Olisikohan tämäntapainen artikkeli jotain mitä Karoliina kaipaa? Tämä nyt on hätäisesti äkkiä kirjoitettu jo itselläni olemassaolevan tutkimusaineiston perusteella, mutta antakaapa kommentteja. Olisiko meikäläisellä tulevaisuutta ilmailutoimittajana vai keskitynkö sittenkin vain tekniikan kehittelyyn... ;)
Lentomoottorien historiaa
Osa 1 – Höyryn voimalla
Yli sata vuotta sitten joulukuun 17. päivänä vuonna 1903, nousi Kitty Hawkissa USA:ssa ilmaan huteran oloinen kone epävakaasti keikkuen. Koneen itserakennettu moottori kävi kuumana suorituskykynsä äärirajoilla, mutta sen teho riitti pitämään koneen irti maan kamarasta 12 sekunnin ajan. Lennolle kertyi pituutta 36,6 metriä. Maailmanhistorian ensimmäinen moottoroitu lento oli suoritettu.
Kyseinen historiallinen lento, ohjaimissa Orwille Wright, tehtiin noin 9,4 m/s vastatuuleen, joten Wrightien moottori kiidätti heidän Flyeriaan eteenpäin tällä ensilennolla lähes 45 km/h ilmanopeudella. Vielä samana päivänä Wrightit lensivät vielä kolme muuta lentoa pisimmän kestäessä 59 sekuntia vieden ohjaimissa olleen Wilburin 260 metrin päähän.
Mutta olivatko Wrightit sittenkään ensimmäisiä?
Vastaus on sekä myönteinen että kielteinen. Wrightit olivat nimittäin ensimmäiset, jotka onnistuivat lentämään edes jotenkuten hallitusti ja ohjatusti moottoroidulla ilmaa raskaammalla lentolaitteella. Ennen heitä oli kuitenkin ollut useita yrittäjiä jotka olivat enemmän tai vähemmän menestyksellisesti nousseet ilmaan moottoroidulla lentokoneella.
Liitokoneita oli rakennettu ja niitä oli opittu myös ohjaamaan jo 1800-luvun lopulla Otto Lilienthalin ja Octave Chanuten toimiessa pioneereina. Myös Wrightin veljekset aloittivat liitokoneista. Mutta nimenomaan riittävän tehokkaan ja kevyen moottorin rakentaminen ja asentaminen lentokelpoiseen koneeseen oli se teko, joka sai Wrightin veljesten nimen jäämään historian kirjoihin. Tätä aikaisemmissa yrityksissä joko moottori, itse lentolaite tai kummatkaan eivät olleet lentokelpoisia.
Historia tuntee muutaman onnistuneen moottoroidun miehitetyn lentoyrityksen ilmaa raskaammilla lentolaitteilla jo ajalta ennen Wrighteja. Tässä sanalla onnistunut tarkoitetaan sitä, että kone nousi ilmaan edes hetkeksi ja että koneen lentäjä säilyi yrityksestä hengissä – kone ei siis välttämättä säilynyt edes korjauskelpoisena. Useimmiten lentoonlähtö tapahtui alamäkeen tai katapultin avustamana, jolloin käytetyn voimalaitteen osuus saavutetun hypyn pituuteen jäi kyseenalaiseksi.
Väitetään, että jo vuonna 1874 ranskalainen meriupseeri Félix Du Temple de la Croix suoritti ensimmäisen miehitetyn moottorilennon höyrykäyttöisellä koneellaan. Koneen lentoonlähtö tapahtui rinteestä, jossa koneen vauhtia kasvatettiin laskemalla alamäkeen ja jossakin vaiheessa koko komeus pomppasi ilmaan muutaman kymmenen sentin korkeuteen. Kerrotaan että hypyn jälkeen kone laskeutui jälleen maahan ja sekä kone että lentäjä säilyivät vahingoittumattomina. Du Templen käyttämästä höyrykoneesta ei ole paljoakaan tietoa, mutta väitetään että koko kone painoi ilman lentäjää vain noin 73 kg. Koska riittävän kevyttä höyrykonetta ei ollut saatavilla, Du Temple rakensi sellaisen itse veljensä kanssa.
