Vilistav lugu
Kaido Tiigisoon
25.08.2008

Neid on kasutatud igal pool, kus kompaktsest mootorist on vaja kätte saada palju energiat. Loov inimmõistus on kasutanud gaasiturbiine peale lennukite ka rongide, rulluiskude, jalgrataste, kartide jne liigutamiseks, tule kustutamiseks, elektri tootmiseks jpm otstarvetel. Kogu maailma naftatoodangust põletatakse u 10% gaasiturbiinides.

Newton polnud veel sündinud ja oma kolme seadust sõnastanud, kui Hiina alkeemikud avastasid 9. sajandil elueliksiiri otsinguil püssirohu ja hakkasid Newtoni kolmandast seadusest (igal mõjul on ka vastumõju) midagi teadmata rakette lennutama.
Raketinduse puuduseks on see, et see eeldab kogu põlemiskambris reageeriva keemia kaasa vedamist, mis on aga kallis lõbu. Näiteks kosmosesüstiku peakütusepaagis on u 600 tonni hapnikku ja vaid u 100 tonni vesinikku. Lapski saab aru, et kui selle hapniku saaks lennu ajal väljastpoolt kahmata, saaks palju suurema lasti üles viia. Aga kahjuks ei saa, sest maa atmosfäär on nii näruselt õhuke, et süstik on sellest enne väljas, kui lend õieti alatagi saab. Lennuk aga lendab ju ikkagi läbi õhu ja seega on mõistlik varustada see mootoriga, mis hapniku väljastpoolt võtab.

Rakettidega lennati juba ammu
Varaseima teadaoleva raketiga lendamise katse tegi vast türklane Lagari Hasan Çelebi, kes juba 1633. üritas lennata üle Bosporuse väina, tõustes selleks rakettide abil 300 meetri kõrgusele ja laskudes siis tiibade abil merre. Väidetavalt on aga reaktiivjõudu kasutatud veelgi varem – juba 1. sajandil ehitas kreeklane Hero reaktiivturbiini, mis töötas auru jõul. Ja veel enne seda, u 400. aastal e.m.a lennutas kreeklane Archytas auru jõul liikuvat lennukimudelit. Tõsi, ainsad säilinud teated selle kohta on kirja pandud u 500 aastat pärast seda sündmust…
Esimese oksüdeerijana õhku kasutava reaktiivmootori valmistas Lundi ülikooli filosoofiadoktor rootslane Martin Wiberg (1826–1905), kes oli üldse viljakas leidur (muu hulgas leiutas ka koorelahutaja ja Babbage arvutusmasinale sarnaneva rehkendusaparaadi, mis trükkis välja logaritmide tabeleid).

Toruga lendama
Sisuliselt on kõikide reaktiivmootorite puhul tegemist toruga, mille sees pannakse kütus põlema. Selleks, et sundida gaase torust ainult ühes suunas vehkat tegema, on erinevatel mootoritel erinevad lahendused toru teise otsa suurema takistuse tekitamiseks. Wibergi mootori näol oli tegemist esimese ventiiliga varustatud pulseeriva reaktiivmootoriga.
Ventiiliga varustatud pulseerival reaktiivmootoril on vastav klapp, mis laseb esiotsast küll õhu mootorisse, kuid välja saab see ainult teisest otsast. Plahvatuse käigus tekkiv surve sulgeb klapi ja paiskab gaasid mootori tagumisest otsast välja. Õige ehituse korral tekib gaaside kiire lahkumise järel torust seal hõrendus ning klapp avaneb uuesti, võimaldades õhul uuesti põlemiskambrisse siseneda. Siis pihustatakse sinna jälle kütust ning õigel hetkel toimub uus plahvatus. Kogu protsess on küll mõnevõrra keerukam, aga kuna artikkel pole mootori ehitamise õpetus, siis rohkem sellel teemal ei peatu.
Sellise pideva paugutamise tagajärjel tekib üsna tugev müra (suurtel mootoritel üle 140 dB), mistõttu ei ole pulseeriv reaktiivmootor lennunduses praktilist kasutamist leidnud. Küll aga mudellennunduses ning raadio teel juhitavate märklaudade puhul tiibrakettide ja hävituslennukite treeninglaskmisteks. Peale kõige muu on pulseerivate reaktiivmootorite kütusekulu väga suur. Samuti on pikka aega töötada suutva ventiili ehitamine keeruline. Tuntuim sellise mootori kasutamise fakt oli natside V-1 tiibrakettide lennutamine brittide maile kiirusega üle 600 km/h. Seal oli pulseeriv reaktiivmootor omal kohal just eelkõige odavuse tõttu.
Nagu on olemas ventiiliga pulseerivad reaktiivmootorid, on olemas ka ventiilita pulseerivad reaktiivmootorid. Sisuliselt on siingi ventiil olemas, kuid selleks pole mitte metallklapp, vaid gaasimassi läbimõeldud liikumine kogu süsteemis. Selleks on vajalikud täpselt arvestatud geomeetriaga sisse- ja väljalasketorud ning neile vastava suurusega põlemiskamber. Plahvatuse toimumise järel liigub plahvatuslaine torus mõlemas suunas ühesuguse kiirusega, kuid gaasid väljuvad lühemast sisselasketorust enne kui pikemast väljalasketorust. See toob kaasa selle, et kui gaasid alles lahkuvad pikemast väljalasketorust, laekub sisselasketoru kaudu juba hulk värsket õhku ja asi saab hakata otsast peale. Tihti on ventiilita pulseeriv reaktiivmootor U-kujuline, kuna ka sisselasketorust väljuvad gaasid annavad märgatava osa tõukejõust. Sellise mootori lihtsus on ka selle suurim pluss. Praktiliselt on ventiilita pulseeriv reaktiivmootor hooldusvaba, mis võimaldab seda kasutada autonoomsetes süsteemides, kus inimese juurdepääs on piiratud, kuid kuna sedagi mootorit vaevavad samad probleemid, mis kõiki pulseerivaid reaktiivmootoreid (müra, vibratsioon, madal kasutegur), siis ei ole ka see eriti kasutust leidnud.

