba sõja-aastail. Eesminejaiks olid sakslased. Albert Betz ja Adolf Busemann Keiser Wilhelmi instituudist Göttingenis näitasid juba 1935. aastal, et uued kiirused nõuavad uut aerodünaamikat. Nende avastus oli, et nooljalt tahapoole kallutatud tiivad võimaldavad ohutumat helist kiiremat lendu – lennuki ninast lähtuv rõhulaine ei taba sel juhul enam lennuki osi ja õhuvool juhtpindade ümber on vaba. Sõja ajal valmis rakettmootoriga kiirluuraja DFS 8-346 projekt. See nooljate tiibadega piloteeritav lendmürsk pidi lendama koguni kahekordse helikiirusega. Paraku jõudsid sakslased vaid lennuki maketini. Teine keerdsõlm olid lennuki tüürpinnad – kiirlennuk ei kippunud tüüri kuulama. Selgus, et helikiirustel ei sobi senised, tagatiiva tagaosa külge kinnitatud kõrgustüürid. Lahenduseks sai kogu tagatiiva pööramine ja kogu tagatiiva pinna kõrgustüüriks muutmine.
Praktilised tööd helibarjääri purustamiseks algasid kohe pärast sõda korraga kolmes riigis – USAs, Inglismaal ja N. Liidus. Kõik kolm kasutasid suuresti nende kätte sattunud Saksa materjale ja ka kiirlennukite alal töötanud Saksa lennundusinsenere. Tõsi, rakettmootori ideest oli toona juba loobutud, sest reaktiivmootorite kiire areng lubas õige pea lennukit helist kiiremini liigutada suutvat mootorit.

Chuck Yeager ja X-1

Paraku läks nii, et helist kiiremini lendas esimesena siiski rakettmootoriga lennuk. Selge, et kõik kiirlennukite arendajad pidasid silmas eeskätt sõjaotstarbeliste lennumasinate loomist. Ent nende projekteerimiseks tuli olla kodus helikiiruste aerodünaamikas. Seetõttu arendasid jänkid välja eksperimentaalse kandelennuki tiiva alt startiva rakettlinnu, mille ainus ülesanne oli helibarjääri ületamine ja katseandmete kogumine. Piisavalt võimsad rakettmootorid olid olemas ning niimoodi kujunes projekt hoopis odavamaks kui venelaste tee katse ja eksituse meetodil üha uusi täismõõdus lennukiprototüüpe ehitades ja lõhkudes ning katselendureid surma saates.
Projekt sai koodnime X-1 ja pani aluse USA salajaste X-lennukite saagale. Lennuki valmistas Bell Aircraft. Lennuki väliskujus võeti malli Browningu 12,7 mm kuulipilduja kuulist, mis oli teadaolevalt helikiirustel vägagi stabiilne. Tiivad olid „iksil” siiski sirged, sest nooljate tiibade teooria polnud veel valmis. Jõuallikaks valiti Reaction Motorsi vedelkütusel töötav rakettmootor XLR-11.
Lennuk oli tilluke, vaid 9,5 m pikk ja 8,5 m tiivaulatusega. Esmakordselt tõusis (või õigemini tõsteti, sest nagu mäletame startis X-1 kandelennuki abil) X-1 õhku 25. jaanuaril 1946. Mootorit lennukil polnud, katselendur Jack Woolamsi ülesandeks oli katsetada lennukit lauglennul. See oli tõsine ülesanne, sest tillukeste tiibadega kiirlennuk on õhus püsimise seisukohalt kõike muud kui plaaner. Pigem meenutas X-1 piloteerimine Space Shuttle’i maandamist: väga suur langemiskiirus, üliväike veamarginaal. X-1 piloteerimisvigu ei andestanud. Detsembrikuus algasid mootoriga lennud, kord-korralt aina kiiremad. Nende lendude põhjal täiustati lennukit pidevalt. Kiirused kasvasid lend-lennult.