(http://www.first-to-fly.com/History%20Images/1874dtem.jpg)
Felix Du Temple lentokoneessaan. www.first-to-fly.com/History%20Images/1874dtem.jpg
Kymmenen vuotta myöhemmin, vuonna 1884, kerrotaan venäläisen Alexander F. Mozhaiskyn, laivastoupseeri hänkin, tehneen vastaavan onnistuneen lyhyen matalan hypyn lentolaitteellaan. Hänen höyrykäyttöinen yksitasonsa kiihdytettiin vauhtiin lähtöramppia pitkin Krasnoye Selossa Pietarin lähistöllä. Koneessa oli 20 hv höyrykone käyttämässä etummaista potkuria ja toinen 10 hv höyrykone käyttämässä kahta keskellä olevaa potkuria. Koneen sanotaan lentäneen noin 30 metriä ennen iskeytymistään maahan.
(http://jan-pajak.com/cr/mozajski_1882.jpg)
Alexander F. Mozhaisky http://jan-pajak.com/cr/mozajski_1882.jpg
Kumpikaan näistä varhaisista koneista ei olisi kuitenkaan pystynyt tekemään lentoonlähtöä tasamaalta eikä ylläpitämään lentotilaa. Ne olivat kuitenkin ensimmäiset hypyt, joissa ihminen oli mukana moottoroidun lentolaitteen kyydissä.
Ensimmäinen tasamaalta tapahtunut lentoonlähtö suoritettiin lähellä Bretziä Seine-et-Marnessa Armainvilliersin linnan puistossa Ranskassa. Lokakuun 9. päivänä vuonna 1890 ranskalainen insinööri ja keksijä Clément Ader onnistui saamaan höyrykäyttöisen lepakkomaisen Eole-koneensa ilmaan tasamaalta tapahtuneen lähtökiidon jälkeen. Ader kyydissään Eole lensi 50 metriä noin parinkymmenen senttimetrin korkeudella. Tätä tapahtumaa olivat todistamassa pari Clémentin ystävää, herrat Espinosa ja Valliers.
Eolen moottorina toimi Clément Aderin itsensä rakentama 12 hevosvoiman höyrykone. Se oli nelisylinterinen kaksitoiminen kompoundimoottori ja se tuotti 12 hv pyörimisnopeudella 425 kierrosta minuutissa. Siinä oli kevytrakenteinen 1540 ohuesta putkesta koostuva höyrykattila, jota kuumennettiin spriipolttimella, sekä erillinen 1600 putkea sisältävä lauhdutin joka mahdollisti saman höyryn/vesimäärän kierrättämisen moottorissa. Vesilataus koneessa oli noin 5 kg koko höyrykoneen painaessa 70,5 kg. Moottorin ominaispaino oli siis noin 5,9 kg/hv. Eole painoi lentäjineen ja moottoreineen noin 330 kg, joten Ader oli koneineen lähellä nykyisten ultrakevyiden lentokoneiden painoja – joskin moottoritehossa nykyiset ultrakevyet vetävät selkeästi pidemmän korren.
(http://www.flyingmachines.org/eole07.jpg)
Clément Aderin Eole
(http://www.ctie.monash.edu.au/hargrave/images/eole_moteur_350.jpg)
Eolen 12 hv 4-sylinterinen höyrymoottori. Huomaa kaksi erikokoista sylinteriä päällekkäin. www.ctie.monash.edu.au/hargrave/images/eole_moteur_350.jpg
Ranskan sotaministeriö kiinnostui tästä uudesta lentolaitteesta ja se siirrettiin seuravana vuonna testejä varten Satoryn sotilastukikohtaan lähellä Versailles'ta. Eolen väitetään lentäneen vuonna 1891 eräässä testissä noin 100 metriä ennen tuhoutumistaan. Tuhoutuminen olikin väistämätöntä ennemmin tai myöhemmin, sillä Eole ei ollut ilmassa täysin ohjattavissa vaikka siinä olikin siipiä vääntävä järjestelmä koneen kallistamiseksi kääntymistä varten.
