Mängud lennuki tagatiiva disainiga

Lennuakadeemia arendusspetsialist ja lendur Peep Lauk arvab, et lennuki tagatiiva disaini täiustamine lubab vähendada kütusekulu üle kuue protsendi. Skeptikud ütlevad vastu, et see täiendus muudaks lennukitiiva keerulisemaks ja kallimaks, kirjutab Inseneeria kaasautor Paavo Kangur.

Lennuk koosneb kerest, tiibadest ja sabast. Kui tagatiiva disaini täiustada ja sinna sisse ehitada liikuv minitagatiib ehk miniklapp, siis võiksid lennukioperaatorid kulusid kokku hoida.

Hetkel kasutakse lennukite tagatiibasid maandumisel ja õhkutõusmisel. Kui tagatiiva geomeetriat saaks lennu ajal muuta, siis raskete reisilennukite aerodünaamika ja kütusekulu näitajad paraneksid. „Eesmärk on miniklappide abil hoida lennuki tõstejõu ja takistuse suhe kogu lennu ajal optimaalsel tasemel,“ ütleb Peep Lauk ja võtab taskust välja 3D-prinditud minikoopia leiutisest. Teatavasti on kommertslennukite kütusekulu just suurim lennu esimesel kolmandikul. „Kütuse ja reisijatega koormatud lennuk ei suuda stardijärgselt tõusta optimaalsele lennukõrgusele ning seetõttu on lennuki kütusekulu keskmisest kuni 25 protsenti suurem. Eesti Lennuakadeemias välja töötatud miniklapp aga võimaldab lennukil stardijärgselt tõusta üle 10 000 meetri ning vähendada sellega lennu esimesel kolmandikul kütusekulu lausa kuni 10 protsenti,“ võtab Lauk kokku oma leiutise olemuse.

Skeptikud ütlevad, et see täiendus muudaks lennukitiiva keerulisemaks ja kallimaks. Peep Lauk aga väidab, et nimetatud modifikatsioonid tasuvad juba kütuse kokkuhoiult ennast ära pooleteise aasta jooksul eeldusel, et lennuk lendab aastas 3000–4000 tundi.

Mõistetest ja tagatiiva disainimise ajaloost

Selleks, et jutt oleks selge, peavad mõisted olema täpsed. Flap on ingliskeelne aeronautika mõiste, mis tähendab tiiva osa, millega reguleeritakse lennuki tõstejõudu. Soomlased kasutavad mõistet laskusiiveke, mida võiks eesti keelde tõlkida kui maandumise tiivake. Eesti keeles kasutatakse mõistet tagatiib.

Lisaks tuleb mainida, et miniflapi ei tasu segamini ajada mõistega mini flap, mis tähendab inglise keeles daami väikest klapiga käekotikest.

Peep Laugi arvates lisaks asjasse selgust mõisted aircraft miniflap või cruise miniflap. Viimatinimetatu on ka taotletava patendi nimetus.

Termini miniflap võttis esimesena kasutusele sakslasest hüdro- ja aerodünaamik Joseph Mertens Aacheni Tehnikaülikoolist (TUI), kes aastatel 2002–2006 katsetas erinevaid miniflapi tüüpe purilennukitel. Terminit miniflap kasutavad aga Boeingu tehase insenerid, kes programmis CLEEN katsetasid erinevat liiki minitagatiibu lennukil Boeing 737-800. Väljend miniklapp ongi keeleline mugandus ingliskeelsest terminist. Miniklappidest on väiksemate mõõtmetega microflapid. Nende laius on ainult 0,5–1,5 protsenti tiiva laiusest. Nimetatud seadmed patenteeris Robert Liebeck 1970. aastatel kompaniis Lockheed ja neid katsetati reisilennukil L-1011. Sakslased aga katsetasid reisilennukil programmi AWIATOR raames Airbus A 340-300 mini-TED (Trailing Edge Devices). Testlendude tulemused olid samuti positiivsed. Vähenes lennuki kütusekulu ja müratase. Eesti Lennuakadeemias väljatöötatud minitagatiivad peaksid olema eeltoodutest efektiivsemad ning konstruktsioonilt töökindlamad. Seega – heal lapsel mitu nime.

Nimesid võib veelgi leida, sest kogu temaatika ulatub tagasi 1930. aastate sõjalennukite arendusse. Kõige enam meenutab Peep Laugi väljapakutu hoopis Fowler flapi, mille leiutas Harlan D. Fowler aastal 1924 ja mis jõudis tootmisse 1935. aastal pommituslennukil Martin 146. Erineb see aga tiiva ja tagatiiva vahelise pilu puudumise poolest. Sarnaseid tagatiibu on väljapakkunud ja edasi arendanud ka lennukidisainerid Arthur Gouge ja Edward F. Zaparka. Nagu teada on uus ikka äraunustatud vana.

Kuidas võiks see sobituda kaasaegsesse reisilennundusse? Tagatiivast väljalükatav lisatiivake ehk miniklapp tuleb integreerida täisautomatiseeritud lennukijuhtimise süsteemiga. See on keeruline, kuid tehniliselt siiski võimalik. Omaette küsimus on, kas tagatiiva sisse tuleks paigaldada elektrilised lineaarmootorid, mis miniklappe ehk tagatiiva laiendusi liigutaks või saaks kasutada hüdromootoreid, mis liigutavad ka Fowler tagatiibasid. Lähitulevikus on miniklappide liigutamiseks reaalseim variant siiski lineaarmootorite (aktuaatorite) kasutamine, arutleb Lauk. Airbusis tahetakse edaspidi vähendada raskete hüdraulikasüsteemide osatähtsust ning asendada need lineaarmootoritega, millel on elektro-mehhaaniline sidur.

