f Rus ve Amerikan uçak tasarımları arasındaki fark
Kadir Doğan

Rus ve Amerikan uçak tasarımları arasındaki fark

  • Son Güncelleme: 2/07/18 19:14:29
  • 7

Uzun bir aranın ardından Aerodinamik yazı serisine sınır tabaka teorisi ile devam ediyorum. İlkyazımda akışkanları tanımlamış, newtonyen ve non-newtonyen akışkanlara değinmiş ve kısaca laminer ve türbülanslı akışlardan, Navier-Stokes denklemlerinden bahsetmiştim. O yazıma buradan [http://www.kokpit.aero/ucaklarin-matematigi-var-mi?writer=27 ] ulaşabilirsiniz. Bir sonraki yazımda ise bir hava aracının tasarımındaki en kritik parametrelerden olan Kanat yüklemesi ve İtki-Ağırlık oranlarından söz etmiş, Akış rejimlerine değinmiştim. O yazıya da buradan [http://www.kokpit.aero/kadir-dogan-aerodinamik-matematik-2?writer=27] ulaşabilirsiniz. Bu yazımda ise önceki ilk iki yazıda belirttiğim tüm verilerin toplandığı, aerodinamikteki hem temel dayanak teşkil eden hem de şimdiye kadar hiçbir şekilde tam anlamıyla modellenememiş olan bir teoriye yani Sınır Tabaka teorisine değinmek istiyorum.

Sınır Tabaka oluşumunun kanat profili üzerinde gösterimi

Sınır tabaka, bir akışkanın, akışkan olmayan (viskoz) bir yüzey ile temas ettiği zaman, viskoz kuvvetler neticesinde ortaya çıkan gerilmelerin oluşturduğu tabakaya verilen isimdir. Sınır tabaka, akışkanların ve akışkan olmayan maddelerin birlikte olduğu her yerde yani evrenin her yerinde gözlemlenebilir. Bir türbin, lüle, kompresör, uçak veya içerisinde akışın olduğu pet şişe, soda veya kola şişesinde olduğu gibi her yerde sınır tabaka ile karşılaşmamız mümkündür. Aslında biz fark etsek de etmesek de sınır tabaka evrenin her yerinde bizimle birliktedir. Havada hareket eden futbol topunda bile sınır tabaka gözlemlenebilir.

2014 Dünya Kupası topu üzerinde yapılan Rüzgâr tüneli testi ve sınır tabaka oluşumu: 

Sınır tabaka ilk olarak Alman Ludwig Prandtl ile gündeme gelmiştir. Prandtl, ilk olarak 1904 yılındaki Uluslararası Matematikçiler Kongresinde yayınladığı “Çok küçük viskozitedeki akışkanların hareketi” başlıklı yayınında sınır tabakanın varlığından söz etmiştir. Tarihe dönüp baktığınızda o günden beri teknoloji, eksponansiyel bir hızda gelişmiştir ancak sınır tabaka konusunda, özellikle türbülans, istenilen gelişme bir türlü kaydedilememiştir. Bunun en temel sebebi ise bazı olayları modelleyebilmek için yeterli şartları asla sağlayamamış olmamızdan kaynaklanmaktadır. Bu olayların başında da türbülans gelmektedir.

Sınır tabaka konusunda şimdiye kadar başta Avrupalı, Amerikalı ve Rus matematikçilerin yaptığı çalışmalar sonucunda bazı noktalarda birbirilerinden ayrılmaktadır. Özellikle doğu ve batı medeniyetleri arasında birçok noktada olduğu gibi sınır tabaka konusunda da farklı görüşlerin ortaya çıkması bizlere günümüzdeki hava araçlarında bile karşımıza çıkmaktadır. Özellikle günümüzde Rus ve Amerikan hava araçları arasındaki aerodinamik tasarımların farklılığını bu yaklaşımlar belirlemektedir. Bu yaklaşımların nasıl böylesine farklılıklar doğurduğunu tartışacağız ancak önce sınır tabakların fiziksel ve matematiksel yapısına göz atmamız gerekiyor.