Ranskan armeija kuitenkin vakuuttui Eolesta sen verran, että tarjoutui rahoittamaan Aderin lentokokeiluja edelleen. Ader rakensikin pian toisen höyrylentokoneen, jonka hän nimesi Avion 2:ksi, mutta kone joko tuhoutui lentokokeissa tai jäi keskeneräiseksi. Armeijan rahoituksella hän rakensi vielä kolmannenkin lentokoneen, mahdollisesti Avion 2:n jäänteistä. Avion no. 3 näki päivänvalon vuonna 1897. Tässä koneessa oli peräti kaksi 20 hevosvoimaista höyrykonetta joita syötti yhteinen alkoholia polttava kattila. Ja edelleen koneen siipien välistä törrötti suurikokoinen putkijäähdytin. Kumpikin moottori käytti omaa nelilapaista vetävää potkuria. Avion 3:lla tehtiin testejä 12. ja 14. lokakuuta 1897 armeijan kenraalien ollessa silminnäkijöinä. Ensimmäisenä testipäivänä Ader rullasi koneellaan pitkin ovaalin muotoista rataa joka oli raivattu varta vasten kokeita varten ja käytti vain osaa maksimihöyrynpaineesta. Rullausjäljistä saatettiin päätellä, että kone oli noussut ajoittain ilmaan tai ainakin keventänyt huomattavasti pyörien kosketusta maahan. 14. päivän testissä tuulenpuuska tarttui Avioniin juuri sen noustessa maasta ja käänsi sen pois aiotusta kurssista, jolloin ohjaimissa ollut Ader sammutti säikähtäneenä moottorit estääkseen törmäämisen lähistön rakennelmiin. Hän olisi tosin voinut korjata suunnanmuutoksen käyttämällä potkureissa epäsymmetristä tehoa – seikka jota Ader ei keksinyt itse, vaan jonka hänelle jälkikäteen esitti koetta seuraamassa ollut armeijan kenraali. Kone kuitenkin vaurioitui toisen siiven otettua kiinni maahan.
Avion 3:n kaksi 20 hv:n moottoria painoivat yhteensä 42 kg, kattila polttimineen 60 kg ja lauhdutin 15 kg – koko voimalaitteisto yhteensä siis 117 kg. Tehoa moottorit tarjosivat yhteensä 40 hv käytettynä 10...12 barin höyrynpaineella, joten moottorin ominaispaino oli 2,9 kg/hv – varsin hyvä saavutus höyrykoneelta.
Kokeiden keskeydyttyä ikävästi koneen rikkoutumiseen Ranskan sotaministeriö vetäytyi jatkorahoituksesta eikä Clément enää rakentanut uusia koneita. Ader kuitenkin väittää lentäneensä kahden todistajan nähden koneellaan vuonna 1897 jopa 300 metrisen lennon, mutta historioitsijat ja ilmailuasiantuntijat kiistelevät yhä tästä saavutuksesta. Nykyään kuitenkin yleisesti hyväksytään vuonna 1890 tehty 50 metrinen hyppy Eolella, joten ensimmäinen moottoroitu miehitetty lentoonlähtö tasamaalta tapahtui sittenkin Euroopassa, joskin lentäjä oli tuossa yrityksessä enemmän matkustaja kuin aktiivinen ohjaaja.
Kuriositeettina mainittakoon, että vaikka lentokoneet olivatkin herra Aderin intohimo, hänet tunnetaan ehkä paremmin sahköteknisistä keksinnöistään. Hän mm. keksi herkän sähköisen mikrofonin vuonna 1879 ja myi sen edelleen Graham Bellille. Ader keksi mikrofoniensa avulla stereofonisen äänentoiston ja esitteli sitä Pariisin maailmannäyttelyssä vuonna 1881 välittämällä messuyleisölle stereofonisia esityksiä suoraan Pariisin oopperasta. Hän oli myös merkittävä puhelimen kehittelijä Ranskassa.