Oma sõna ütleb turbo
19. sajandi lõpus ja 20. sajandi alguses arendati välja põhilised gaasiturbiinide komponendid ja ühendati need lõpuks ka ühtseks turbiiniks. Tollased gaasiturbiinid olid aga nii madala kasuteguriga, et kui W. J. Stern 1920. aastal tegi Briti Kuninglikele Õhujõududele ettekande gaasiturbiinide lennukites kasutamise kohta, kritiseeris ta tollaseid turbiine nii veenvalt, et teema pandi pikaks ajaks kalevi alla. Kindlasti toetus ta ka sellele, et rumeenlane Henri Coandă oli juba 1910. aastal katsetanud kolbmootorilt käitatava kompressoriga toidetava reaktiivmootoriga lennukit (millest sai maailma ajaloos esimene lennanud reaktiivlennuk). Coandă leidis, et sellise lahenduse kasutegur on väga madal. Gianni Caproni, kelle töökojas Coandă selle lennuki ehitas, valmistas 30 aastat hiljem Mussolini rõõmuks samal printsiibil töötava lennuki Campini Caproni CC.2. Viimane osutus aeglasemaks, kui see oleks lennanud vaid kolbmootori abil, kuid kõlbas Mussolinile laiamiseks küll. Coandă ise elas kokku 86 viljakat aastat ning kinkis inimkonnale muu hulgas reaktiivmootoriga kelgu ja meetodi maa-aluste vedelikukogumike avastamiseks. Tuntakse seda meest aga Coandă efekti järgi. Samuti võiks teda meenutada igaüks, kes maandub Bukarestis Coandă lennuväljal.

