Tahaks lennata …ja ikka küllaltki kõrgelt!
Vello Kala
08.12.2011

Inimene on kummaline loom – kümneid tuhandeid aastaid vaatasime me taevas linde, unistades oma tiibadest, ja saime maa pealt tõusmata väga hästi hakkama. Lennata oleme osanud vaid napilt sada aastat. Oleme selle sajandiga palju õppinud, ent meie „tiivad” on ikka veel üsna algelised. Millised lennukid on taevas paarikümne aasta pärast?

Neil päevil saab täis üks märgiline ajaperiood. 17. detsembril 1903 tõusis õhku vendade Wrightide Flyer I, esimene õhust raskem mootoriga lennumasin. Sellest päevast arvestame maailma lennunduse ajalugu. Täpselt 54 aastat hiljem, detsembris 1957, tegi esmastardi Boeing 707, lennuk, mis kujundas moodsa reisilennunduse näo ja teo. Taas on käes detsember ning Boeing 707 esmalennust on möödunud täpselt 54 aastat. Hea lugeja, vaata kõrval kolmikfotolt, kuidas muutus lennuk oma esimese 54 aastaga ja kui palju muudatusi tõid kaasa järgmised viiskümmend neli. Areng oleks nagu seisma jäänud?

Wrightidest tänase lennukini
Tegelikult pole lennukikonstruktorid mõistagi maganud. Lennuki väliskuju ei määra niivõrd konstruktorite suva, kui aerodünaamikaseadused – igale lennukiirusele vastab mingi just selles kiirusvahemikus optimaalne kerejoon.
Lennunduse algaastatel olid lennukiirused ülimadalad – eesmärgiks oli vaid õhus püsimine. Toona oli lennukiehitaja tähtsaimaks kriteeriumiks kaal. Mida kergem kogu konstruktsioon sai, seda rohkem oli lootust, et see ehk ka õhku tõusta jaksab. Nii juhtuski, et esimesed lennukid olid pigem tuulelohe sugulased, koosnedes pilbastest, neid ühendavatest nööridest ja purjekangast. Läbi õhu liikus see kooslus nii aeglaselt, et õhutakistus ei olnud lennunduse pioneeridele probleemiks.
Ent selline olukord ei kestnud kaua. 20. sajandi algus oli kiire tehnilise progressi ajastu. Ilmusid uued, kerged ja võimsad mootorid ning lennuki algne väliskuju hakkas muutuma arengupiduriks – kerge ja suhteliselt võimas mootor lubanuks hoopis uusi lennukiirusi, ent nendel kiirustel oleks õhuvool pilpalennuki puruks kiskunud.
