Päikeselennukid püstitavad rekordeid
Ülo Vaher
06.01.2008

Unistus lendamisest on inimkonda saatnud juba ammustest aegadest. Arvestatavad lennumasinad said võimalikuks siiski alles siis, kui oli leiutatud propeller ja sisepõlemismootor ning hiljem reaktiivmootor. Need on aga aplad kütuseõgijad ja keskkonnasaastajad, häirivast mürast rääkimata. Kas saaks lennata mõnel muul kombel?

Suurimaks revolutsionääriks tehnikas on osutunud elekter ning seda ka lennunduses. Vastates eespool tõstatatud küsimusele, võib öelda, et viimased kolm aastakümmet on paljud leidurid pühendunud elektrimootoriga lennukite konstrueerimisele. Need ei kasuta kallist aviobensiini, ei saasta, ei mürise ja lennuks vajalikku energiat ammutavad fotoelementide abil päikesekiirgusest. Päikeselennukid lendavad üha kaugemale, kõrgemale ning püstitavad järjest uusi rekordeid.
Millal inimene üldse esimest korda lendas, selles küsimuses ühtne seisukoht puudub, kuid esimene päikeseenergial töötava lennuki esimene lend on täpselt teada – see toimus 4. novembril 1974. aastal Camp Irwini kuivanud järve kohal Californias, kui 20 minutit kestnud lennu umbes 100 m kõrgusel sooritas firmas Astro Flight insener R. J. Boucheri juhendamisel ehitatud Sunrise I. See lennuk kaalus 12,5 kg ja tema tiibadele kogupikkusega 9,75 m olid monteeritud 4096 fotoelementi, mis andsid elektrimootori tarbeks kuni 450 W voolu. Lennuki oluliselt täiustatud variant Sunrise II kandis juba 4480 fotoelementi koguvõimsusega 600 W ning suutis õhus püsida 3–4 tundi.
Ideest kasutada energiaallikatena efektiivseid fotoelemente ja päikesepaneele vaimustusid paljud mudellennukite ehitajad. 1996. aastal registreeriti F5-klassis D. Becki mudeli Solar Solitude lennukauguse rekordiks 38,84 km ja kaks aastat hiljem kõrgusrekord 1283 m. Selle klassi seni kehtivad rekordid püstitati juba 1990ndate lõpul sakslase W. Schaeperi konstrueeritud Solar Exceli poolt. Nendeks on: lennu kestus 11 tundi ja 34 min, kaugus otselennul 48,31 km, kinnisel trassil 190 km, lennukõrgus 2065 m ja kiirus 80,63 km/h.
Edusammud mudelitega süvendasid veendumust, et on võimalik luua ka inimest kandvat päikeselennukit. Enamasti lähtuti olemasolevatest purilennukitest, millele monteeriti päikesepaneelid, elektrimootor ja akud elektrienergia varundamiseks. Kõige olulisemateks parameetriteks on päikesepaneelide efektiivsus ja kaal ning akude energiamahutavus, enesestmõistetavalt muidugi ka kogu kere kaal, mis sõltub kasutatud materjalide kergusest, ja tugevus. 29. aprillil 1979. aastal
ei suutnud näiteks L. Mauro oma 350 W päikesepaneelidega varustatud Solar Riseril muidu õhku tõusta, kui pidi enne lennuväljal kolme tunni kestel laadima lennuki akusid, et siis sooritada 10 minutiline õhulend 13 m kõrgusel 800 m kaugusele

Esimesed mehitatud lennud
Vahetult päikesepaneelide jõul toimus esimene mehitatud lend 18. mail 1980, kui USA firmas AeroVironment ehitatud lennuk Gossamer Penguin tõusis õhku tema looja MacCready 13aastase pojaga pardal. Selle lennuki konstruktsioon aga oli liiga õrn ja habras. MacCready kaugem eesmärk oli muidugi märksa pretensioonikam – sooritada lend Prantsusmaalt Inglismaale üle La Manche’i väina. Selleks ehitati 90 kg kaaluv Solar Challenger, mille 14,2 m tiivaulatus kaeti 16 128 fotoelemendiga, mis andsid voolu võimsusega 2500 W. Selle 258 km pikkune ja 5 tundi 23 min kestnud triumfilend Pariisist Londonisse toimus 3350 m kõrgusel S. Ptaceki piloteerimisel 7. juulil 1981 (MacCready oli ise sellise lennu sooritanud inimjõul töötava lennukiga Gossamer Albatross juba 1979. a). Samal ajal ehitas Saksamaal Günther Rochelt ilma igasuguse finantstoetuseta omaenda ja naise kätega Solair I –16 m tiivaulatusega ja 2499 fotoelemendiga, mille koguvõimsus oli 1800 W. 1983. aastal sooritas ka tema sellel samasuguse lennu üle väina kestusega 5 tundi ja 41 min.
