Kadir Doğan

Uçakların Matematiği: Aerodinamik 2

  • Son Güncelleme: 21/03/18 20:45:50
  • 9

Bir önceki yazımda Aerodinamik den söz etmiş, Akışkan türleri, Akış Rejimleri, Reynolds sayısı gibi bazı çok önemli noktalara değinmiştim. O yazımla ilgili birçok olumlu geri dönüş aldım ve bu tipteki yazılara devam etmeye karar verdim. Bu nedenle tüm okuyucularıma şükranlarımı sunarım.  Henüz okumadıysanız, buradan bir önceki yazıma ulaşabilirsiniz.

Bu yazıda ilk yazıda bahsettiğim konuları biraz daha genişletecek, detaylandıracak ve Aerodinamik açısından bizim için çok önemli olan birkaç parametreye değineceğim. Bilinmelidir ki bu bahsedeceğimiz parametreler -ki özellikle iki tanesi- bir hava aracının tasarımında çok önemli rol oynamaktadırlar.

Öncelikle Sese bağlı akış Rejimlerini sıralayacağız fakat bundan önce bir tanım yapmamız gerekmekte. Bu tanım "Mach" Sayısına ait. Mach sayısı, bizim için en az Reynolds sayısı kadar önemli bir boyutsuz büyüklüktür. Mach sayısı, hareket halindeki bir cismin hızının, ses hızına oranıdır ve Avusturyalı fizikçi Ernst Mach  tarafından bulunmuştur.

Ses hızı, bilindiği üzere sabit değildir. Sıcaklık ve basınç gibi birçok farklı parametreye bağlıdır. Bu parametrelerden birisi olan sıcaklık da bilindiği gibi dünya atmosferi içerisinde deniz seviyesine göre yükseklik artışı ile azalır. Bu nedenle irtifa arttıkça ses hızı da azalır.  Deniz seviyesinde, Normal şartlarda 1 Mach= 340 m/s'ye eşit iken, daha yükseklere çıkıldığı zaman, daha düşük değerler alır.

Bu durum hava aracının karakteristiğini doğrudan etkilemektedir. Birçok hava aracı tasarım sürecinde belli servis irtifalarına uygun olarak tasarlanır. Bu irtifaların üstünde veya altında seyir edilmesi ise verimlilik açısından ciddi bir problem oluşturmaktadır. Bu problemlerin başında birçok kişinin bildiği üzere “Sonik Patlamalar” gelmektedir.

Ses Hızına bağlı Akış Rejimleri ( Ses Hızı Skalası)

Subsonik: Subsonik, 0-0.8 Mach arasındaki hızlara verilen isimdir. Bu Seviyelerde akış genel olarak düzgün ve normal şartlarda Laminerdir. Sivil havacılık için kullanılan uçaklar ve İnsansız Hava Araçları gibi keşif gözlem, taktik/stratejik amaçlar için kullanılan tüm hava araçları bu servis hızı aralığında seyir etmektedirler.

Transonik: Transonik, 0.8-1.2 Mach arasındaki hızlara verilen isimdir. Bu seviyelerde, sonik patlamalar gerçekleşir. Sonik Patlamalar birçok hava aracında gözlemlenen ve bu konunun meraklıları için muazzam bir doğa olayı olarak tarif edilmektedir. Sonik patlamalara sebep olan durum ise doğa olaylarından biraz daha farklıdır. Sonik Patlamaların oluşumunun temel esası Mach sayısına yani ses hızına dayanmaktadır. Bu patlamaların ortaya çıkış sebebini açıklamak için biraz daha derine inmemiz gerekmektedir.

 Bir katı cisim, havada hareket halinde iken, kazandığı hız, havanın yani serbest akışın hızı ile standart şartlarda eşittir. Fakat katı yüzeyin yüzey pürüzlülüğü ve dolayısıyla uluşan kayma gerilmeleri/kesme kuvvetleri gibi sebepler nedeniyle standart koşullar sağlanmaz ve katı cismin her yerinde aynı hız gözlemlenemez. Bu durum cismin geometrisi, hızı, irtifası, ortam koşulları gibi birçok bileşen ile doğrudan ilgilidir. Hava partikülleri, cismin bazı noktalarında daha hızlı akarken, serbest akış yani hava akışı, cisimden bazen daha hızlı hareket eder. İşte bu noktadaki hıza "Kritik Mach Sayısı" denir.

