Propeller tuleb tagasi?
Vello Kala
08.04.2012

Reaktiivmootor kujundas peale Teist maailmasõda ümber kogu lennunduse – lennukid hakkasid lendama hoopis kiiremini, ilmusid mitusada reisijat pardale võtvad õhuhiiglased. Propeller säilis põhiliselt vaid tillukeste hobilennukite ninas ning paljud uskusid, et pea võtavad reaktiivid sellegi turuniši. Ent täna räägitakse propelleri tagasitulekust. Miks?

Tehnika ja tehnoloogiate areng ei ole üks sirge maantee – erinevates ühiskondlikes oludes hindame kõrgemalt erinevaid väärtusi. Sõda on võimas arengumootor ja pole ime, et reaktiivlennuk sündis just sõja käigus – sõjas on otsustav maksimaalne sooritusvõime – ja reaktiivlennuk oli kolbmootoriga propellerikeerutajast igapidi üle.
Stopp, siiski mitte igapidi – reaktiivmootor on mõnevõrra janusem. Sõja ajal polnud sellel eriti suurt tähtsust, siis otsustas, kes on kiirem, kes keda lööb. Ning aastakümneid peale sõdagi, kui tsiviillennundus võttis kiiresti üle algselt kaugpommitajatele mõeldud mootorid ja tehnilised lahendused, polnud lennuki „janu” veel esmatähtis küsimus. Erinevalt söest polnud naftat vaja kaevata, see purskas ise maa seest näiliselt lõputu joana – ja oli odav. Mis siin lennukeist rääkida, naftat põletati kodude ja elektrijaamade kütmiseks.
Paraku valitseb meie ja maavarade vahel teatud vastuolu – maavarade hulk maakoores on lõplik ja väheneb iga välja kaevatud tonni ja liitriga, meie aga muudkui sigime ja sigime ning pealekauba tahame aina paremini elada – see aga tähendab, et vajame energiat aina enam ja enam.

Ferrari või omnibuss?
Sõjajärgse lineaarse mõtlemise – kiiremini, kõrgemale, kaugemale, maksku see mis maksab – haripunktiks sai helist kiirema reisilennuki loomine. Concorde oli omamoodi tehnikaime, seda kindlasti. Ent iga helist kiiremini liigutatava reisija kohta kulus nii palju kütust, et kasumisse ei jõudnud see projekt kunagi. Lennukitootjaile sai selgeks, et tulevik on pigem veidi aeglasema, ent hoopis ökonoomsema õhutranspordi päralt. Kes suudab lennata odavamalt, korjab jackpoti tuludest. Sama kehtib muide ka autode maailmas – Ferrarid ja Lamborghinid on küll kenad vaadata, ent nende turuosa kogu autoäris on minimaalne. Tõelist raha teenitakse autodega, mida enam-vähem igaüks suudab osta.

Mis on reaktiiv-, mis propellerlennuk?
See küsimus näib esmahetkel üsna lapsikuna – reaktiivlennukil on reaktiivmootor, mille tõmbe annab kuumade gaaside väljavool düüsist, propellerlennukit veavad aga pöörlevad propellerid. Tegelikkus on veidi komplitseeritum. Kui lähtuda mootori tööpõhimõttest, on praktiliselt kõik praegused lennukid reaktiivmootoriga – kolbmootor seisab vaid pisilennukeil. Ent reaktiivmootor ei tähenda, et lennukit peab tingimata vedama kuumade gaaside juga – me võime nende kuumade gaaside teele seada turbiini, mis pööritab propellerit. Nii saame turbopropi ehk turbopropellermootori – jõudu toodab küll reaktiivmootor, lennukit viivad edasi aga reaktiivmootorilt jõudu saavad propellerid. Poole sajandi eest olid turbopropid levinuimad reisi- ja transpordilennukid. Nad nõudsid sama vahemaa läbimiseks vähem kütust kui reaktiivjoa jõul liikuvad mootorid. Reaktiivmootor on madalatel kiirustel ebaefektiivne ja janune, just selles režiimis lendab aga lennuk vähemalt igal tõusul ja laskumisel.
Ent propelleril on ka olulisi puudusi, mis ilmnevad, kui tahame lennata kiiresti. Et propellerlennuk liiguks kiiremini, tuleb propellerid kiiremini pöörlema panna. Ent kui propellerilabade liikumiskiirus läheneb heli kiirusele, kaotab propeller olulise osa oma veojõust ning helist kiiremini pole propelleri jõul isegi teoreetiliselt võimalik lennata.
Mida teha? Et propelleritippude liikumiskiirust õhu suhtes vähendada, tuleb propellerilabasid lühendada – veovõlli sama pöörlemiskiiruse juures liiguvad „pika” propelleri tipud märksa kiiremini kui „lühikese” propelleri puhul. Ent lühemad propellerilabad suudavad vähem õhku tahapoole pumbata, niimoodi lennukit edasi liigutades. Kuidas seda kaotust kompenseerida? Lisades propellerile labasid! Kui Teise maailmasõja alul oli sõjalennukeil tavaliselt kahelabaline propeller, siis sõja lõpu poole domineerisid nelja, isegi viie labaga propellerid.

