Dr. Evren ÖZŞAHİN

Dr. Evren ÖZŞAHİN

Uçuşa Elverişlilik, Günümüzün ve Geleceğin Hava Araçları

ŞEKİL DEĞİŞTİREN UÇAKLAR: Düne ve Yarına Kısa Bir Bakış

24 Temmuz 2020 - 09:10

Doğadaki uçuşu inceleyen insanlar, gökyüzüne çevirdikleri gözleri ve akıllarıyla uçma özlemine ulaşmak üzere uzun yıllarını harcamışlardır. İlk uçuşun gerçekleştirilmesini sağlayan ve görece basit sayılabilecek tasarımlar, aslında, bugün bile öğretmeye devam etmektedir. Günümüze kadar uzanan ve giderek ivmesini artıran havacılık teknolojileri, hâlâ gelişmekte ve daha basit, daha zarif, daha verimli ve daha emniyetli uçuşun peşinde koşmaktadır. Belki de hayvanların binlerce yıllık evrimin sonunda elde ettikleri mükemmelliktir hedeflenen.

Bu konudaki en büyük ilham kaynağının kuşlar olduğunu inkâr etmek mümkün değil. Çok zorlu çevresel koşullarda bile ekonomik bir keşif uçuşundan agresif bir saldırı manevrasına oldukça hassas bir yaklaşmayla geçiş yapan yırtıcı kuşların olduğunu biliyoruz. Örneğin şahinler, yüksek açıklık oranlı bir kanat konfigürasyonunda, hava akımları ve termalleri de kullanarak uzun süreler boyunca havada kalabilir ve avlarını gözlerler. Ardından, tespit ettikleri kurbanlarının bulunduğu noktaya dik ve yüksek hassasiyette bir dalış için geriye doğru ok açısı verdikleri kanatlarıyla en uygun saldırı pozisyonunu alırlar.

Dinamik hava araçları, yani uçak ve helikopterler, ağırlıklarını dengeleyerek havada kalışlarını sağlayan taşıma kuvvetini oluşturmak için sabit ya da dönel kanatlara sahiptir. Bu araçlar; yük ya da yolcu taşımacılığı, eğitim, turizm, keşif ile birlikte av, bombardıman ve çoklu roller gibi muharebenin çeşitli yönlerinde de kullanılmak üzere tasarlanır ve üretilirler. Dolayısıyla, taşımaları gereken çok farklı performans özellikleri vardır. Bu araçların hemen tamamı, kısıtlı bir göreve en uygun tasarıma sahip olacak biçimde optimize edilmiş geometrik özelliklere sahiptir. Bir uçağın geniş bir yelpazedeki uçuş şartlarında en yüksek performansı sağlayacak tasarıma sahip olması, ancak uçuş esnasında değiştirilebilecek geometrilerle mümkün olabilmektedir.

Uçuş esnasında değiştirilebilir geometrilere sahip olabilme fikri, aslında çok yeni değil. Havadan ağır bir taşıtla ilk motorlu uçuşu, 17 Aralık 1903’te, Flyer adını verdikleri uçakla gerçekleştiren Wright Kardeşler uçaklarının kontrolünü sağlamak üzere, kanadın burulma miktarının pilot tarafından değiştirilmesi yöntemini kullanmışlardı. Bugün de uçakların kontrol edilebilir olmaları için kanat ve kuyruklarında kullanılan uçuş kontrol yüzeyleri, değiştirilen geometrilerle farklı kuvvetler ve momentlerin üretilmesini amaçlamaktadır.


Flyer II (http://www.thewrightbrothers.org/fivefirstflights.html)

Özellikle, geçtiğimiz yüzyılın ortalarından itibaren artan, daha fazla paralı yükü, daha yüksek seyir hızlarında taşıma motivasyonu, daha dayanıklı uçak yapılarını gerektirmiş, ancak bu rijid yapıların istenen aerodinamik performansı sağlayacak geometrik adaptasyonu sağlamaları mümkün olmamıştır. İşte tam da bu noktada, hem çok yüksek hızlarda istenen minimum sürükleme ile ekonomik bir uçuşu mümkün kılan, hem de düşük hızlardaki uçuşlar için gerekli taşıma kuvvetini üretebilecek kamburluğu sağlayan kanatlar, şekil değiştirebilen uçak yapılarının konvansiyonel örnekleridir. Buradaki şekil değiştirme yeteneği, kanadın hücum ve firar kenarlarına eklenen ve hidrolik sistem tarafından beslenen mekanizmalarla hareket ettirilen flap ve slatlarla sınırlıdır.