14. oktoober 1947
See päev oli nagu kümned varasemad lennupäevad X-1 projekti ajaloos. X-1 kinnitati kandurlennuki tiiva alla, paagid täideti kütuse ja vedelhapnikuga. Piloodikabiinis võttis koha sisse USA õhujõudude kapten, katselendur Charles „Chuck“ Yeager. Ent midagi oli siiski ka teistmoodi. Lennuki rakettmootoril oli kolm põlemiskambrit. Seni oli kasutatud vaid kahte. Esmakordselt oli piloodil luba sisse lülitada ka kolmas ja kasutada rakettmootori täisvõimsust. Vähemalt arvestuste kohaselt pidi see viima Chuck Yeageri esimese inimesena teisele poole helibarjääri.
Kaheteistkümne kilomeetri kõrgusel vabastas B-29 katselennuki ja Chuck Yeager lülitas rakettmootori tööle. Tilluke lennuk sööstis kuulina edasi ja B-29 jäi hetkega kaugele selja taha. Ent kiirus aina kasvas.
Helikiirust mõõdetakse Machides. 1 Mach vastab heli liikumise kiirusele õhus. Miks selline ühik? Sest heli kiirus pole konstantne suurus, see sõltub õhurõhust ja ka temperatuurist. Igal kõrgusel on helikiirus pisut erinev: merepinnal on see 1225 km/h, suures kõrguses aga veidi üle 1000 km/h. Ka X-1 oli varustatud „mahhomeeetriga“, näidikuga, mis kuvas lennuki kiirust ümbritseva õhumassi suhtes murdosadena helikiirusest antud keskkonnas. Eesmärgiks oli jõuda skaalal märgini 1 – helikiiruseni.
Kui „mahhomeeter“ jõudis näiduni 0,9, algasid probleemid. Lennuk hakkas rappuma ning seda oli raske juhtida. Seda oli Yeager varasematelgi lendudel kogenud – aerodünaamiline ebastabiilsus tulenes sellest, et kohati liikus õhk lennuki suhtes juba ülehelikiirusel, kohati aga mitte. Varem oli sellise olukorra saabumisel mootori tõmmet vähendatud. Seekord aga mitte. Ning näidiku osuti skaalal ronis visalt edasi: 0,96…, 0,97…, 0,98…, 0,99… Äkki vibratsioon kadus ning Yeagerile näis, nagu ei lendakski ta mootori abil – nii sujuvalt sööstis X-1 kõrgel mustjassinise taeva all. Ning kiirusemõõtja? Hetkeks 0,99-l peatunud, ronis osuti nüüd reipalt edasi: 1,02…, 1,05…, 1,07 Machi!
Yeager oli ametis lennuki juhtseadmetega ega märganudki, kui osuti ihaldatud „üheni“ jõudis. Niimoodi sai katsete maapealne meeskond toimunust teada veel enne Yeagerit: üle lageda kõrbevälja kajas kahekordne raksatus nagu lahingulaeva suurtükitorni paarislask, kuulutades uue ajastu algust inimese lendamise loos.

Uued kiirused
Kulus kaheksa aastat, enne kui jõuti kahekordse helikiiruseni. Selle saavutas 20. novembril 1953 katselendur Scott Crossfield rakettlennukil D-558-2. Sellel lennukil olid juba nooljad tiivad ja kiil.
Kolm aastat hiljem, 27. septembril 1956 ületas Milburn Apt rakettlennukil Bell X-2 kolmekordse helikiiruse. Ning viis aastat hiljem oli valmis legendaarne X-15 (vt TM 3/2008). 7. märtsil 1961 ületas X-15 neli Machi, 23. juunil viis ja 11. septembril kuus. Kõigil kolmel korral hoidis juhikut katselendur Robert White. Programmi kiireimal lennul mõõdeti X-15 kiiruseks 6,72 Machi ehk 7274 kilomeetrit tunnis. See rekord püsib tänaseni, kiiremini on inimest kandnud vaid kosmoseaparaadid.
Miks kiiremini pole lennatud? Põhjusi on mitmeid. Esiteks seab atmosfääris liikumise kiirusele piiri loodus ise – kiirlennul kuumeneb lennuki korpus hõõgumiseni ja aina raskem oli leida materjale, mis seda taluksid. Teiseks – ülisuured kiirused tundusid eriti ihaldusväärsed enne ballistiliste rakettide ja täpsete ning usaldusväärsete õhutõrjerakettide loomist. Alates möödunud sajandi kuuekümnendatest-seitsmekümnendatest aastatest on sõjalennukite tippkiirused näidanud pigem langustendentsi. Olulisemaks on osutunud lennuki lahinguvõime ning viimasel ajal võime vastase radaritele märkamatuks jääda. Ülehelikiiruste jõudmisele tsiviillennundusse seadis piiri seesama kahekordne raksatus – lennuliinide all elavad inimesed ei soovinud neid pauke päevast päeva kuulata ja nii lubati ülehelikiirusega Concorde’l lennata teisel pool helibarjääri vaid mere kohal. Ning ka kasvav kütusehind ei soosinud ülikiiret transporti. Ei tasu siiski arvata, et Concorde’i lendude lõpetamine võttis meilt igaveseks lootuse lennata Euroopast Ameerikasse või Austraaliasse paari tunniga. Sellised projektid on praegu uurimisjärgus nii Euroopas kui USAs.

Sarnased artiklid