Helibarjäär

Helibarjäär on aerodünaamiline nähtus, mis avaldub selles, et kui keha (nt lennuk, rakett, mürsk) liigub õhus suure kiirusega, mis läheneb helikiirusele (20 °C juures 343 m/s ehk 1235 km/h) või on sellest suure, tekib õhu kokkusurutavuse tõttu lööklaine ja keha aerodünaamiline takistus suureneb järsult. Keha liikumisele helikiirusega vastab Machi arv Ma = 1.

Lööklaine tekkimine ja levimine  ülehelikiirusel 

Ülehelikiirusega liikuva  õhusõiduki (lennuki ees tekib lööklaine (tegelikult võib neid lööklaineid tekkida eri osadel). Lööklaine frondil (esiküljel) surutakse õhk järsult kokku, kusjuures väga õhukeses õhukihis toimuvad hüppeliselt olulised muutused – õhu rõhk ja temperatuur kasvab järsult, kusjuures osa õhuvoolu liikumisenergiast muundub gaasi siseenergiaks,  õhuvoolu kiirus liikuva keha suhtes väheneb alahelikiiruseni.

Need muutused on seda intensiivsemad, mida suurem on õhuvoolu ülehelikiirus. Hüperhelikiirusel (Machi arv 5 või enam) tõuseb gaasi temperatuur mitme tuhande kraadini ja see võib osutuda lennuaparaadile ohtlikuks.

Lööklaine front eemaldub lennukist peaaegu koonusekujuliselt ja vastavalt väheneb ka rõhk. Kui laine front jõuab maapinnani, kuuleb seda inimene tugeva, plahvatust meenutava pauguna. See lööklaine efekt saadab ülehelikiirusega lennukit kogu aeg (mitte ainult helibarjääri ületamise hetkel, nagu vahel ekslikult arvatakse). Kohe paugu järel hakkab kostma ka lennuki  müra (varem ei saanud seda kuulda, sest lennuk lendas kiiremine kui levis heli).

Helibarjääri ulatus sõltub keha kujust. Näiteks teravaotsalise kuuli korral algab helibarjäär Machi arvust Ma = 0,8 ja ulatub suhteni Ma = 1,4.

Ajalugu 
Väljend helibarjäär tuli kasutusele teise maailmasõja ajal, kui kiireimate hävituslennukite piloodid märkasid pikeerimisel õhu kokku surumise ohtlikke mõjusid. 1950. aastate alguses olid hävituslennukid tänu uutele aerodünaamilistele lahendustele ja piisavalt võimsatele mootoritele võimelised saavutama helikiiruse ja seda ületama ka horisontaallennul.

Helibarjääri ametlik ületamine lennukiga 
Briti lennundusministeerium allkirjastas kokkuleppe Ameerika Ühendriikidega vahetama omavahel kõiki suurte kiiruste alaseid uurimistöid, teavet ja konstruktsioone. Firmale Bell Aircraft anti juurdepääs M.52 joonistele ja uurimistöödele, kuid Ühendriigid taganesid kokkuleppest ega jaganud brittidele mingit informatsiooni vastutasuks. Belli esimesel ülehelikiiruselisel rakettlennukil kasutati ikka veel traditsioonilist stabilisaatorit.

Nad utiliseerisid informatsiooni, et alustada tööd Bell X-1 kallal. Lõplik versioon mudelist Bell X-1 sarnanes disainilt Miles M.52 originaalversioonile. X-1 oli see, milles Chuck Yeagerile anti au olla esimene inimene, kes ületab helibarjääri horisontaallennul 14. oktoobril 1947, lennates kõrgusel 13,7 km. George Welch tegi vettpidava, kuid ametlikult kinnitamata väite, et ületas helibarjääri 1. oktoobril 1947, lennates XP-86 Sabrega. Ta väitis ka, et ta kordas enda ülehelikiirusega lendu 14. oktoobril 1957, 30 minutit enne Yeageri helibarjääri ületamist. Kuigi tõendid tunnistajatelt ja instrumentidelt vihjavad tugevalt, et Welch saavutas ülehelikiiruse, ei olnud lennud korralikult vaadeldud, mistõttu on need ametlikult tunnustamata. XP-86 saavutas ametlikult ülehelikiiruse 26. aprillil 1948.

14. oktoobril 1947, pisut kuu aega enne seda, kui Ameerika Ühendriikide õhuvägi (US Air Force) tehti eraldiseisvaks teenistuseks, kulmineerusid testid esimeste mehitatud ülehelikiirusel lendudega. Piloot oli õhuväekapten Charles "Chuck" Yeager õhusõidukis #46-062, mille ta ristis Glamorous Glenniks. Raketitoitega õhusõiduk lasti vabaks spetsiaalselt modifitseeritud B-29 pommiruumist ja liugles maandumisele. XS-1 lend number 50 on esimene, milles X-1 salvestas ülehelikiirusega lennu, tippkiiruseks Mach 1 (1299 km/h). Siiski, Yeager ja paljud teised personaliliikmed usuvad, et lend #49 (piloot Yeager), mis saavutas dokumenteeritud tippkiiruse Mach 0,997 (339 m/s, 1221 km/h), võis ületada Mach 1.