Ega lennunduspioneeridel ehk endal tulist ruttu lennukiiruste kasvatamisega polnudki, lennundus arenes oma algaastatel kui hobi. Ent rahutus maailmas leidusid mundris mehed, kes taevas liikumise sõjalist väärtust õige pea mõistma hakkasid – ning kaitseministeeriumide eelarved olid garantii, et lennuki arendamiseks rahast puudu ei tule.
Lennuk läks sõtta juba kaheksa aastat pärast Wrightide esmalendu – 23. oktoobril 1911 kasutasid itaallased Itaalia-Türgi sõjas Liibüas lennukit luurevahendina. Ning nädalapäevad hiljem heideti Itaalia aeroplaanidelt Türgi vägedele juba pomme. Esimeseks „sõjalennukiks” sai niimoodi Bleriot XI, tegelikult prantslaste loodud lennumasin, mis läks ajalukku kui esimene La Manche’i ületanud lennuk. Tuulelohega on sel lennukil juba vähem sarnasust – 26 hj mootor lubas lennata isegi 75 kilomeetrit tunnis. Tuulelohe jaoks oleks see kiirus juba lootusetult suur.
Mida suuremaks läksid lennukiirused, seda voolujoonelisemaks (ja tugevamaks) muutus lennuki kere. Teise maailmasõja eelõhtul lendasid lennukid juba 600 kilomeetrit tunnis ning nende välimus oli pigem moodsa lennuki kui algaastate nn moosiriiuli oma – sellistel kiirustel kulub mootori energiast õhutakistuse ületamisele lõviosa.
Teine maailmasõda tõi kaasa ka olulise „arengukriisi” – selgus, et kolbmootori-propelleriga enam kiirusi kasvatada ei saa. Esimesed reaktiivlennukid sündisid sõja käigus ning õige ruttu jõuti tänaste reisilennukite kiirusteni – kuni 1000 kilomeetrini tunnis. Ning juba esimesi reaktiivlennukeid vaadates näeme, et ega nad praegustest välimuselt suurt ei erinegi.
Nagu ütlesime, uus kerekuju tuleb siis, kui tulevad uued kiirused. Nii ei saa ka öelda, et lennuki väliskuju poleks Boeing 707 aastatest tänaseni pea muutunud – on ju olemas ülehelikiirusega sõjalennukid ning ka vahepeal lennanud Concorde pole sugugi 707 nägu. Iseasi, et helipiiri ületamine langes kokku kütusehindade järsu tõusuga ning nii kiire lend ei tasunud end majanduslikult – liiga vähe oli neid, kes paari võidetud lennutunni eest mitmekordset piletihinda maksma nõustusid. Moodsad reisilennukid ei lenda kiiremini kui Boeing 707 – sellepärast on nad väliselt ka viimasega sarnased. Ent ainult väliselt. Moodne lennuk kulutab sama vahemaa läbimiseks hoopis vähem kütust kui 707 ning on lisaks ka hoopis mugavam ja ohutum.