Klasik anlamda, şekil değiştirebilen uçak yapılarının tek örneği flaplar ve slatlar değildir elbette. Uçakların hızları ve boyutları arttıkça, iniş takımlarının yarattığı parazit sürükleme de artmıştır. Artan sürüklemeyle birlikte, artan uçak ağırlığına cevap verebilecek dayanıma sahip iniş takımları kullanma zorunluluğu, doğal olarak menzilde ve limit hızda kısıtlamayı da beraberinde getirmiştir. Kaçınılmaz olarak, belli bir hızın üzerinde, iniş takımlarının gövde ya da kanat içine gizlenmesi, şekil değiştirebilen uçak yapılarının ilk uygulamalarındandır.

İlk uçuşunu 1931 yılında gerçekleştiren Westland Pterodactyl IV ve 1940 yılında ilk kez gökyüzüne çıkan Nikitin-Shevchenko IS-1, büyük oranda şekil değiştirebilen uçakların öncüleri olarak kabul edilirler. Pterodactyl IV ok açısını değiştirebiliyor, IS-1 ise manevra yeteneklerini artıran çift kanat konfigürasyonundan yüksek hıza uygun tek kanat formuna geçiş yapabiliyordu.



Westland Pterodactyl IV (http://www.aviastar.org/air/england/west_pterodactyl4.php



Nikitin-Shevchenko IS-1(http://www.aviastar.org/air/russia/nikitin_is-1.php)

II. Dünya Savaşı pilotlarından Charles Yeager tarafından, 14 Ekim 1947’de ilk kez ses hızının üzerine çıkılmasının ardından, 1956 yılında kurulan bir komite, sesüstü yolcu taşımacılığına giden yolun ilk adımıdır. Yolun sonunda ulaşılan hedefse, 1970’lerin ortalarından itibaren 30 yıla yakın süre gökyüzünde ihtişamla süzülen Concorde oldu. 125 gibi oldukça sınırlı sayıda yolcu kapasitesine sahip olan bu uçağın burnu, belki performans için değil, ama emniyeti artırmak amacıyla, şekil değiştirebilen uçak yapılarına bir örnek olarak, iniş ve kalkış esnasında pilotlara daha iyi bir görüş sağlayabilmek için aşağıya indiriliyordu.


Concorde (http://ucakfoto.blogspot.com/2018/06/ingiltere-ve-fransa-ortak-yapm-concorde.html)

Concorde için sesüstü ilk yolcu uçağı olma özelliğinin bulunmadığını da burada hatırlatmakta fayda var. Zira bu unvan, Concorde’dan sadece 2 ay önce ses hızını geçen Tupolev Tu-144’e ait. Ancak, 3 Haziran 1973’te, Paris Hava Şovunda geçirdiği kaza nedeniyle, Tu-144 hak ettiği ilgiyi hiç göremedi.



Tu-144 (https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/77/Tu-144.jpg)

Ses hızı ve üzerindeki uçuşların gerçekleştirilmesi konusundaki önemli gelişmelerden biri de kritik Mach sayısının artırılmasını amaçlayan ok açılı kanatlardır. Hem askerî hem de sivil uçaklarda kullanılan bu tasarımın en çarpıcı örneklerinden olan orta menzilli stratejik bombardıman, keşif ve taktik saldırı uçağı F-111 ve muadili Mig-23, değişken geometrili kanatlara sahiptir. Tasarlandığı 1960’lı yıllardan, Avustralya Hava Kuvvetlerinde emekliye ayrıldığı 2010 yılı sonuna kadar hizmette kalan F-111, hızı arttıkça kanatlarının ok açısını artırabiliyordu.