(http://www.ctie.monash.edu.au/hargrave/images/avion3cnam4_350.jpg)
Avion 3 näytteillä nykyään Pariisin lähellä Musee de l'Airissa Le Bourgetissa.
www.ctie.monash.edu.au/hargrave/images/avion3cnam4_350.jpg
Myös Brittein saarilla puuhasteltiin höyryn ja lentokoneiden kanssa. Englanti olikin otollista maaperää lentokokeiluille. Sir George Cayley (1773 – 1857) oli jo tehnyt hyvää pohjatyötä teoreettisilla tarkasteluillaan ja tutkimuksillaan erilaisten nostavien siipiprofiilien parissa. William Henson (1812 – 1888) ja John Stringfellow (1799 – 1883) suunnittelivat Cayleyn tutkimuksiin perustuen höyrykäyttöistä lentokonetta. He jopa perustivat Frederick Marriottin ja D.E. Colombinen kanssa maailman ensimmäisen lentoyhtiön "Aerial Transit Company" vuonna 1843 tarkoituksenaan kuljettaa suunnittelemallaan suurella höyrylentokoneella ihmisiä maanosasta toiseen. He rakensivat pienoismallin koneestaan Arielista ja jopa painattivat julisteita joissa täysikokoinen Ariel kuljetti matkustajia mm. Egyptissä, Intiassa ja Kiinassa. Henson ja Stringfellow eivät kuitenkaan saanet Arielin mallia lentämään ja hanke raukesi rahoitusvaikeuksiin. Henson menetti tämän jälkeen mielenkiintonsa ilmailuun ja muutti amerikkaan. Siellä hän patentoi myöhemmin (1847) turvapartakoneen, jossa terä oli poikittain varteen nähden - siis nykyisten Gillettejen esi-isän.
(http://www.flyingmachines.org/egypt.jpg)
Juliste jollaisia Aerial Transit Company painatti herättämään mielenkiintoa 'ilmahöyryvaunuilla' matkustamista kohtaan. Henson piti höyryvoimalla lentämistä niin realistisena mahdollisuutena että oli perustamassa maailman ensimmäistä lentoyhtiötä vuonna 1843. Suunniteltu kone ei kuitenkaan koskaan lentänyt eikä yhtiö kuljettanut ainuttakaan matkustajaa.
http://www.flyingmachines.org/egypt.jpg
Stringfellow jatkoi kuitenkin kokeilujaan yksin. Kesällä 1848 hän onnistui lennättämään rakentamaansa höyrykäyttöistä lennokkia eräässä suuressa käyttämättömässä tehdashallissa. Sisätilan hän valitsi siksi, että siellä ilma olisi täysin tyyntä ja ehdottoman häiriötöntä, sillä lennokkia ei voinut ohjata. Lennokissa oli Stringfellow'n itsensä suunnittelema ja rakentama erittäin kevyt ja pieni höyrykone. Sen sylinterin halkaisija oli vain 19 mm ja iskun pituus 51 mm. Koko lennokki painoi vain 4 kg ja sen siipien kärkiväli oli 3 metriä. Lennokki lensi vapaasti noin 10 metriä ennen kuin se törmäsi tehdashallin päätyyn pingotettuun kankaaseen joka oli laitettu sinne lennokin pysäyttämiseksi ennen seinään törmäämistä. Ensimmäinen moottoroitu lento tapahtui siis Euroopassa, mutta tosin ilman lentäjää.