Saksamaal korraldatakse Ulmis lennunduspioneeri Albrecht Berblingeri mälestusvõistlusi, mille võidu auhind oli omal ajal Saksa markades 100 000. 1996. a 7. juulil võitis selle auhinna Stuttgardi ülikooli professori Rudolf Voit-Nitschmanni juhitud töögrupp. Nende ehitatud Icaré 2 püsis õhus üle 20 tunni. Auhinnarahadega täiustatud lennukil püstitas ta 17. juunil 2003 uue lennukauguse rekordi, läbides 350 km vahemaa Aalenist Jenasse kuue tunniga. Lennuki 25 m tiivaulatus võimaldas sellele paigutada 20,7 m2 päikesepaneele, mis päikeseintensiivsuse korral 500 W/m2 (s.o umbes pool maksimaalsest pilvitul suvepäeval) võimaldasid saada 1812 W, mis oli piisav horisontaallennuks tuuletus õhus. Lennuk oli varustatud akupatareiga mahtuvusega 0,915 kWh.
Üheks tähelepanuväärivamaks saavutuseks on ka Eric Raymondi lend Sunseekeril 21 päevaga üle kogu USA 1990. aasta augustis. Lennu kogukestus oli 121 tundi, mille käigus kaeti ühel päeval 8,5 tunniga koguni 400 km vahemaa. Püstitati ka kõrgusrekord – 4876 m. Lennuk oli ehitatud ülikergest ja tugevast süsinikfiibrist ja komposiitmaterjalidest. Sunseekeri enda kaal oli 91 kg, veosel 67 kg. Lennuki pikkus oli 7 m, tiivaulatus 17,5 m, päikesepaneelide võimsus 300 W, millega toideti 110 V sünkroonmootorit, energiasalvesti koosnes 96 Sanyo Ni-Ca-akust, mille laadimiseks kulus 2,5 tundi. Tõusu kiirus oli 60,8 m/min.

Meepoti ääres otsitakse suuremat lusikat
Peale lennusportlaste on päikeselennukitest huvitatud ka mitmed militaar- ja tsiviilringkonnad, kes näevad mehitamata päikeselennukitele paljusid rakendusvõimalusi alates luure- ja seirefunktsioonidest ning sideteenustest kuni isegi Marsi uurimiseni välja. Nad sobiksid paljudes kohtades maa(ja mere)pinnal toimuva jälgimiseks paremini kui satelliidid, mis lendavad üle huvipakkuva koha vaid 1–2 korda ööpäevas kümmekonna minuti jooksul, rääkimata ligi sajakordsest hinnavahest. Samuti oleks võimalik soovi korral neil lasta maanduda ja hiljem uuesti startida, mida ei saa teha satelliitide puhul.