Lauk on optimistlik

Lennuki ehitamise tehnoloogia on teinud kümne aastaga suure hüppe. Üha enam kasutatakse lennukiehituses alumiiniumi kõrval komposiitmaterjale nagu süsinikplast, kevlar, hübriidlaminaat ja on võimalik ehitada kergemaid ja tugevamaid lennukeid. Teine suund on 3D-metalliprintimine, mis võimaldab vähendada ka lennuki tühimassi. Suure tõenäosusega saaks 206 reisijale mõeldud Airbus 321neo LR-iga üle Atlandi ookeani odavamalt ja ohutumalt lennata, kui kasutada Lennuakadeemias väljatöötatud seadeldist.

„Rasked reisilennukid ei tõuse üle Atlandi ookeani lennates stardijärgselt kõrgemale kui 9000–9500 meetrit, aga kui kasutada miniklappi, siis saab olenevalt lennukitüübist tõusta kohe lennukõrgusele 10 700–11 500 meetrit. Hetkel on lennuki Airbus 350 kütusekulu ühe reisija kohta 100 kilomeetri läbimiseks ligikaudu kaks ja pool liitrit. Meie väljatöötatud tagatiiva miniklapid viiksid kütusekulu ühe reisija kohta arvestatuna 100 kilomeetrile alla kahe liitri,“ usub Lauk, kes on lasknud leiutist katsetada nii tuuletunnelis kui ka purilennukil Leedus.

„Mida väiksem on õhutakistus, seda väiksem on kütusekulu ja koormus keskkonnale. Meie arenduse puhul prognoositakse kütusekulu vähenemist umbes kuus protsenti. Airbusi arendatava A321neo LR mudeli puhul võiks kütuse kokkuhoid ulatuda aastas 860 tonnini (rahaliselt üle 600 000 euro lennuki kohta) eeldusel, et lennuk lendab aastas 4000 lennutundi,“ mainib Peep Lauk.

„Meie väljatöötatud minitagatiivad (miniklapid) sobivad kasutamiseks just suure tiiva pinnakoormusega (700–825 kg/m²) lennukitele. Näiteks Boeing 777-300 ER, Boeing 787, Airbus A 340-600, Airbus A 321neo LR jt. A321neo LR kütusekulu väheneks keskmiselt 6,4% ning sellega pikeneks maksimaalne lennuulatus 7408 kilomeetrilt 7882 kilomeetrini. Lisaks kütusekulu vähenemisele väheneb CO₂ emissioon, müratase, sest mootorid töötavad väiksema võimsusega ning edaspidi ka lennukimootorite hoolduskulud,“ lisab Lauk.

Paraku nõuavad kõik lennukitel kasutatavad seadmed tuhandetesse tundidesse ulatuvaid testtsüklite läbimist, mistõttu ei usu Lauk, et seade jõuaks seeriatootmisse enne viit aastat.

Airbus mõtleb, leedukad katsetavad

Airbus on tutvunud Lennuakadeemia ideega. Aerodünaamilisest vaatepunktist oli ettevõte Lennuakadeemia lahendusega nõus, kuid küsimusi tekkis seoses tehnoloogiliste lahendustega. Nende arvamus oli, et tiiva tagaserv võib olla liiga õhuke, mis omakorda mõjutab töökindlust.

„Meie partneriteks Airbusis on olnud Innovatsiooni osakonna juhataja Thorsten Bardewyck ja peakonstruktor Daniel Reckzeh. Aerodünaamiliste omaduste paranemisega olid nad nõus, kuid nad pidasid probleemiks miniklapi tehnoloogilisi lahendusi. Tehnoloogiliste lahenduste testimiseks ehitasime Leedus tehases „Sportine aviacia ir Ko“ toodetavale purilennukile LAK-17B uued tagatiivad, mille sees asuvad liikuvad miniklapid,“ jutustab Lauk. „Tehase huviks oli parandada nimetatud purilennuki lennuomadusi tõusvates õhuvooludes (termikas). Projekteerimisülesanne oli keeruline, sest purilennuki tiivad deformeeruvad lennu ajal palju suuremas ulatuses kui reisilennukil. Paljud metalldetailid valmistati TTÜ Pulbermetallurgia laboris Lauri Kollo juhtimisel. Tagatiivad ja miniklapid valmistati süsinikplastist (carbon fibre). Mehhanismide materjaliks kasutati duralumiiniumi marki 7075 ja 3D-laserprintimiseks roostevaba terast 316 R ja titaansulamit Ti6A14V. Uued tagatiivad on seitse protsenti kergemad, kui varem ehitatud ja märksa efektiivsemad. Testlende viib läbi tehase direktor Vytautas Maciulis (endine katselendur). Uute miniklappide kohta on vormistamisel europatent, seejärel on plaanis anda sisse ka taotlus US patendi saamiseks,“ kinnitab Lauk, kes lisaks töötamisele Lennuakadeemias on TTÜ inseneriteaduskonna doktorant ning loodab järgmisel aastal kaitsta doktorikraadi.

Hobilendur Lauk on ka varem Leedu sportlennukite katsetehasega koostööd teinud purilennukite disainimise alal. Paar aastat tagasi tutvustas ta 15-meetrise monotiivaga ehk vaidtiivaga purilennukit, millega poseeris Austraalia lennundusajakirjas.

Miniklappide katsetamisest on avaldanud artikli ka Saksa levinuim lennundusajakiri „Aerokurier“ ning „Nordic Gliding & Aviation magazine“.