Sinan Şal

Askeri uçak motoru teknolojileri-1

  • Son Güncelleme: 13/06/18 17:54:43
  • 1

Milli Muharip Uçak (MMU-T-FX) Projesi’nde en önemli konulardan biri de motor. Savaş uçağına motor seçiminde nasıl bir yol izlenecek? Sinan Şal yazdı…

Sinan ŞAL

Askeri turbofan motor teknolojileri konulu yazımız 2 bölümden oluşacaktır:

1. Operasyonel motorların incelenmesi

2. Rekabetçi motor geliştirmek için gerekli olan teknolojik alanlar

Milli Muharip Uçak (MMU/TF-X) projesi kapsamında motor tasarımı ve geliştirilmesi konusunda nihai karar verilmemiş olsa da bu konuda çalışmalar ve motor üreticileri ile görüşmeler devam etmektedir. Rekabetçi motor tasarlamak zor bir iş olduğundan savaş uçağı motoru tasarımı yapan firma sayısı da Rolls-Royce, General Electric, Pratt&Whitney, Snecma, Eurojet (MTU, Rolls-Royce, Avio ve ITP şirketler birliği) ve Saturn ile sınırlıdır. Hindistan TEJAS ve AMCA olarak geliştirdiği savaş uçakları için henüz motorun tasarımını tamamlayamamış ve motoru devreye alamamıştır. Bu yüzden TEJAS için GE F-414 motoru ile devam edilmiştir.

Japonya 5. nesil X-2 Shinshin savaş uçağının platform kısmını tamamlamış olmasına rağmen operasyonel olarak devreye alamamıştır ve yakın dönemde basına yansıdığı gibi Amerika Birleşik Devletleri ile ortak geliştirme temalı bir çalışmaya başlaması şaşırtıcı olmayacaktır. Uçak motoru tasarımının uçak tasarlamaktan daha zahmetli olduğunu görmek adına bu detayları paylaştıktan sonra, operasyonel olarak hizmet veren savaş uçağı motorlarını kıyaslayacak ve MMU (TF-X) uçağımız için motor tasarımı konusunda ilerlerken motorun sahip olması gereken özelliklere de ışık tutmuş olmayı ümit ediyoruz.

Günümüzde modern savaş uçakları için düşük bypass oranlı ve art yakıcı (afterburner) kullanan turbofan motorları tercih edilir. Yüksek bypass oranlı turbofan motorlara kıyasla daha az verimli olmalarına rağmen turbojet motorlara kıyasla daha verimlidirler. İtki ihtiyacının ani olarak değişmesi, ses üstü uçuş için gerekli olan düşük giriş kesit alanı (daha az sürüklenme), daha yüksek itki/ağırlık oranı gerekliliği gibi isterlerden dolayı düşük bypass turbofan motorlar günümüz askeri uçakları için en uygun güç kaynağıdır. Düşük bypass oranı supercruise için gereklidir ve aynı zamanda motorun kompakt olması açısından da önemlidir.

Bypass oranının tanımını yapmak amacıyla aşağıda görseli bulunan F119-PW-100 motorunu ele alabiliriz. Fan çıkışında ana akış havası ikiye ayrılarak bir kısmı çekirdek olarak adlandırabileceğimiz yüksek basınç kompresörü-yanma odası-türbinler-egzoz şeklinde devam ederken, bir kısmı ise kompresör gövdesi ile dış kabuk arasından devam etmektedir. Dış kısımdan geçen hava miktarının, çekirdek kısımdan geçen hava miktarına olan oranına bypass oranı denir. Bu konuya kıyaslamamızdan sonra detaylı olarak yer vereceğiz. Düşük bypass oranlı turbofan motorlarının savaş uçağı platformuna uygun ve platform ile birlikte tasarlanması gerekir.

F119-PW-100

Motor seçiminde ve tasarımında önemli olan parametreleri; itki (kuru ve ıslık), kütlesel debi, ağırlık, motor boyutları, bypass oranı, yakıt tüketimi, maliyet, manevra kabiliyeti, supercruise özelliği, uçuş hızı (maksimum Mach sayısı da diyebiliriz), ivmelenme süresi, menzil ve motorun büyüme kapasitesi (growth capability) olarak sıralayabiliriz. Uygun bir motor seçimi yapılırken bu parametrelere, itki gibi mesela, tek başına bakmak yerine, ağırlık başına üretilen itki (thrust-to-weight) gibi bu parametrelerin birbirleri ile ilişkilerine bakılarak anlamlı kıyaslamalar yapmak daha faydalıdır.