Sınır tabaka dediğimiz gibi en nihayetinde viskoz kuvvetler (akışkanın akmasına direnç gösteren kuvvetler) nedeniyle oluşmaktadır ve akışkanın olduğu her yerde gözlemlenebilir. Genel olarak sınır tabaka üç farklı ana bölge veya yapıdan meydana gelmektedir. Bu bölgeler Laminer Bölge, Geçiş Bölgesi-Noktası ve Türbülanslı bölgedir. Bu bölgelerin ne zaman oluştuğunu ise bize daha önceki yazılarımda belirttiğim Reynolds sayısı söylemektedir. Kısaca hatırlatmak gerekirse Reynolds sayısı, atalet kuvvetlerinin viskoz kuvvetlere oranıdır. Atalet kuvvetleri bir cismin harekete karşı gösterdiği direnç kuvvetleridir. Viskoz kuvvetler ise bir akışkanın akmaya karşı gösterdiği direnç kuvvetleridir. Yapılan belli kabuller neticesinde belli Reynolds sayılarında akış, türbülanslı, laminer veya geçiş yapıyor olabilir. Örneğin bir boru içerisinde 30.000 Reynolds da akışın türbülansa geçtiği kabul edilirken, düz bir zemin için bu sayı 1.000.000 Reynoldsa ulaşmaktadır. Burada belirtilen 30.000 Reynolds sayısına ulaşıldığı zaman geçiş bölgesinde bulunan akış türbülansa geçmeye başlar ve bu Reynolds sayısına “Kritik Reynolds Sayısı” denir. Şimdi de yukarıdan tanımlanan bölgelerden bahsedelim.

SINIR TABAKANIN ŞEMATİK GÖSTERİMİ

Laminer Bölge: Laminer bölge akışkanın düzgün bir şekilde hareket ettiği, modellemesi daha kolay olan, Genelleştirilmiş Navier-Stokes denklemleri {Newton’un 2. Yasası olan F=m*a(Kuvvet=Kütle*ivme) temeline dayanan ve akışkanların hareketlerini açıklamada kullanılan denklem} ile açıklanabilecek, akışkanın genel hareket kanunlarına görece uyan bölgedir. Laminer bölge bir akış da mühendisin en çok olmasını istediği şey olarak tanımlanabilir çünkü baş belası değildir. Kolayca modellenebilir. Laminer bölge aerodinamikçiler için adeta “Alice harikalar diyarıdır.” Alice harikalar diyarı gibi laminer bölge de gerçek olamayacak kadar güzeldir, bulunmaz bir nimettir. Günümüzde kullandığımız birçok mühendislik ürünü, isterler doğrultusunda genellikle laminer bölge içerisinde hareket etmez. Resim 1 deki şematikte görüldüğü gibi Laminer bölgede akışkanın hız vektörleri düzgün bir şekilde hareket etmektedirler. Yüzeye yakın olan kısımda bile bu durum neredeyse aynıdır.

Geçiş Bölgesi veya Noktası: Geçiş noktası veya bölgesi akışın laminerden türbülansa geçtiği andır.  Bir akışın laminerden türbülansa geçmesi birçok faktöre bağlıdır. Bu faktörler:

•             Cismin Hızı

•             Geometrisi

•             Yüzey Pürüzlülüğü

•             Yüzeyi oluşturan malzemenin mekanik ve fiziksel yapısı

•             Atmosfer koşulları (Hava şartları)

Başlıca bilinen faktörler olarak sayılabilir ancak birçok bilinen ve bilinmeyen faktör de bulunmaktadır. Yukarıda saydığımız ve daha sayamadığımız faktörlerden bir tanesi veya birkaç tanesi bir araya geldiği zaman öncelikle akış, cismin yüzeyinden ayrılmaya başlar. Bu ayrılmanın temel sebebi akışkanın, yüzey üzerinde oluşturduğu ters basınç gradyanları ile ilgilidir. Gradyan kavramına kısaca değinmek gerekirse de Gradyan, matematiksel uzayda belli bir yöndeki artış veya azalışı temsil etmek için kullanılan diferansiyel bir operatördür. Şimdi bu olaya bir açıklık getirelim.