Põhiline tehniline probleem päikeselennukite juures on see, et ta oleks hästi kerge, päikesepaneelid töötaksid suure efektiivsusega ja akude energiamahutavus oleks hästi suur, et päeva jooksul suudetaks koguda akudesse nii palju energiat, et seda jätkuks lennuks kogu järgneva öö jooksul. Ainult sellisel tingimusel võiks sooritada nädalaid või isegi kuid kestvaid lende.
Esimesena asus selles suunas tegutsema USA valitsus, kelle huvi äratas Solar Challengeri edukas lend. 1981 anti firmale AeroVironment salastatud tellimus kestvateks kõrglendudeks võimelise päikeselennuki HALSOL prototüübi ehitamiseks. Uurimistööde käigus veenduti, et tolleaegne tehnika tase seda veel ei võimalda ning tööd peatati. Järgmise 10 aasta jooksul aga arenes tehnika nendes võtmevaldkondades märkimisväärselt ning seepärast käivitas NASA uue programmi ERAST (Environmental Research Aircraft Sensor Technology). Programmi vedas oli Drydeni lennunduse uurimiskeskus Edwardsi lennuväebaasis. Selle käigus loodi terve rida üha täiuslikemaid ja suuremaid prototüüpe (ameeriklaste jaoks just „suur on ilus”). Neist esimene – Pathfinder – tiivaulatusega 30 m ja kaaluga 254 kg püstitas uue kõrguserekordi 15,392 km 1995. a ning kaks aastat hiljem isegi 21,802 km. Selle täiustatud mudeli Pathfinder-Plusi tiivaulatust oli suurendatud 36 meetrini ja lisatud täiendavad päikesepaneelid, mille koguvõimsus ulatus nüüd 12,5 kW-ni. Elektrimootorite arvu oli suurendatud kuuelt kaheksale koguvõimsusega 12 kW. 315 kg kaaluv lennuk võis pardale võtta 67,5 kg raskuse. Milleks olid seireotstarbeline suure lahutusvõimega kuvamissüsteem ARTIS ja skaneeriv interferomeeter DASI. Katselennud viidi hiljem üle USA mereväebaasi Hawaii saarel Kauai, kus oli rohkem pilvituid päevi ning suurem päikesekiirguse intensiivsus. 6. augustil 1998 tõusis Pathfinder-Plus 24,445 km kõrgusele, kandes pardal ka mitmeid seireinstrumente. Lennuk oli varustatud autopiloodiga, mida omakorda kontrollisid maapinnale jäänud piloot ja lennuinsener.
Järgmine mudel programmi ERAST raames, mille katsetusi alustati 1998. aastal, kandis nime Centurion, mis oli muidugi eelmistest suurem. Selle tiivaulatus oli juba 63 m ning kaetud oli rohkemate ja efektiivsemate (19%) SunPoweri räni-päikesepaneelidega koguvõimsusega 31 kW. Lennuk oli varustatud 14 elektrimootoriga ning akupatareiga, mis võimaldasid lennata 2–4 tunni vältel ka päikeseta.
Centurion oli vaheetapiks programmi ERAST lõppeesmärkide saavutamiseks, milleks olid lend 100 000 jala (ca 30 km) kõrgusel ja 4ööpäevane kestuslend poole madalamal. Nende eesmärkide saavutamiseks ehitati eelkäijatest veelgi suurem Helios, mille tiivaulatus oli 74 m, mis ületab isegi Boeing 747 oma, ja kaalus see 700 kg, olles võimeline kandma pardal ligi 100 kg veoseid. Tiibade keskele lisati täiendavad päikesepaneelid, viies sellega elementide koguarvu 65 000, mis suutsid toota elektrivoolu võimsusega 35 kW. Täiustati ja lisati ka kontroll- ja distantsjuhtumiseadmeid, sealhulgas täpsem GPS. Projekti esimene peaülesanne – tõusta 100 000 jala kõrgusele – peaaegu täideti 13. augustil 2001, mil Helios saavutas kõrguse 96 863 jalga (29,523 km), püstitades sellega ka uue maailmarekordi propellerlennukitele.