Tulevikulennuk – milline?
Milline peaks olema lennuk, millega lendame 10-20-50 aasta pärast? Jätame üldise väliskuju alul ehk kõrvale – see sõltub kiirustest, millega tulevikus lennata tahame (ja saame seda endale lubada) – ja vaatame, mis probleemid lennukiehitajate ees täna seisavad.
Neid on eeskätt kaks: kuidas lennata odavamalt ja kuidas lennata „rohelisemalt”, vähem atmosfääri saastades. Ning mõistagi soov valmistada lennuk odavamalt, siiski ohutuses allahindlusi tegemata.
Lähikümnenditel lennuk ilmselt väga oluliselt ei muutu, pigem on insenerid ametis olemasoleva lennuki täiustamise ja edasiarendamisega.

Evolutsioon lähitulevikus
Evolutsioonilise arengutee all vaatame võimalusi, kuidas tänast lennukit senisest paremaks muuta. Vaatamata sellele, et reisilennuki väliskuju on juba poolsajandit pea muutumatuna püsinud, on arenguvõimalusi veel küllaga.
Targad juhtpinnad – lennuki energiabilansis on üllatavalt suur osa kuludel lennuki suuna muutmiseks pööretel või tõusudel-langustel. Lennukit suunatakse tüüride abil –normaalasendis moodustavad need tiiva, tagatiiva või kiilu tagaosa, ent pöördeks kallutatakse neid vajalikus suunas. Võtab see siis energiat? Tehke lihtne katse: kiirendage auto kuni 100 km/h ning pistke siis lumelabidas külgaknast välja. Või parem ärge seda siiski tehke, tulemust oskate isegi ette kujutada.
Esimestel lennukitel oli vaid paar liigutatavat pinda – tüürid taga, eleroonid tiibadel. Tänaseks on erinevaid õhuvoolu seatavaid klapikesi lennukil hoopis enam – ning tulevikus veelgi rohkem. Miks? See võimaldab pardaarvutil valida, milliste klapikeste tuulde seadmisega saavutatakse antud lennuoludes soovitud tulemus (pööre, tõus, langus) minimaalse energiakaoga.
Uued tiivaprofiilid. Teadus sellest, kuidas õhk ümber tiibade voolab on sama vana kui lennuk. Ent kui aastakümneid valiti tiivaprofiile eeskätt katsetuste ja intuitsiooni järgi, siis tänaseks on asi arenenud vägagi komplitseeritud teaduseks. Ning kui 20 sajandil teenis see teadus peamiselt militaarhuve (kuidas veelgi kiiremini lennata!) siis tänaseks on põhikliendiks tsiviillennundus ning ülesandeks leida tiivaprofiilid, mis võimaldaksid lennata vähema õhutakistusega, kütust säästes.
Õhuvoolu juhtimine. Lennuki õhutakistust (loe: kütusekulu) ei määra sugugi ainult lennuki ristlõike suurus. On väga oluline, kuidas õhuvool mööda lennuki välispindu voolab. Kui seal tekivad keerised, tähendab see kütusekulu olulist kasvu. Probleem on, et lennuki nn ideaalset väliskuju pole olemas – õhuvool käitub suuresti erinevalt juba suhteliselt väikese lennukiiruse muutumise puhul. Võimalik, et lähikümnendeil näeme lennukeid, mis on võimelised oma väliskuju sõltuvalt lennukiirusest „korrigeerima”.
Materjalid. Alumiinium tuli lennukiehitusse kohe pärast puuliiste/lakiga immutatud kangast ning alumiiniumisulamid on lennuki põhiliseks koostematerjaliks tänaseni. Tõsi, uued sulamid võimaldavad lennukiosi ehitada aina kergematena. Ning lähikümnendite trend – kui komposiitmaterjalid on sõjalennukeil juba ammu tunnustuse võitnud, siis tsiviillennukid omandavad neid tehnoloogiaid just praegu. Igas uues lennukis on komposiite oluliselt rohkem kui tema eelkäijas. Komposiidid võimaldavad vajaliku vastupidavusega kere- ja tiivadetaile ehitada kergematena. Pikka aega oli siin piduriks maksumus, ent tehnoloogiate areng on komposiitide hinna tsiviillennundusele vastuvõetavale tasandile toonud.
Mootorid. Mootorite areng on praegu pigem evolutsiooniline kui revolutsiooniline – põhimõtteliselt uusi lahendusi pole masskasutusse lähiajal oodata, ent pidev viimistlemine viib kütusekulu olulise vähenemiseni.
Müra. Müra on tänasele lennundusele väga oluliseks probleemiks. Reisijaile oleks mugav, kui lennujaamad paikneksid linnasüdametele nii lähedal kui võimalik. Ent kes tahaks, et tema katuse kohal möirgaksid pidevalt reaktiivmootorid? Vaiksemate lennukite loomine on praegu kõigi juhtivate lennukitootjate põhieesmärke. Omaette teadus on võitlus ülehelikiirusega lendu saatva helilöögiga. Teatavasti moodustuvad helist kiiremini lendava keha ümber kaks rõhulainet – üks lennuki ninas, teine sabas. Maalolija tajub seda kahekordse kahurilasuna. Rõhulainete teket ei saa päriselt välistada, küll loodetakse leida kerekuju, mille puhul rõhulained oleksid võimalikult hajutatud.