F-111 (https://en.wikipedia.org/wiki/General_Dynamics_F-111_Aardvark#/media/File:F-111A_Wing_Sweep_Sequence.jpg

Üretilmiş en hızlı bombardıman uçağı ise 1950’lerin sonlarında tasarlanan ve sadece iki adet prototipi üretilen XB-70 Valkyrie’dir. Sesin 3 katı hıza ulaşabilen bu uçağın tasarlandığı dönem, yüksek hız uçuşlarında ok açılı kanatların yerine delta kanatların kullanılması konseptinin öne çıktığı yıllardır. XB-70’in konumuz özelinde en dikkat çeken tasarım özelliği, yüksek basınçlı şok dalgalarının ilave taşıma sağlamak üzere kullanılmasıdır. Yüksek hızlarda aşağıya doğru eğilen kanat uçları, şok dalgalarının istenen ilave taşımayı yaratacak şekilde yönlendirilmesini sağlarken, aynı zamanda istikametsel kararlılığın artmasına, sürüklemenin ve burun aşağı trim ihtiyacının azaltılmasına hizmet etmektedir.


XB-70 Valkyrie (https://en.wikipedia.org/wiki/North_American_XB-70_Valkyrie)
 
Şimdiye kadar sıralanan şekil değiştirme yeteneği örnekleri, sağladıkları faydanın yanında, daha karmaşık ve ağır yapılar kullanılmasını zorunlu hale getirdiklerinden, maliyet-etkin çözümler olmanın henüz uzağındadır. Daha radikal ve büyük oranda şekil değiştirebilen uçak yapılarının hayata geçirilebilmesi için, çok disiplinli bu problemin güvenilir ve ekonomik biçimde çözülmesini sağlayacak teknolojilere ihtiyaç duyulmaktadır.

Uzun yıllardır bu konuda yapılan çalışmaların güncel örneklerinden biri de klasik firar kenarı flaplarının büyük oranda geliştirilmesine yöneliktir. Flexsys Inc. tarafından gerçekleştirilen FlexFoil isimli projede, uygun havacılık malzemelerinin elastikiyet özelliklerinden azami ölçüde faydalanılarak kanadın kamburluğu değiştirilmektedir.


FlexFoil (https://www.flxsys.com/flexfoil)
 
Klasik flaplardan farklı olarak, kanadın geri kalanından yapısal olarak ayrılmadan 40 dereceye kadar açılabilen bu flaplar, iniş ve kalkışta ihtiyaç duyulan ilave taşıma katsayısına ulaşılmasını ve böylece uçağın mümkün olan en düşük hızla iniş ve kalkışı gerçekleştirebilmesini sağlamaktadır. Aynı zamanda, kanat ucu girdaplarının neden olduğu indüklenmiş sürüklemenin azaltılmasına yönelik olarak da kanatta yeterli burulma mümkün olabilmektedir. Bu şekil değiştirmeler esnasında, mekanizma ve kontrol yüzeylerinde karşılaşılan yüklerin minimum düzeylerde olması ise önemli bir avantaj olarak öne çıkmaktadır. Amerikan Hava Kuvvetlerinin finans desteği ve NASA ile test işbirliği modeli ile Gulfstream III üzerinde de başarı ile denendiği belirtilen bu teknoloji ile çok yakın gelecekte ticarî uygulamaların başlayabileceği beklenmektedir.

Büyük oranda şekil değiştirebilen uçak yapıları ile;

  • Farklı görevlerde yüksek performansla kullanılabilecek çok amaçlı uçakların tasarlanması mümkün olacak,
  • Kumanda yüzeyi mekanizmalarına ihtiyaç azalacağı için ağırlık ve yapısal karmaşıklık asgariye inecek,
  • Bakım ihtiyaçları ve dolayısıyla uçağın yerde geçireceği süre kısalacak,
  • Sürükleme düşeceği için yakıt tasarrufu artacak, aynı zamanda egzoz gazı salınımını azalacak,
  • Hareketli kontrol yüzeyleri ile ana kanat arasında boşluk olmayacağı için gürültü seviyesi düşecektir.

Son söz olarak; şekil değiştirebilen yapıların sadece uçaklarla sınırlı kalmadığını, deniz ulaşım araçları, denizaltılar, helikopterler, insansız hava araçları, rüzgâr türbinleri ve otomobiller gibi çok geniş bir yelpazede kullanım alanı bulunduğunu da belirtmek gerekir.

Dr. Evren Özşahin

 

FACEBOOK YORUMLAR

YORUMLAR

  • 0 Yorum