Kahekontuursed mootorid
Isade-vanaisade aegu oli kõva sõna, kui olid reaktiivlennukiga lennanud – neid oli reisilennukite seas esialgu vähe. Milline oleks vastus, kui seda küsida nüüd, 2012. aastal? Üllataval kombel on reaktiivlennukiga sõitnuid meie planeedil vähe tänapäevalgi. Sest klassikalist turboreaktiivmootorit, kus kogu jõud tuleb düüsidest välja paiskuvate kuumade gaaside reaktiivjõust, tänapäeval peaaegu ei kasutata – kui, siis ehk mõnede tiibrakettide puhul.
Ent mis siis tänaseid reisilennukeid liigutavad? Need on kahekontuursed mootorid, kus osa veojõust tuleb tõepoolest reaktiivjõust, osa aga reaktiivmootori võllile mootori ette paigutatud suurest ventilaatorist – väga paljude labadega propellerist. Seda ventilaatorit näeb, kui mootorit eest vaadata. Olete ehk märganud, et moodsate reisilennukite mootorid on hoopis jämedamad kui aastakümnete eest ehitatud lennukite omad? Miks? Sest tegelik reaktiivmootor moodustab moodsa lennukimootori puhul ainult selle südamiku, mootori välismõõtmed annab ventilaatori voolund, mis puhub õhku tahapoole ümber keskse reaktiivmootori.
On selline mootor siis „reaktiivmootor”? Nimetus on mõistagi muidugi ka maitseasi, ent absoluutset täpsust taga ajades tuleks moodsaid lennukimootoreid nimetada hübriidmootoriteks, kus lennukit veavad edasi nii gaasijoa reaktiivjõud kui ventilaator-propeller. Seega midagi puhta reaktiivmootori ja turbopropi vahepealset.

Möödavooluaste
Andku keeletargad mulle andeks, aga sõnakirjade järgi korrektne eestikeelne vaste ingliskeelsele fraasile „bypass ratio”, kahekontuursuse aste, ei tundu mulle eriti korrektsena. Möödavooluaste vastab täpsemalt originaalsele terminile ning ka kirjeldab toimuvat paremini. Mis siis on möödavooluaste? See on suhtarv, mis näitab, kui palju õhku läbib mootori reaktiivse südamiku ja kui palju puhutakse tahapoole ventilaatori abil. Kui möödavooluaste on 1, siis teevad reaktiivjuga ja ventilaator lennuki vedamisel võrdselt tööd.
Üldjuhul see koefitsient erineb ühest oluliselt. Madalat möödavooluastet (põhitöö jääb reaktiivjoale, ventilaator aitab natuke kaasa) kasutatakse eeskätt sõjalennukite puhul. Hävituslennukeil on see koefitsient 0,2–0,4, mis tähendab, et reaktiivjuga annab 60–80, ventilaator aga 20–40 protsenti mootori veojõust. Kõrge möödavooluaste on levinum tsiviillennunduses – uusimatel mootoritel on see juba üle kümne, mis tähendab, et ventilaatorit läbib kümme korda enam õhku kui reaktiivmootorit. Sel juhul pole õieti enam tegu hübriidmootoriga, pigem lendame turboproppidega, millel on väga palju propellerilabasid ning mille propellerit ümbritseb õhuvoolu suunav ja müra summutav voolund.
Erinevus tuleb kasutusrežiimide erinevusest – sõjalennuk peab suutma väga kiiresti oma kiirust kasvatada või kahandada, olema valmis välkspurtideks. Ventilaator-propeller ei võimalda nii järske režiimimuutusi nagu reaktiivmootor. Reisilennuk seevastu lendab ühtlases tempos, kaotab sõjalennukeile küll dünaamikas, ent võidab neid kütusekulu osas.