Revolutsioonilised ideed
Nagu eespool nägime, on tänasel lennukil veel arenguruumi. Ent ühel päeval saab see täis ning siis on edasiminekuks vaja juba täiesti uusi, ebatraditsioonilisi lahendusi. Nende kallal juba töötatakse.
Kandva kerega lennuk. Ükskõik kui voolujooneliseks lennuki kere viimistleda, kannavad lennukit ainult tiivad – kere tähendab asjatut õhutakistust. See teadmine pole kuigi uus, pigem on selliste lennukite tulekut takistanud insenertehnilised probleemid – torukere ja selle külge kinnitatud tiibu on olnud lihtsam ehitada. Esimesed sellised lennukid valmisid kahe maailmasõja vahel Saksamaal – näiteks Junkers G38 (esmalend 1929). Teise maailmasõja ajal jõudsid sakslased vaidtiivani – lennukitüübini, kus kere üldse polnud, kogu lennumasin koosnes vaid lendavast tiivast. Sellised olid näiteks vendade Hortenite loodud lennukid. Pärast sõda katsetas vaidtiibadega Northrop, ent idee oli oma ajast ees – toona ei suudetud laia ja lühikest lennukikuju piisavalt stabiilselt lendama saada. Tänaseks on need mured lahendatud ning näiteks superpommitaja B-2 on üsna puhtalt aerodünaamiliselt kandva kerega lennuk. Boeing ja NASA töötavad praegu sellise lennuki tsiviilvariandi loomise kallal.
Ühendtiib. Ühendtiib (Joint Wing) märgib lennukit, kus esi- ja tagatiivad moodustavad ühe terviku, seejuures tagatiiva ja tüüri ülesandeid täitev tiivaosa on strukturaalseks toeks põhitiivale, võimaldades selle ehitada kergemana. Eeskätt nähakse selles lahendust muuta kõrgel ja kaua lendavad mehitamata lennukid (luure- ja teadusuuringute lennukid) kergemaks, suurendades niiviisi nende võimalikku lennuaega.
Pöördtiib. Selline lennuk näeb välja vägagi futuristlik, ometi on Robert T. Jonesi juba sõjajärgsest ajast idee taga muuta lennuki ehitamine lihtsamaks ja vähem aega nõudvaks. Miks on vaja tiiba „liigutada”? Asi on selles, et iga võimaliku lennukiiruse jaoks on ideaalne mingi kindel tiivakuju. Ning üldreeglina – mida kiirem on lend, seda väiksem on vajalik tiivapindala. Sõjalennukite puhul on kasutatud keerukaid tiivaotste sisse- ja väljaliigutamise või tiibade kere suunas kallutamise süsteeme, ent sellised lahendused on osutunud liiga keerukaiks ja kalleiks isegi sõjatööstuse jaoks. NASA töötab praegu vähemalt teoreetiliselt hoopis lihtsama lahenduse kallal – tiib, mida saaks pöörata. Tõusul-maandumisel oleks tiib klassikaliselt kere suhtes risti, kiiruste suurenedes aga pöörduks, vähendades nii oma ristlõiget lennusuunast vaadatuna. Ning veel samm edasi oleks pöörd-vaidtiib, lennuk, mis koosneks ainult tiivast, mis kiiruse kasvades hakkaks end aina rohkem lennusuuna suhtes viltu seadma, niimoodi õhutakistust aina vähendades.
Kütusepaak jääb koju? Lisaks reisijaile ja nende pagasile veab iga lennuk endaga kaasas kümneid kütusetonne. Äkki saaks sellest loobuda? Trollibussid ja elektrirongid ju kütust kaasas ei vea. Samas pole võimalik ka taevasse kontaktliine vedada. Mida siis teha? NASA usub, et kontaktliini aset võiks täita laserikiir. Tiheda liiklusega lennutrassi alla rajataks võimsad laserjaamad, mis hoiaksid oma kiire lennukil. Lennuk jälle oleks varustatud laserkiire energiat elektrivooluks muutvate päikesepaneeli tüüpi pindadega. Tillukesed katselennukid NASAl laserkiire jõul juba lendavad.
Muide, on juba olemas piloodita lennukid, mis võtavad oma energia otse Päikeselt. Tõsi, need on aeglaselt liikuvad ülikerged lohelennukid, päikesekiirgus pole piisavalt intensiivne, et tavalennukile vajalikku võimsust pakkuda, isegi kui kogu kere päikesepaneelidega katta.

Kas ikka lennata…
…ja lisaks veel vägagi kiirelt? On tarku mehi, kes usuvad, et soov elada aina rikkamalt, lennata aina kiiremini, süüa aina paremini jne jne on tee hukatusse – Maakera, erinevalt inimkonnast, ei paisu ning pigem peaksime õppima oma vajadusi piirama – ühe inimese kohta jääb ju maamunal kõike aina vähemaks. Seega mitte uued tehnoloogiad, vaid maakera võimalustega kohandatud elustiil oleks inimkonna kestmajäämise võtmeks. Ehk on neil omajagu õiguski – paraku, sellise tee käimiseks oleks vaja … uut inimest. Sest praegune lihtsalt tahab, et elu oleks homme veidigi mõnusam, parem ja rikkam kui täna.

Sarnased artiklid