Kritik Mach sayısına ulaşıldığı zaman katı yüzeyin üzerindeki hava partikülleri, katı yüzeyden daha hızlı hareket etmeye başlar ve önce hava partikülleri kendi arasında karışmaya daha sonra da bu karışma sebebiyle şok dalgaları ortaya çıkmaya başlar.  Bu nedenle akış anormal derecede dengesiz ve genelde Türbülanslıdır. Oluşan türbülans ve şok dalgaları sebebi ile hava aracında ciddi bir sürtünme/sürükleme kuvveti oluşur ve bu sebeple araç üzerinde ciddi bir enerji kaybı gözlenir. Bu tarz uçaklara birçok F-86 gibi birçok savaş uçağı örnek verilebilir.

Delta Kanatlı Uçaklardaki Girdap sebebiyle oluşan kaldırma kuvveti

Türbülans ve şok dalgaları birçok hava aracı için belli şartlar altında enerji kaybına sebep olur ve istenmeyen bir durum olarak kabul edilir ancak genel kanının aksine türbülans bazı durumlarda o hava aracı için bir avantaja dönüşebilir. Mirage 2000 ve Mig-21 gibi “Delta Kanatlı Uçaklar” bu dezavantajı, avantaja dönüştürmeyi başarmaktadırlar. Peki, bu nasıl olabilir?

Şimdi bir önceki yazıya geri dönelim. Uçuşun genel prensibi olarak söylediğimiz bernoulli prensibinde, kanat profilinin geometrisi sebebiyle, kanadın üzerinden akan havanın, kanadın altından havadan daha hızlı olduğunu ve kanadın altında yüksek basınç gradyanları, kanadın üzerinde ise düşük basınç gradyanları oluştuğunu ve havanın yüksek basınçtan alçak basınca hareket etmek istediğini söylemiştik.

Delta kanatlı uçaklarda, yüksek hücum açılarında, türbülans sebebiyle kanat yüzeyinde oluşan girdaplar (Vortex) sebebiyle kanadın üst yüzeyinde hava çok daha hızlı ve düşük basınçlarda hareket etmektedir. Kanat profilinin üst ve alt yüzeylerindeki basınç farkı bu sebep ile daha fazla artmakta ve bu sebeple daha fazla kaldırma kuvveti oluşmaktadır.

Klasik kanat yapısına sahip uçaklarda bu durumun gerçekleşmemesinin temel sebebi kanat yüzey alanlarının, Girdap sebebiyle oluşan kaldırma kuvvetini (Controlled Vortex Lift) oluşturmaya yetecek kadar büyük olmaması sebebiyle oluşmaktadır.

Türbülans Sebebiyle oluşan Kaldırma Kuvveti Artışı

Süpersonik: Süpersonik, 1.2-5 Mach arasındaki hızlara verilen isimdir. Bu seviyelerde akış laminer ve türbülanslı olarak gözlemlenebilir. Sonik patlama sonrasında ulaşılan bu akış rejiminde sürükleme kuvveti katsayısında (Cd) ciddi bir düşüş gözlemlenmektedir. Sürükleme kuvvetine karşı, kaldırma kuvvetinde de bir miktar düşüş gözlenir ama genellikle kaldırma kuvvetindeki düşüş daha düşüktür. Bu hızlarda uzun süre boyunca hareket etmek, oluşan enerji kaybı ve uçağa etki eden kesme kuvveti sebebiyle oluşan malzeme deformasyonu malzemenin ömrünü azaltmakta, maliyet acısından süpersonik hızları elverişsiz kılmaktadır. Bu tarz uçaklara F-16 örnek verilebilir.

Hipersonik: Hipersonik, 5 Mach ve üzerindeki hızlara verilen isimdir. Bu şekildeki uçaklar genel olarak deney amaçlı yapılmıştır. Süpersonik hızlarda saydığımız sebepler ötürü ile ciddi bir maliyet oluşturduğu için günümüz teknolojisinde kullanımı elverişsizdir. North American X-15 bu tipteki uçaklara örnek verilebilir.