Propfan
On selge, et kütuse hind mõjutab eriti tsiviillennunduse arengut oluliselt. Viimase kümne aastaga on kütuse hind mitmekordistunud, ent praegune pole ajaloo esimene kütusekriis – hüppeline naftahindade tõus leidis aset ka seitsmekümnendatel aastatel.
Just siis alustas NASA uuringuid kütusesäästlikuma lennukimootori leidmiseks. Helist madalalamatel kiirustel jääb propeller reaktiivjoast igal juhul hoopis ökonoomsemaks. Mida suurem on mootori möödavooluaste, seda ökonoomsem on mootor. Möödavooluastme tõstmiseks tuleb aga ventilaatori läbimõõtu suurendada. Nii et tagasi, propeller? Ent propelleritest loobuti, kuna kiirustel, mis lähenevad 1000 km/h peaks propellerite labade otsad pöörlema helist kiiremini. Tavapropeller kaotab sellistes tingimustes veojõu.
Teine probleem – praegu ventilaatorit ümbritsev voolund annab oma, tõsi küll väikese, osa mootori veojõust, suunates ventilaatorilt tulevat õhuvoolu kõige kasulikumas suunas. Kui ventilaatori läbimõõtu oluliselt suurendada, kasvaksid voolundid hiiglaslikeks, lisades lennukile oluliselt kaalu.
Esimese probleemiga tulid NASA ja General Electricu insenerid toime – nad suutsid välja töötada propelleri kuju, mis ei kaota oma efektiivsust ka siis, kui labade otsad liiguvad helist kiiremini. Aga voolund? Selle osas leiti, et kuigi katmata propeller on „tunnelis” pöörlevast ventilaatorist veidi ebaefektiivsem, kompenseerib kao „tunnelita” mootori kergem kaal.
On kolmaski probleem – ventilaatorit ümbritsev voolund summutab oluliselt mootorihäält. Katmata propeller on hoopis mürarikkam. Võitlus müraga oli odava kütuse aegadel lennunduse üks esmaeesmärke. Jääb see nii ka ajal, kui igal kütusetilgal on kulla hind?
Seitsmekümnendate lõpus-kaheksakümnendate alguses töötasid „propfaniks” nimetatud uue mootoritüübi kallal juba pea kõik juhtivad lennukimootorite tootjad, sealhulgas venelased. Ent siis kukkusid kütusehinnad, mis viis N. Liidu lagunemiseni – ning pausini uute mootorite arendamises. Elu näis jälle ilus ka seniste januste mootoritega.
Paraku turg võib hindu küll lühiajaliselt nii lakke kui põrandale lennutada, pikemas perspektiivis ei muuda see asjaolu, millest loo alguses juba kõnelesime – meid saab aina rohkem, aga maavarasid, sealhulgas kütust jääb järjest vähemaks. Concorde’i aegadel unistati lennukist, mis viiks Londonist Sidneysse kahe tunniga. Ent unistuseks see ilmselt jääbki, vähemalt 99% lennureisijate jaoks. Pigem toob tulevik veidi aeglasemad, aga säästlikumad lennud. See on mõneti ebameeldiv, ent meil on valida, kas paljuneda või elada (suhteliselt) rikkalt. Seni on inimkond paljunemise kasuks otsustanud.

Sarnased artiklid