X-1 esialgse ülehelikiirusega lennu tulemusena otsustas National Aeronautics Association oma 1948 Collier trofee jagada kolme põhiprogrammis osaleja vahel. President Harry S. Truman autasustas Valges Majas Larry Belli õhusõiduki väljatöötamise, kapten Yeagerit piloodiks olemise ja John Stacki NACA panuse eest.

Jackie Cochran oli esimene naine, kes ületas helibarjääri 18. mail 1953 Canadair Sabre’is, Yeager tema tiivamehena.

21. augustil 1961 ületas Douglas DC-8-42 mitteametlikult Mach 1 kontrollitud pikeerimise ajal testlennul Edwardsi lennubaasis, mida vaatles ja raporteeris meeskond. Meeskonna liikmed olid William Magruder (piloot), Paul Patten (kaaspiloot), Joseph Tomich (lennuinsener) ja Richard H. Edwards (lennutestinsener). See oli esimene ülehelikiirusega lend tsiviilreisilennukil, ja ka ainuke peale Concorde'i ja Tu-144.

Helibarjäär lahti mõtestatud 
Helibarjääri läbistamiseks tehti mitmeid tehnilisi muudatusi, nagu õhukeste kaldetiibade kasutuselevõtt, piirkonnareegel (area rule), ja üha suureneva võimsusega mootorid. 1950. aastaiks suutsid paljud hävituslennukid ületada helibarjääri, kuigi tihti kannatasid selle käigus juhitavuse probleemide all. Tänapäevased õhusõidukid suudavad barjäärist läbi sõita ilma juhitavuse probleemideta.

1950. aastate lõpuks oli probleem nii hästi mõistetav, et paljud firmad hakkasid investeerima ülehelikiirusega lennukeid tootvatesse ettevõtetesse, uskudes, et see on järgmine loomulik samm lennuettevõtete evolutsioonis. Seda arengut pole aga veel toimunud. Kuigi Concorde ja Tupolev Tu-144 võeti kasutusele juba 1970. aastatel, kõrvaldati mõlemad käibelt ilma sarnaste mudelitega asendamata. Viimane Concorde’i lend toimus 2003. aastal.

Kuigi Concorde ja Tu-144 olid esimesed õhusõidukid, mis kandsid ärireisijaid ülehelikiirustel, ei olnud need esimesed kommertsõhuliinid, mis ületasid helibarjääri. 21. augustil 1961 ületas Douglas DC-8 õhubarjääri Mach 1,012 või 1240 km/h kiirusega kontrollitud pikeeringus, läbides 12 510 m. Lennu eesmärk oli koguda andmeid uue eesrindetiiva disaini kohta.

Helibarjääri ületanud langevarjurid  
Felix Baumgartner koos toetava tiimi teadlaste ja nende sponsori Red Bulliga üritas 2012. aasta oktoobris sooritada kõrgeimat langevarjuhüpet. Eesmärk oli hüpata heeliumõhupallilt 36 580 m kõrguselt ja saada esimeseks langevarjuriks, kes ületab langemisel helibarjääri. Õhkutõusmine oli planeeritud 9. oktoobril 2012, aga katkestati ebasoodsa ilma tõttu, hiljem lennati üles hoopis 14. oktoobril. Samale kuupäevale sattus ka Ameerika Ühendriikide testpiloodi Chuck Yeageri õhusõidukiga helibarjääri ületamise eduka katse 65. aastapäev.

Pärast 39 045 m maailmarekordi kõrguselt hüppamist ületas Baumgartner helibarjääri, kui liikus kiirustel kuni 1342 km/h või Mach 1,26 ning maandus edukalt New Mexico idaosas. Pärast hüpet peetud pressikonverentsil avaldati, et ta oli vabalangemises 4 minutit 18 sekundit. Teine pikim vabalangemine on Joseph Kittingeri 1960. aasta hüpe, mis kestis 4 minutit 36 sekundit.

2014. aasta oktoobris purustas Baumgartneri rekordi kõrgeimas langevarjuga hüppamises ja ületas selle käigus ka helibarjääri Google'i vanem asepresident Alan Eustace.

Vaata ka
Ülehelikiirus
Lööklaine

Viited

Välislingid 
  Vello Kala. Nähtamatu müür õhus. Selle murdmine – Tehnikamaailm, nr 5, 2008

Füüsika
Lennundus
Aerodünaamika