Mitmepäevaste lendude ülesanne on märksa keerulisem, selleks tuleb suuta päevase lennu ajal koguda ja salvestada selline kogus elektrienergiat, et seda piisaks järgnevaks öiseks lennuks. See eeldab väga efektiivsete päikesepaneelide kõrval ka suure energiamahutavusega ja kergeid akusid. Viimaste osas ei ole pilt kuigi roosiline. Seepärast otsustasid Heliose insenerid proovida hoopis teist, tollal üsna esimesi samme astuvat tehnoloogiat – vesinikul ja hapnikul töötavaid kütuseelemente. Töötati välja isegi kaks varianti – üks põhines surveballoonides kaasavõetaval vesinikul, teine, nn regeneratiivne süsteem tootis vesinikku päevase lennu ajal elektrolüüsi teel päikesepaneelidest saadava elektrivoolu abil.
Kahjuks tabas seda suurejoonelist projekti katastroof järjekordsel katselennul 26. juunil 2003, mil Helios sattus õhuturbulentside mõju alla, kaotas juhitavuse ning purunes.

Teatepulgale tahtjaid jätkub
Õnneks ei peata lennunduses ühe projekti katkemine teiste edasirühkimist. Rohkem kui ööpäeva kestvaks lennuks võimelise päikeselennuki SoLong lõi firmas AC Propulsion selle asutaja ja peakonstruktor A. Cocconi. Esiteks sooritas lennuk 24 tundi ja 11 min kestnud lennu aprillis 2005, millele järgnes ka 48 tundi ja 16 min kestnud lend juuni algul. Tegelikult ei lõpetanud seda lendu mitte lennuki, vaid maale jäänud “lendurite” võimed, kes magamatuse ja üleväsimuse tõttu pidid lõpetama. Andmeid SoLongi kohta: tiivaulatus 4,75 m, kaal 12,8 kg, 76 SunPower päikesepatareid koguvõimsusega 225 W, 120 Sanyo liitiumioonakut mahutavusega 1200 Wh, energiatarve horisontaallennul 95 W, lennukiirus 40–70 km/h.
2007. aasta septembri alguses püstitati päikeselennukite uus kestuslennurekord 54 tundi. Sellega sai hakkama Suurbritannia kaitseministeeriumi tellimusel sõjatööstusfirmas QuinetiQ ehitatud Zephyr. Selle lennuki tiivaulatus on 18 m ja kaal 30 kg ning lennulagi 20 km. Ta kasutab efektiivseid United Solar Ovonic päikesepatareisid ning Sion Power akusid. Autorid näevad sellel arvukaid rakendusvõimalusi, nii kaitse- kui ka tsiviilotstarbelisi, nagu näiteks kaardistamine ja seire, riigipiiride, metsatulekahjude, naftajuhtmete, põllunduskultuuride, kalaparvede jne jälgimine ja mobiilside tagamine mägistes piirkondades.
Ambitsioonikaimate projektide hulka kuulub ka Solar Impulse, millega tahetakse 2011. aastal sooritada piloteeritav viieetapiline ümbermaailmareis vahepeatustega igal kontinendil. Piloodiks on valitud kuulus Bertrand Piccard, kes 1999. aastal sooritas katkestamatu ümbermaailmareisi õhupallil. Prototüüpi ehitatakse Šveitsis Lausanne’i polütehnilises instituudis Euroopa kosmoseagentuuri jt organisatsioonide toetusel. Lennuk on kavandatud hiigelsuurena – tiivaulatusega 80 m, kaaluga 2000 kg ja keskmise kiirusega 70 km/h. Projekti käigus on loodud keerulistel arvutiprogrammidel põhinev lennuimitaator, mille abil saab jälgida ja juhtida erinevate parameetritega mudelite lende erinevates ja muutuvates ilmastikuoludes. Üks selline lend toimus edukalt k.a mais Hawaiilt Floridasse.

Sarnased artiklid