(http://www.ctie.monash.edu.au/hargrave/images/stringf_3_1848_500.jpg)
Stringfellow'n lennokki, jossa hän käytti höyrykonetta, vuodelta 1848.
http://www.ctie.monash.edu.au/hargrave/images/stringf_3_1848_500.jpg
(http://www.ctie.monash.edu.au/hargrave/images/stringf_1848_scimus_350.jpg)
Stringfellow'n moottori vuodelta 1848 oli ensimmäinen lentänyt höyrykone.
http://www.ctie.monash.edu.au/hargrave/images/stringf_1848_scimus_350.jpg
Konekiväärin keksijänä paremmin tunnettu amerikkalaissyntyinen Sir Hiram Maxim oli myös intohimoisesti kiinnostunut lentävistä koneista. Hän oli myynyt asekeksintönsä 1881 Britannian armeijalle ja muuttanut sen myötä Englantiin. Nyt Maxim halusi todistaa, että moottoroitu lento ilmaa raskaammalla lentokoneella olisi mahdollista käyttäen höyrykonetta. Niinpä hän suunnitteli ja rakensi valtavan kokoisen lentokoneen johon hän asensi kaksi itse suunnittelemaansa kompoundihöyrykonetta. Höyrykoneet tai paremminkin moottorit käyttivät kumpikin omaa halkaisijaltaan 5,5 metristä potkuriaan. Kumpikin höyrymoottori kehitti erikseen 180 hv tehon kierrosluvulla 375 kierrosta minuutissa. Nestemäistä polttoainetta polttava höyrykattila kehitti täydellä teholla 22 barin höyrynpaineen. Maximin koneen kärkiväli oli 32 m, pituus 37 m ja se painoi kaikkinensa noin 3600 kg.
(http://www.ctie.monash.edu.au/hargrave/images/maxim_1894_1_750.jpg)
Hiram Maximin jättimäinen höyrykäyttöinen lentokone tukiradallaan vuonna 1894.
http://www.ctie.monash.edu.au/hargrave/images/maxim_1894_1_750.jpg
Tiistaina, heinäkuun 31. päivänä vuonna 1894, kaikki oli valmiina koetta varten. Hiram oli rakentanut konettaan varten testiradan joka muodostui kahdesta hieman maan pinnan yläpuolelle nostetusta rautakiskosta. Niiden tarkoitus oli paitsi pitää kone oikeassa suunnassa myös estää sitä nousemasta liian korkealle. Hiram näet pelkäsi, että kone voisi ilmaan noustuaan törmätä johonkin jolloin höyrykatila voisi räjähtää – koneessa kun ei ollut minkäänlaista ohjausta kontrolloitua lentoa varten. Raiteet kuitenkin sallivat koneen nousta irti maasta, sillä olihan tarkoitus osoittaa että moinen laite ylipäänsä voisi lentää. Hiram ja kaksi avustajaa olivat koneessa ja höyrynpaine nostettiin maksimiin. Kone lähti liikkeelle ja kiihtyi noin 274 metrin matkalla 64 km/h nopeuteen, jolloin se nousi irti maasta. Vain testiradan kiskot estivät sitä nousemasta vapaaseen lentoon, joka kuitenkaan tuskin olisi voinut kestää kovin pitkään koneen rakenteesta ja epästabiiliudesta johtuen. Koneen rakenteen pettäminen noin 30 metrin lennon jälkeen pakotti Hiramin sulkemaan höyryn ja koe oli ohi. Hiram Maxim oli kuitenkin todistanut, että höyrykoneen teho mahdollisti koneellisen lentämisen. Tämä oli vieläpä ensimmäinen lento, jossa oli kyydissä useampi ihminen, tässä tapauksessa 3 henkeä.
(http://www.ctie.monash.edu.au/hargrave/images/maxim_boiler_350.jpg)
Maximin koneessaan käyttämän höyrykattilan tulistinputket ja syöttöveden lämmitin.
http://www.ctie.monash.edu.au/hargrave/images/maxim_boiler_350.jpg
(http://www.first-to-fly.com/History%20Images/1892%20Maxim%20Engine.jpg)
Maxim esittelee 180 hv höyrykoneensa keveyttä. Näitä moottoreita oli hänen koneessaan kaksi kappaletta. http://www.first-to-fly.com/History%20Images/1892%20Maxim%20Engine.jpg(National Air and Space Museum, Smithsonian Institution (SI Neg. No. A-42378) ; www.centennialofflight.gov)
Mutta miksi Clément Ader tai Hiram Maxim käyttivät höyrykonetta, vaikka polttomoottori oli jo keksitty? Lenoir oli kehittänyt sylinterin sisällä tapahtuvaan palamiseen perustuvan kipinäsytytteisen hiilikaasumoottorin jo 1858 ja Nikolaus August Otto rakensi ensimmäisen 4-tahtimoottorin 1876. Miksi ilmailun pioneerit käyttivät yhä höyrykoneita? Syy oli moottoreiden painossa ja alkuaikojen polttomoottoreiden heikossa tehossa.