İki Çok Önemli Parametre

Sıra şimdi, yazının başında belirttiğim ve altını çizerek tasarım aşamasında çok önemli olduğunu belirttiğim iki parametreye geldi. Bu parametreler itki/ağırlık oranı (T/W) ve kanat yüklemesidir (W/S). Bir hava aracının tasarımındaki hayati öneme sahip bu parametreler uçağın karakteristiğini direkt olarak etkilemektedir. Bir aerodinamik tasarım mühendisi, hava aracının tasarımına başlarken yani kavramsal tasarım sürecinde, bu iki kilit parametre üzerinden, tahmini verileri kullanarak isterlere uygun olarak bir ürün tasarımına başlar.

Bu parametrelerin kavramsal tasarım sürecinde uygun olarak seçilmemesi ise hava aracının karakteristiklerine çok ciddi sonuçları olabilmektedir. Örnek vermek gerekirse, kanat yüklemesi eğer ilk olarak çok düşük esas alınırsa, yani büyük bir kanat çizilirse, yakıt tankı ve tekerlekleri koyacak yer bulmada sorun yaşanmaz. Ancak, ilerleyen aşamalarda eğer daha yüksek bir kanat yüklemesine yani daha küçük bir kanata gereksinim duyduğunuz ortaya çıkarsa -ki bu olursa tüm tasarıma yeniden başlamanız gerekebilir-, bu durumda tekerler ve yakıt tankını gövdeye monte etmeniz gerekir. Buda hava ile etkileşime giren alanı artıracağından, sürükleme kuvveti, dolayısıyla enerji kaybının artması ile sonuçlanır ki hava araçları için en önemli isterlerden bir tanesi verimliliktir.

Bu parametreleri asıl önemli yapan nokta ise birçok farklı uçuş mekaniği ve uçuş performansı verileri ile doğrudan ilgili olmasıdır. Örnek verecek olursak eğer kısa bir kalkış mesafesi istiyorsanız, büyük bir kanat yani düşük kanat yüklemesi (W/S) ve ona göre daha küçük bir motor yani düşük itki/ağırlık oranı(T/W) gerekir. Bu küçük motor, uçağın yavaş hızlanmasına sebep olur ancak ağırlık az olduğu için,  yerde iken ortalama bir hıza ulaşılırsa kısa kalkış yapabilir.

BAZI HAVA ARAÇLARINA AİT TAHMİNİ T/W ORANLARI

Diğer yandan, Kısa bir kalkışı tam tersi özelliklerle de sağlayabiliriz. Küçük bir kanat, (Yüksek W/S) ve büyük bir motor (yüksek T/W) ile sağlayabiliriz. Bu durumda, Uçak yerde iken yüksek bir hıza ulaşması gerekir. Bu noktada büyük motor, bize hızlı bir şekilde ivme kazandırır. Bu örnekten de anlaşılacağı gibi isterler, hava aracının tasarımında kilit bir rol oynamaktadır.

Yine benzer bir örnek olarak jet motoru tarafından oluşturulan itkinin, uçak ağırlığına oranı (T/W) yüksek ise uçak çok daha çabuk hızlanacak, daha çabuk tırmanışa (climb) geçecek, daha yüksek hıza ulaşacak ve bu nedenle it dalaşı (Dog fighting) sırasında daha yüksek manevra kabiliyetine sahip olabilecektir. Bununla birlikte yüksek T/W oranı sonucunda oluşan hızlarda malzeme üzerine etki eden kuvvetler daha yüksek olacağı için oluşan gerilmeler yine malzemenin ömründe azalmaya sebep olmaktadır. Bu örnekler sonucunda asıl anlatılmak istenen nokta ise mühendislikte tek bir doğru olmadığıdır.  Fiziğin temel esaslarından olan Newton’un 3. Kanunu yani “etki-tepki” kanunun da bizlere anlatmaya çalıştığı gibi mühendislik yaklaşımlarında her şeyin bir bedeli vardır.

