Ülehelikiirusel lendav Boom võibki saada tegelikkuseks!

Ameerika Ühendriikide lennundusettevõte Boom Technologies loodab lähemal ajal ehitada ülehelikiirusega lendava reisilennuki, mis suudaks lennata 2,2 korda üle helikiiruse ehk 2336 km/h 15 kilomeetri kõrgusel. Prototüüplennukiga XB-1 plaanitakse testlende alustada juba 2018. aastal, kirjutavad Peep Lauk (Eesti Lennuakadeemia), Maarja Kupits, Kadi Rünkla ja Ülle Rajasaar (Accelerista).

Kogenud lennureisija arvestab Ameerikasse lendamisel vähemalt ööpäevase ajakuluga. Kuigi lennureis Euroopast USA idaranniku linnadeni kestab 8–9 tundi, lisandub sellele tolli- ja pagasi käitlemisele kuluv aeg, kokku 4–5 tundi ning ajavahest tingitud aklimatiseerumisperiood. Kasutades aga ülehelikiirusega lendavat reisilennukit Boom, on võimalik lühendada lennukestvust üle Atlandi lendudel kuni 2,6 korda ehk 3,5 tunnini. Nii poliitikutel kui ka ärimeestel on võimalik ühe ööpäeva jooksul lennata Ameerikasse, osaleda kohtumistel ning õhtul koju tagasi jõuda. Kadestamisväärne aja kokkuhoid!

Kaunis, aga kulukas Concorde

Paljud lugejad mäletavad Inglise-Prantsuse lennukitootjate ühistöös valminud ülehelikiirusega lennanud reisilennukit Concorde. See projekteeriti ja ehitati 50 aastat tagasi ning oli omal ajal teaduse ja tehnika tippsaavutus. Lennuki reisikiirus ulatus 2,02 helikiiruseni (Mach 2,02) ning lennuulatus 6200 kilomeetrini. Lennuki suurimaks puuduseks oli aga suur kütusekulu. Lennukiirusel Mach 2 oli tema kütusekulu reisija/lennukilomeetri kohta 7–8 korda suurem kui seda oli näiteks Boeing 737-l. Suure kütusekulu tõttu olid ka piletihinnad kõrged.

Teiseks puuduseks oli lennuki kõrge müratase. Teatavasti tekib ülehelikiirusega lennul lennuki ette ja taha koonusekujuline lööklaine (ingl k Jet Boom ). Inimene kuuleb seda heli lennuki ülelendamisel nagu oleks tegu plahvatuse või kahuripauguga. Võib vaid ette kujutada selliste paukudega kaasnevat stressi ja paanikat praegusel terroriohtlikul ajastul. Tulenevalt eeltoodust lubati Concorde’idel lennata ülehelikiirusega üksnes mere kohal ja mitte madalamal kui 15 kilomeetrit.

Paraku, vaatamata kõigele, jäid Concorde’ide lennud ikkagi kahjumisse, sest nende lennukite reisijatega täituvus oli esimestel aastatel keskmiselt ainult 40%, hiljem, pärast reisisihtkohtade vähendamist, 60% lähedal.

Kaasaegse ülehelilennuki väljakutse: keskkonnasääst

Käesoleva projekti suurim väljakutse ei ole niivõrd maksimaalne kiirus, vaid madalama kütusekulu saavutamine reisikiirusel. Samal ajal on oluline tagada õhusõidukile ohutu maandumiskiirus s.o 230–250 km/h ning seejuures piisavalt hea stabiilsus ja juhitavus.

Projekteeritav reisilennuk vastab tänapäevase äriklassi laineri kontseptsioonile. Reisijakohti on vähem, kuid lennumugavus on reisijate jaoks kõrgeimal tasemel. Välistelt mõõtmetelt on Boom ligikaudu pool Concorde’i suurusest.

Enne reisilennuki ehitamist plaanivad konstruktorid ehitada väiksemate mõõtmetega prototüübi XB-1 Baby Boom ning sooritada esimesed testlennud juba 2018. aastal. Mõõtmete poolest oleks ta kolm korda väiksem kui tulevane reisilennuk. Prototüübi testimine võimaldaks kontrollida projekteeritud lennuomaduste vastavust tegelikkusele.

Aerodünaamika

Projekteerimise käigus on läbi viidud arvutisimulatsioonis üle 1000 tuuletunnelitesti. Selle tulemusel on leitud nii tiiva kui kere optimaalseim suurus ja kuju.