Ajalukku astuvad uued mehed
W. J. Sterni raportit juhtus märkama teine britt nimega Alan Arnold Griffith, kes 1926. a avaldas kirjutise „Turbiini aerodünaamiline ehitus”. Seal selgitas Griffith, et kõikide seniste gaasiturbiinide kompressorid on valesti konstrueeritud. Peamine probleem on sirgete kompressorilabade kasutamine, mistõttu suur osa labast töötab ülekriitilisel kohtumisnurgal. See toob kaasa suure takistuse ja väga madala tõhususe. Griffithi töö viis selleni, et tema juhtimisel asuti arendama tõhusamalt töötavaid gaasiturbiine, et leida lennuki propelleri ringi ajamiseks võimsam jõuallikas.
Samal ajal tegeles gaasiturbiini ideega ka reaktiivmootorite arengu üks tuntumaid nimesid – Frank Whittle, keda inglased peavad otse loomulikult 20. sajandi tähtsaimaks inseneriks (tuhkagi – hoopis Johannes Hint oli tähtsaim). Oma erakordsete annete tõttu soovitati teda ühe ohvitseri poolt RAFi (Kuninglike Õhujõudude) ohvitseride koolitusele. Kooli lõpetamiseks pidi iga kadett kirjutama lõputöö. Whittle valis teemaks lennukite arengu tulevikus, pidades eriti silmas lendamist suurtel kiirustel, ja kirjeldas Coandă mootorile sarnast lahendust. Whittle tõi välja, et sellised reaktiivmootorid oleksid tavalistest kolbmootoritest tõhusamad just suurtel kõrgustel. Kool edukalt lõpetatud, tegeles Whittle oma lõputöö temaatikaga edasi ja taipas peagi, et kolbmootori ühendamine reaktiivmootoriga ei ole mõistlik, ning leidis, et „miks mitte asendada kolbmootor reaktiivmootori väljalaskesse asetatud gaasiturbiiniga”. Kompressoriks võttis Whittle keeruka telgkompressori asemel tsentrifugaalkompressori. 1929. a lõpul saatis Whittle oma kontseptsiooni Lennundusministeeriumisse, kus paraku puudusid inimesed, kes suutnuks asja analüüsida. Seetõttu saadeti Whittle’i reaktiivmootori kontseptsioon edasi Griffithile. Teadmata põhjusel oli Griffith veendunud, et Whittle’i lihtsa ehitusega mootor ei saa kunagi tõhusalt tööle hakata, ning kritiseeris sellest lähtuvalt kogu kontseptsiooni. Lisaks tõi ta välja paar väikest arvutusviga ning saatis oma vastuse tagasi. Ametnikud lugesid selle jutu läbi ja ütlesid Whittle’ile, et „tubli poiss, aga sinu värk ei ole praktiline”. RAF ei pidanud vajalikuks asja isegi salajaseks kuulutada, mis tuli hiljem küll Whittle’ile kasuks.
Siiski leidus otsustajate hulgas ka inimesi, kes arvasid, et asjal on perspektiivi. RAFi lennuinstruktor Johnny Johnson oli endine patendiametnik ja just tema veenis Whittle’i, et see patendi võtaks. Whittle sai patendi 1932. a. Õnnetuseks polnud mehel hiljem viite vaba Inglise naela, et patendiõigust värskendada, ja nii jäi ta sellest kolme aasta pärast ilma.
Peatselt hakkasid Whittle’i patendi vastu huvi tundma kaks endist RAFi ohvitseri J. C. Tinling ja R. Dudley-Williams ning 1936. a asutasid kõik kolm 2000naelase pangalaenuga firma Power Jets Ltd. Esimene eksperimentaalne mootor saadi käima 1937. a aprillis. Mootor töötas küll kenasti, kuid ei tahtnud seisma jääda ka siis, kui kütuse pealevool katkestati. Hiljem selgus, et põhjuseks oli põlemiskambrisse kogunenud liigse kütuse loik, mis pealevoolu lakkamisel edasi põles. Selle testmootori abil saadi lõpuks riigilt esimene rahanatuke (6000 naela), millega finantseeriti järgmise, siis juba lennukõlbliku mootori ehitamist. Kõik see võttis aega ja asi venis, sest ametnike tähelepanu oli silmapiiril virvendava sõjaohu tõttu mujal. Pidev ametnike otsustamatusest tulenev stress viis Whittle’ilt tervise.
Sõja puhkedes vaatas ministeerium mitmed „ulmeprojektid” uuesti üle ja külastati ka Power Jets Ltd.-d, mis tol hetkel suutis vaevu elektri eest tasuda. Seekord suudeti ametnikke veenda ning kohe saadeti ministeeriumist laiali nii mootori arendamise, ehitamise kui ka selle jaoks sobiva lennuki ehitamise lepingud. Mootori ehitamise lepingu korjas üles Rover, lennuki ehitamise lepingu Gloster ning Power Jets Ltd asus mootorit lõpuni viimistlema.
Brittide esimene reaktiivmootoriga lennuk oli Gloster E.28/39 ja see lendas Whittle’i W.1X mootoriga 15. mail 1941. Inglaste esimene reaktiivmootoritega seeriatoodangu lennuk oli Gloster Meteor, mis lendas esimest korda 5. märtsil 1943 de Havilland Halford H.1 mootoritega, kuid hiljem hakkas kasutama Whittle W.2 mootorit.
Kui nüüd lugeja mõtleb, et kustkohast de Havilland omale reaktiivmootori sai, siis see lugu on lihtne. Gloster E.28/39 lennu järel alustasid ka teised mootoriehitajad kiirelt oma reaktiivmootoriprogrammidega ning kuna Whittle’i turbiini puhul oli geniaalne kontseptsioon, mitte niivõrd tehniline lahendus, oli selle järele tegemine suhteliselt lihtne. Whittle’i mootorite suurim edasiarendaja oli Rolls-Royce, millest sai üks maailma juhtivaid reaktiivmootorite tootjaid. Ka venelaste MiG-15 sai võimalikuks tänu Whittle’i disainil põhineva Rolls-Royce Nene mootori kopeerimisele, millise patu eest Rolls-Royce tahtis hiljem 207 miljonit naela. Kommunistid ainult irvitasid selle jutu peale.