1800-luvun lopulla höyrykone edusti yhä silloista moottoritekniikan huippua. Höyrykoneen tekniikka ja toimintaperiaate oli tunnettu tuolloin jo pitkälti toistasataa vuotta, joten sitä oli ehditty kehitellä huomattavasti kauemmin kuin vasta keksittyä polttomoottoria. Höyrykoneen käyttämisestä oli myös runsaasti kokemusta niin maalla, merellä kuin ilmassakin, sillä niitä oli kokeiltu myös ilmalaivoissa. Sen aikaiset polttomoottorit eivät sen sijaan yksinkertaisesti olleet vielä riittävän tehokkaita tai kevyitä luotettavuudesta puhumattakaan.
Esimerkiksi Otton 4-tahtimoottorin ominaispaino oli 150 kg/hv 200 kierroksella minuutissa – vertaa tätä Clément Aderin Eolessa olleen höyrykoneen 5,9 kg/hv 425 kierroksella minuutissa saavutukseen tai Avion 3:n 2,9 kg/hv arvoon. Hyvä vertailukohta on myös Hiram Maximin koko lentolaite, joka painoi höyrykoneineen päivineen vain 10 kiloa hevosvoimaa kohden. Nykyisin suositun koululentokoneen Cessna 152 luvut ovat vastaavasti: moottoritehoa 108 hv ja maksimi lentoonlähtömassa 757 kg. Havaitaan, että Maxim pääsi koneellaan jo melko lähelle koulu-cessnan 7 kg/hv arvoa. Kuka vielä väittikään, että höyrykoneet olivat liian raskaita lentämistä ajatellen?
Toki polttomoottorien ominaispaino keveni kehityksen myötä, mutta aluksi hyvin hitaasti. Vuonna 1885 Daimlerin rakentamassa ensimmäisessä moottoripyörässä ollut 264 cm2 4-tahtimoottori antoi 0,5 hv:n tehon 700 kierroksen pyörimisnopeudella minuutissa. Tämä moottori painoi kuitenkin noin 60 kg, joten sen ominaispaino oli 120 kg/hv. Ei siis toivoakaan lentämisestä. Daimlerin nelipyöräisessä autossa seuraavana vuonna oli paranneltu moottori joka kehitti 1,1 hv 650 kierroksella minuutissa. Tämä moottori painoi 90 kg, joten sen ominaispaino oli 81,8 kg/hv. Vuonna 1888, vain 2 vuotta ennen Eolen historiallista lentoa, Benzin myyntiin valmistamassa kolmipyöräisessä autossa oli iskutilavuudeltaan 954 cm2 4-tahtimoottori joka kehitti 0,75 hv 400 kierroksella minuutissa ja painoi 110 kg. Näin ollen sen ominaispaino oli noin 147 kg/hv.
Oli siis selvää, että varhaiset kokeilijat valitsivat voimalaitteekseen mieluummin kevyemmän höyrykoneen. Mutta polttomoottorit olivat tulossa. Niiden tehot kasvoivat painon samalla pudotessa. Parissakymmenessä vuodessa Clément Aderin ja Hiram Maximin kokeilujen jälkeen polttomoottoreista oli tullut varteenotettava vaihtoehto höyrykoneille. Vuosisadan vaihteeseen mennessä ne olivat jo lyöneet itsensä läpi autoissa. Samoihin aikoihin myös lentokoneiden rakentajat käänsivät huomionsa tähän uuteen voimalaitteeseen. Niistä enemmän sarjan seuraavassa osassa.