Bu bakış açısı ile mevcut motorları kıyaslamak dünyanın bu alanda teknolojik olarak hangi noktada bulunduğunu anlamamıza olanak sağlarken, Milli Muharip Uçak (MMU/TF-X) için nasıl bir motora ihtiyaç duyulduğu konusunda okuyucuların fikir sahibi olmasını sağlayacaktır. İlk yazımızın da konusu olan operasyonel motorların incelenmesine başlayabiliriz.

*: Kuru itki

*: Kuru itki değeri gizli bilgi olduğundan paylaşılmamaktadır. Bazı kaynaklarda/forumlarda bu değer aralığı belirtilmektedir.

**: 155,7 kN sınıfında olduğu P&W web sayfasında paylaşılan bilgi olmasına rağmen net rakam paylaşılmadığından dolayı tam olarak bilinmemektedir. Bazı kaynaklarda/forumlarda 164,6 kN olduğu belirtilmektedir.

***: Gizli bilgi olmasına rağmen farklı kaynaklarda 1300 kg ve 1770 kg civarında olduğu belirtiliyor.

****: Bazı forumlarda/kaynaklarda 88,4 cm olarak belirtiliyor ve F135’den daha küçük kesit alanına sahip olduğu düşünülüyor.

*****: Gizli bilgi olmasına rağmen bazı kaynaklarda 1700 kg civarında olduğu belirtiliyor.

İTKİ/AĞIRLIK ORANI

İtki/ağırlık oranı en yüksek motorun P&W tasarımı olan F119 olduğu görülmektedir. İkinci sırada ise EJ200 bulunmaktadır. F135 ise bu karşılaştırmamızda itki/sürükleme oranı en düşük olan motordur. Tek motorlu savaş uçaklarının iki motorlu versiyonlara göre daha iyi performans göstermesinin sebeplerinden bir tanesi itki/sürükleme oranının düşük olmasıdır. Aynı teknoloji ve tasarım özelliklerine sahip iki motor kıyaslandığında, motor ölçüleri büyüdükçe sürükleme (drag) karesel olarak artarken, itki ve ağırlık kübik olarak artacaktır. Bu durumda motor ölçüleri büyüdükçe itki ve ağırlık artarken, ön kesit alanı ya da sürükleme (drag) daha az artacaktır.

F119 ile EJ200 kıyaslandığında, F119 hacimsel olarak EJ200’ün yaklaşık 2 katı olmasına rağmen itki/ağırlık oranı yalnızca %3 (itki %83, ağırlık ise %77 artmaktadır) daha iyi olmaktadır. Bu kıyaslama benzer teknoloji ve tasarım kullanıldığında daha anlamlı sonuçlar verecektir. Benzer tasarımda daha gelişmiş teknoloji kullanıldığında ise motor itkisi artmaktadır fakat bu konu motorun büyüme kabiliyeti başlığında incelenmelidir.

Bu duruma en iyi örnek ise GE F414-400 motoru ile GE F414-Enhanced Engine motorlarıdır. Aynı motor hacminde gelişmiş malzemeler ve ileri düzey soğutma teknolojisi yardımıyla %18 itki artışı sağlanmıştır. Motor tasarlanırken büyüme kabiliyeti de düşünülerek hareket edilmelidir. Daha yüksek itki isteri durumunda baştan tasarım yapmak yerine mevcut motorun kapasitesinin artışının kolaylıkla uygulanabilir olması göz önünde bulundurulmalıdır. Büyüme kabiliyetleri açısında kıyaslama yaptığımızda; EJ200 motoru için %15 olarak belirtilen oran AL-31F’de %16 iken F414 motorunda %18’dir. (GE tarafından paylaşılan bilgiye istinaden 98 kN itkiye sahip F414-400 motoru %18 artış ile 116 kN gücünde GE F414 Enhanced Engine olmaktadır).

Bypass oranı özellikle ses üstü (supersonic) performansı belirleyen bir parametre olarak da görülebilir. F414-400 ve M88’in düşük bypass oranı ses üstü performansa önem verildiğini gösterirken, F135 motorunun 0,57 olan bypass oranı motorun/uçağın özellikle ses altı (subsonic) ve ses ötesi (transonic) performansa önem verdiğini göstermektedir. F414 motorunun ise (farklı versiyonları Gripen, F-18, KF-X ve TEJAS’da kullanılmaktadır) turbojet motora daha yakın olduğu görülmektedir. Düşük bypass oranı aynı zamanda motorun itki/ağırlık oranının yüksek olmasına olanak sağlamaktadır. Supercruise özelliklerin yüksek olabilmesi için hem itki/ağırlık hem de itki/sürükleme oranlarının yüksek olması gerekmektedir ve bu durum düşük bypass oranı ile sağlanmaktadır. F119 motorunun bu amaca ne kadar uygun olduğu görülmektedir.