Sakslased ütlevad oma sõna
1930ndate lõpus tegeles sama teemaga Hitleri Saksamaal Hans Joachim Pabst von Ohain, kes arendas Whittle’ist sõltumatult välja praktiliselt samasuguse mootori. Ohaini mootor oli lühem ja paksem, kuna sakslase masinas jagasid tsentrifugaalkompressor ja turbiin ühist vaheseina. Erinevalt inglastest vajas Ohaini esimene mootor töötamiseks lisaenergiat, mida anti elektrimootoriga, kuid sellest piisas, et mõista – asi töötab. Ohaini koostöö Heinkeliga andis tulemuseks 27. augustil 1939 toimunud maailma esimese lennu turboreaktiivmootoriga lennukiga. Selleks oli 5000 N veojõuga HeS 3 mootoriga lennuk He 178. Lennuk oli erakordselt kiire, projekteeritud kiirusega 700 km/h, mis sai lahingulennukitele jõukohaseks alles 1944. a, kuid Saksa lennuväe konservatiivne lähenemine lennukiehitusele tingis selle, et reaktiivmootoritega lennukitele esialgu ametlikult rohelist tuld ei näidatud. Heinkel ei lasknud sellest ennast heidutada, vaid asus kohe tööle kahemootorilise reaktiivhävitaja He 280 prototüübi kallal, mis hiljem kaotas konkursil Messerschmitt 262-le.
Ohaini mootorid ei jõudnudki toodangusse, kuid tema tegevus andis inspiratsiooni Helmut Schelpile ja Hans Mauchile Riigi õhuministeeriumist (Reichsluftfahrtministerium), kes innustasid mootorivalmistajaid reaktiivmootoritega tegelema. Keegi muu peale BMW AG ja Junkers Motoreni (Jumo) neid ei kuulanud. BMW alustas küll esimesena, kuid kuna nende projekt oli keerukam, sai Jumo oma mootorid märksa varem valmis. Anselm Franzi juhtimisel valminud Jumo 004 saigi esimeseks reaktiivmootoriks, mis liigutas seeriatoodangus olevat lahingulennukit Me 262. Viimane tegi nende mootoritega esmalennu 18. juulil 1942. Me 262 pidi algselt küll kasutama BMW mootorit BMW 003, kuid probleemid sellega viisid kasutuselevõtu kaugele tulevikku. BMW reaktiivmootorite programmi juht oli Hermann Östrich, kes hiljem aitas prantslastel arendada reaktiivmootori SNECMA Atar, mis aastakümneid tõukas edasi Prantsusmaal toodetud lahingulennukeid.
Anselm Franz läks pärast sõda Ameerikasse, kus arendas Lycomingu juures välja ühe populaarseimatest helikopterite gaasiturbiinidest T53. Hiljem juhtis ta gaasiturbiini AGT-1500 loomist, mis tänaseni liigutab rõõmsasti ameeriklaste tanki M1 Abrams. Ka Hans Ohain veetis oma elu viljakaima perioodi hoopis Ameerikas, töötades muu hulgas tuumareaktoriga rakettmootorite ja püststardiga lennukite kallal.
Sakslaste suurim panus seisnes selles, et nad võtsid kasutusele telgkompressori. See vähendas oluliselt mootori ristlõikepindala, mis lennunduses on ülimalt oluline.

Tänaseks on gaasiturbiinid ja nende alamliik reaktiivmootorid saanud meie elu igapäevaseks osaks. Reaktiivmootori ja gaasiturbiini peamine vahe seisneb selles, kuidas jõud mootorist kasutamiseks kätte saadakse. Gaasiturbiinil on selleks mootori võll, mille pöörlemist kasutatakse millegi liigutamiseks, reaktiivmootoril aga gaaside liikumise vastasmõju. Need turbiinid/mootorid liigutavad ronge, tanke, laevu, toodavad elektrit. Markantseimaks näiteks gaasiturbiini kasutamisest oli NSVLis tarvitusele võetud meetod süttinud naftapuuraukude kustutamiseks selle abil. Selleks pihustati töötava turbiini väljalaskesse vett ning sellise veeseguse gaasijoaga sisuliselt puhuti tuli ära. Sama meetodit kasutasid ungarlased Kuveidi naftapõlengute kustutamisel esimese Lahesõja järel.
Tulevikus võivad pulseerivad reaktiivmootorid uuesti aktuaalseks saada. Igatahes praegu käib usin detoneeriva pulseeriva reaktiivmootori arendamine. Mis muud kui – eks me näe.

Sarnased artiklid