OPTIMEERITUD DELTATIIB

XB-1 tiib koosneb paljudest erinevatest, väikese kumerusega tiivaprofiilidest. Suurtel lennukiirustel on tiib suhteliselt väikese takistusega. Maandumiskiirusel aga piisavalt suure tõstejõukoefitsiendiga.

TIIVA JA KERE LIITEKOHT

Õhusõiduki projekteerimisel on rakendatud nn „Pindalade reeglit” (Area rules). Selle reegli kohaselt peab ülehelikiirusega lennukitel lainetakistuse vähendamiseks olema kere ristlõige tiiva maksimaalse paksuse kohal oluliselt väiksem kui tiiva ees ja taga. Enamus militaarlennukitest on ehitatud selle reegli järgi (nt F-16, Su-27, Mig-29 jt).

TIIVA INTEGRAALSKEEM

Tiiva esiserva ja kere esiosa vahel on kiilukujulised voolundid. Selle tulemusel arendab tõstejõudu ka osa kerest. Ülehelikiirusega lennul väheneb integraalskeemi rakendamine tõstekeskme liikumist sabapoole, samas väikestel lennukiirustel tekitavad voolundid enda taha keeristeväljad, mis mõnevõrra suurendavad tiiva tõstejõudu ja vähendavad maandumiskiirust.

NOOLEKUJULINE TAGASERV

Projekteerijate väitel vähendab tiiva noolekujuline tagaserv induktiivtakistust ning lisaks ka mürataset.

Konstruktsioon

Lennuki konstruktsioonis kasutatakse laialdaselt süsinikkiul põhinevaid komposiitmaterjale (plastikuid). Sama tugevuse juures on komposiitmaterjalidest valmistatud konstruktsioonid üle kahe korra kergemad, kui seda on alumiiniumsulamitest konstruktsioonid. Õhusõiduki väiksem lennukaal võimaldab vähendada vajalikku tiivapindala ning sellega koos ka aerodünaamilist takistust.

Komposiitmaterjalid on suhteliselt vastupidavad ka kiirel lennul kaasnevale kineetilisele soojenemisele. Arvestuslikult peaks XB-1 tiiva ja kere esiserv M 2,2 juures kuumenema kuni +174 °C.

Komposiitmaterjalide tugevus hakkab langema peale +200 °C. Concorde`i kere, mis oli valmistatud alumiiniumsulamitest, pikenes kineetilise soojenemise tõttu lennu ajal koguni 38 cm. Komposiitmaterjalide joonpaisumistegur aga on väiksem ning konstruktsioon on selle tõttu lihtsam ja kergem. Enamasti koosnevad komposiitmaterjalidest ka tänapäeva moodsaimad reisilennukid Airbus A 350 ja Boeing 787.

Küttesüsteem

XB-1 kütus, kokku 3170 kg, on jaotatud 11 eraldi paagi vahel. Mootorite kütusega varustamine tagavad kütusepumbad. Sarnaselt Concorde`ile kasutatakse ülehelikiirusega lennul kõige sabapoolsemat kütusepaaki tõstekeskme tahapoole liikumise kompenseerimiseks (mach trim).

Seega pumbatakse lennukiiruse suurenemisel osa kütust sabapaaki ja liigutatakse ka lennuki raskuskese sabapoole. Lennukiiruse vähendamisel alla helikiiruse pumbatakse aga kütus tagasi põhipaaki. Tänapäeva lennukitel toimub raskuskeskme liigutamine automaatselt koos lennukiiruse muutmisega.

MOOTORID

Testlennukile paigaldatakse kolm General Electric J85-21 turboreaktiivmootorit. Senini on seda tüüpi mootorid leidnud kasutust väiksematel reaktiivlennukitel nagu näiteks F-5F ja T-38. Üks mootor suudab arendada 2270 kg tõukejõudu, kaaludes seejuures ise 303 kg.

Kolme mootori töö tagamiseks on lennukil kaks reguleeritavat õhuvõtukanalit. Õhuvoolu kiirus tuleb enne mootori kompressorit vähendada eelhelikiiruseni. Seejärel surub 9-astmeline telgkompressor õhu kokku ja peale põlemiskambreid ületab väljalaskegaaside kiirus oluliselt helikiirust. Õhu sisselaskekanalite geomeetriat saab muuta automaatselt laias lennukiiruste diapasoonis. Stardil, kui õhkkiirus on veel väike, saab võimsuse suurendamiseks avada õhuvõtukanali allosas olevad lisaluugid. Lennu ajal on need luugid harilikult suletud. Võrreldes teiste samalaadsetega on J85-21 mootorid suhteliselt efektiivsed ja vaiksed.