Düşük görünürlük genelde platformdan beklenen bir ister olsa da motor ile ilgili radar izini azaltacak önlemlerin motor tasarımı esnasında ele alınması gerekmektedir. İki örnekle konuyu daha detaylı inceleyecek olursak: ilk olarak motor çıkışındaki termal emisyonların düşük görünürlüğe uygun olması gerekmektedir. Egzoz çıkışındaki sıcak gaz karışımı ve uçak ile motor ara yüzünden atmosfere atılan hava/yağ karışımı radar izi üzerinde etkili olabilmektedir. Bu sebepten dolayı kanalı, çıkıştaki gazın sıcaklığı ve bileşimi/emisyon değeri düşük görünürlük açısından oldukça önemlidir. Egzoz gazının atmosfer havası ile karıştırılıp sonrasında atmosfere atılması bunu azaltmayı sağlayacak bir yöntemdir.

Diğer bir konu ise sıcak parçaların görünürlüğünün düşürülmesidir. Bunu sağlamak amacıyla farklı yöntemler kullanılabilir. Bunlardan bazıları:

a.       Yakıtın yanma odasına gönderilmeden önce söz konusu sıcak parçaların (egzoz nozulu) yakıt ile soğutulması,

b.       Egzoz gazı akış kanalına hareketli bir kapak vasıtası ile erişim sağlanması ve bu kapağı savaş esnasında kapatılıp sıcak akış kanalını ve sıcak motor parçalarını maskelemesi,

c.       Sıcak motor parçalarının görünümünü azaltmak/engellemek için düşük yayma özelliğine sahip malzemeler ile kaplanmış uzun bir egzoz kanalı

Yukarıdaki değerlendirmelerin dışında mekanik olarak güvenilirlik (reliability) ve bakım kolaylığı gibi parametreler de göz önünde bulundurularak göreve hazır olma süreleri de belirleyici olmaktadır.

MMU (TF-X) platformu için motor tasarımında sadece itki ve boyutlar değil, itki/ağırlık, itki/sürükleme, özgül yakıt tüketimi ve düşük görünürlük konularında platforma uygun motor tasarımının dikkate alınması gerektiğini vurgulamak faydalı olacaktır. Motor tasarımı konusunda kritik teknoloji olarak görülen düşük görünürlük (stealth) teknolojileri, yanma, ileri düzey soğutma teknolojileri, malzeme (özellikle tek kristal ve seramik matris kompozit alanlarında) teknolojileri, kaplama teknolojileri, kontrol teknolojileri (motor kontrol ünitesi: FADEC), tasarım ve analiz amaçlı yazılım geliştirilmesi ve 3 boyutlu aerodinamik tasarım konularında araştırmalar yapmak ve mühendis yetiştirmek kaçınılmaz olacaktır. Hangi teknolojik alanlara yatırım yapılacağı, TRL 1-3 (temel/uygulamalı araştırma ve konsept oluşturma) ile TRL 7-9 (operasyonel ortamda sistem prototip gösterimi ve ticari tasarımın doğrulanması)  arasında eksik kaldığımız aralığın (TRL 4-6: entegre/yarı entegre sistemin laboratuvar testleri ve prototiplerin ilgili ortamda doğrulanması) hangi alanlarda ve nasıl doldurulması gerektiği konularını yazımızın ikinci bölümde “Rekabetçi motor geliştirmek için elzem olan teknolojik alanlar” başlığı altında yakın zamanda ele alacağız.

Bu bilgilerin ışığında MMU (TF-X) motor tasarımının 5. Nesil platforma uygun olması gerektiğini ve bu uygunluğun sağlanması için hangi teknik özelliklerin motorda bulunması gerektiği konusuna biraz değinmiş olduğumuzu ümit ediyorum.

KAYNAKLAR:

1.       https://www.geaviation.com/military/engines/f414-engine

2.       https://www.geaviation.com/sites/default/files/datasheet-F414-Enhanced.pdf

3.       https://www.safran-aircraft-engines.com/military-engines/training-and-combat-aircraft/m88

4.       http://www.mtu.de/fileadmin/DE/7_News_Media/2_Media/Broschueren/Engines/EJ200.pdf

5.       https://www.geaviation.com/sites/default/files/datasheet-F414-Enhanced.pdf

6.       https://www.geaviation.com/sites/default/files/datasheet-RM12.pdf

7.       https://www.pw.utc.com/Content/F135_Engine/pdf/B-2-4_F135_SpecsChart.pdf

8.       https://flotprom.ru/industry/images/Saturn_eng.pdf

http://www.leteckemotory.cz/motory/al-31/index.php?en

 

d

 

 

Kaynak: www.kokpit.aero - ÖZEL

Facebook

Kokpit Aero

Yorum Yap