Bu parametrelerin önemli olmasının sebeplerinden bir tanesi de yine efektif olarak kullanılmalarının zor olmasından kaynaklanmasıdır. Örneğin, T/W oranı uçuş sırasında sabit değildir. Bunun hem itki hem de ağırlık boyutu vardır. İtki boyutuna bakarsak, motor her zaman aynı itkiyi sağlamaz. Hava her zaman motora aynı doğrultuda, şiddet de girmez. Buda itkinin değişken olmasına sebep olur. Ağırlık açısından bakacaksak, en temelde uçak uçarken ağırlık değişir. Bu değişimin en basit sebebi olarak "yakıtın yanması" gösterilebilir. Uçak hareket halindeyken yakıt harcar ve yakıt miktarı bu nedenle azalır. Buda uçak ağırlığını direkt azaltan bir unsurdur.  Eğer bu bir savaş uçağı ise faydalı yük ( Payload) yani füze, bomba vs. gibi ürünler kullanıldığı takdirde ağırlık yine azalacaktır. Bu da T/W oranını anlık olarak değiştirir ve performans kaybına yol açabilir. Tasarım sürecinde mühendislerin yapması gereken, bu oranı mümkün olduğunca ideal düzeylerde tutmaktadır.

Bazı uçak Türlerine Ait Kanat Yüklemeleri

Wing Loading yani "Kanat Yüklemesi" ise, Uçağın yüklü ağırlığının, kanat alanına bölümüne verilen isimdir. Kanat Yüklemesi bize, Stall Hız, Tırmanma Oranı (Climb Rate), kalkış ve iniş mesafeleri ve dönüş performansı gibi birçok konuda fikir verir.

Yarasalardaki Kanat yüklemesi

Şimdi konuyu daha farklı bir şekilde ele alalım. Yukarıdaki şekilde yarasaların bazı parametrelere göre özellikleri gösterilmektedir. Yukarıdaki şeklin, X ekseni kanat yüklemesi(W/S), Y ekseni ise en/boy oranı(Aspect Ratio) olarak tanımlanmaktadır.

Yukarıdaki şeklin sağ ekseninde görüldüğü gibi kanat yüklemesi arttıkça, yani kanatları küçüldükçe arttıkça yarasaların hızları artmaktadır. Şeklin sol eksenine baktığımız zaman, kanat yüklemesi azaldıkça, yani kanatları büyüdükçe hızları azalmaktadır.

Bu ilk bakışta size çok garip gelebilir. Yazının başında delta kanatlardan söz ederken kullandığımız “Vortex Lift” kavramı, kanatlı hayvanların uçuş mekaniğini oluşturmaktadır. Yarasalar, bilindiği gibi kanatlarını çırparak oluşturdukları hava akımı (girdap/vortex) ile havada kalırlar. Kanatlı hayvanlar için ne kadar büyük kanatları varsa, havada kalmak için yine o kadar çok havayı hareket ettirmelerine yani daha çok enerji tüketmelerine sebep olmaktadır. Buda ivmelenmeyi zorlaştırmaktadır.

Bu yazı serisinde şimdiye kadar bahsedilen terimler ve kelimeleri yeterince açıklamak daha önceden de söz ettiğim gibi bu kadar kısıtlı kelimeler ile pek mümkün görünmemektedir ancak en azından okurlar üzerinde günlük hayatta karşılaştıkları bazı olayları daha anlamlı kılmak ve bu konuda ortaya çıkan yeni fikirlere ışık olabilme şansı bile oldukça yeterli bir sebeptir. Bu yazı serisinden edinilen bilgiler doğrultusunda benim de yararlandığım kaynakları takip ederek, ciddi bir yetkinliğe ulaşmamak için hiçbir sebep bulunmamaktadır.

Kadir Doğan

Kaynakça:

  1.  Aircraft Design: A Conceptual Approach by Daniel. P. Raymer
  2. Aircraft Performance and Design by J.D. Anderson
  3. Aerodinamika by A.M. Mkhitarian
  4. Fundamentals of Aerodynamic by J.D. Anderson

 

 

Kaynak: www.kokpit.aero

Facebook

Kokpit Aero

Yorum Yap