JUHTIMINE Õhusõidukit saavad juhtida nii piloot kui ka vajadusel lennuinsener. Lisaks on dubleeritud elektroonilised juhtimiskanalid. Ühe kanali rikke korral lülitub automaatselt sisse teine kanal. Tüüride liigutamine toimub läbi hüdrovõimendite aktuaatorite (Power Control Unit, PCU ) abil.

Blake Scholl (Boomi asutaja): tahame inimkonda aidata

Liikudes helikiirusest 2,2 korda kiiremini, suudaks ülehelikiirusega reisilennuk katta vahemaa New Yorgist Londonisse 3 tunni ja 15 minutiga. Idufirma Boom Technology on oma hullumeelse plaani teostamiseks sõlminud partnerluse Richard Bransoni firma Virgin Galacticuga. Ühiste jõududega ehitatav ülehelikiirusel liikuv reisilennuk tuhiseks läbi taevalaotuse kiiremini kui Concorde või ükskõik milline tänapäevane kommertskasutuses õhusõiduk.

Ülehelikiirusel liikuvad lennukid töötati esmakordselt välja 20. sajandi keskel, kuid eeskirjad ja tehnoloogilised väljakutsed peatasid kontseptsiooni uuendamise ja laiema leviku. Boom Technology ja Branson kavatsevad olukorda muuta, arendades välja moodsa, ülehelikiirusel liikuva reisilennuki, mis on 2,2 korda kiirem kui heli. Selle kiirus saab olema 2335 km/h. Concorde, mis on tänaseks pensionil, liikus kiirusega kuni 2180 km/h.

„Boom kavatseb ka püstitada uue tsiviilkasutuses lennukite kiiruserekordi,“ väidab Boom asutaja ja tegevjuht Blake Scholl ühes oma blogipostituses. 2,2-kordse helikiirusega jõuaks New Yorgist Londonisse 3 tunni 15 minutiga, usub Boom. San Franciscost Tokyosse kuluks sel lennukil 5,5 tundi, Sydney ja Los Angelese vahemaa katmiseks 6 tundi 45 minutit.

„Ülehelikiirusel lennuki ehitamine ei ole lihtne, kuid see on oluline,” kirjutas Scholl. „Meile meeldivad tõsised masinaehituse- ja tehnoloogiaalased väljakutsed, kuid tegelikult on meie jaoks kõige olulisem kiiremast liikumisvõimalusest tulenev kasu inimkonnale,” kirjeldas ta idufirma kaalutlusi.

„Kommertslennureiside viimased kiiruserekordid jäävad hilistesse 1950. ja varastesse 1960. aastatesse, kui reaktiivlennukid tulid kommertskasutusse,“ ütles Scholl. Need reaktiivlennukid tegid võimalikuks „Puhkuse Hawaii’l“, lühendades 15–16-tunnised lennud 5–6-tunnisteks.

„Ülehelikiirusel kommertslendudel võib olla samasugune mõju, muutes planeedi kaugeimadki piirkonnad lihtsamini ligipääsetavateks,“ usub Scholl. „Kujutlege reisi üle Atlandi (ookeani), asjatoimetusi Euroopas, nendega ühele poole saamist ja õigeks ajaks koju jõudmist, et oma lastele head-ööd-musi anda,” kirjutab ta. „Või säästa tervelt kaks päeva edasi-tagasi reisilt Aasiasse… Kuhu tahaksite reisida, kui aeg enam ei piira? Kus äri ajada?” küsib Scholl.

Boom kogus hiljuti 33 miljonit dollarit uusi investeeringuid oma esimese ülehelikiirusel reisilennuki arendamiseks. Esimesena ehitabki firma Baby Boomi ehk täismõõtmetes Boomi prototüübi. Baby Boomi esimene proovilend on planeeritud aastaks 2018. Rahvusvahelise Lennutranspordi Assotsiatsiooni (IATA) konverentsil Muutuste tuuled (Wings of Change).

Täissuuruses Boom, mis mahutab kuni 55 reisijat, peaks katsetuste faasi jõudma aastaks 2020 ja saama Föderaalselt Lennundusametilt sertifikaadi aastaks 2023.