Kanat Profili üzerine etki eden basınç gradyanları

Uçuşun temel prensibini, Bernoulli prensibi,  bundan önceki yazılarımda sizlere açıklamaya çalışmıştım. Kısaca üzerinden geçecek olursak, akışkanın hızının basınç ile ters orantılı olduğunu ve kanat profili üzerinde profilin geometrisinden dolayı akan havanın hızlı, altında akan havanın görece daha yavaş olduğunu belirtmiştik. Kanat profilinin altında akan hava yavaş olduğu için basıncı yüksek, kanat profilinin üzerinde akan hava hızlı olduğu için basıncı düşük olacaktır. Akışkanların hareketlerinde yüksek basınçtan alçak basınca doğru hareket etme isteği olduğu için kaldırma kuvveti oluşmaya başlayacaktır.

Yukarıda bahsettiğimiz olayları göz önüne alarak şimdi farklı bir yaklaşım yapalım. Kanat profili üzerinde bahsettiğimiz şekilde bir akış var ve bu da kaldırma kuvvetini doğuruyor ancak bazı durumlarda bu olay çok daha farklı da işleyebilir. Resim 2 de belirtildiği gibi kanat üzerindeki basınçlar genellikle basınç gradyanları ile ifade edilir.  Bu basınç gradyanları katı yüzey üzerinde basıncın farklı yönlerde oluşabileceğini bizlere göstermektedir. Bu yön değişimi birçok parametreye bağlıdır. Katı yüzeyin, bu örnekte kanat profili, geometrisi, serbest hava akışı ile yaptığı açı, yüzey pürüzlülüğü, malzeme yapısı vs. gibi etkenler bu oluşumu tetiklemektedir. Yukarıda yazdığım faktörlerden en çok karşımıza çıkan ise serbest hava akışı ile katı yüzeyin, kanat profili,  yaptığı açıdır. Bu açıya “Hücum Açısı” denir. Bu açı belli bir noktaya kadar akış için pozitif etki yaparken, belli bir noktadan sonra negatif etki yapmaya başlamaktadır. Hücum açısı arttıkça akışkan üzerine etki eden akışın hızı üst yüzeyde artmaya başlayacak ve basınç farkı artacak dolayısıyla da kaldırma kuvveti artacaktır ancak belli bir noktaya kadar.

Farklı hücum açılarında kanat profili üzerindeki akışın davranışı

Resim 4 de üç farklı hücum açısı için kanat profili üzerindeki hava akışı gösterilmiştir. 6 derece hücum açısındaki kanat profili üzerinde akışta henüz ayrılma meydana gelmemiş, akış düzgün ve genellikle laminer bir şekilde hareket etmektedir.

15 derece hücum açısına geldiğimiz zaman akış da ayrılma başlamış ve stall durumu meydana gelmektedir. Stall durumu basit bir tabirle ayrılmanın başladığı açı olarak belirtilebilir. Stall açısında akışkan üzerinde etki eden kaldırma kuvveti maksimuma ulaşır ve bu noktadan sonra kaldırma kuvvetinde şiddetli bir düşüş, sürükleme kuvvetinde ise şiddetli bir artış meydana gelir.

25 derecedeki şekle baktığımızda ise artık akışta ayrılma çoktan gerçekleşmiş ve sonucunda türbülans oluşumu başlamış, kaldırma kuvveti düşmüş ve sürükleme kuvveti artmıştır. Bunun sonucunda hava aracı şiddetli bir şekilde düşmeye başlar. Kanat üzerinde ayrılmanın başlaması ile birlikte laminer bölgeden türbülanslı bir bölgeye geçiş olmaya başlar. Bu geçiş durumu hala insanoğlu için bir bilinmezlik ile doludur. Bu durumu tam anlamıyla modellemek insanoğlunun şimdiye kadarki bilgi ve tecrübeleri ile çözebileceği bir durum değildir. Şimdiye kadar yapılan çalışmalarda bu geçişin kimi zaman noktasal olarak kimi zaman ise bölgesel olarak gerçekleştiğine dair bulgular mevcuttur. Matematikçilerin birbirinden ayrıldıkları noktada burasıdır. Bazı matematikçiler geçişin bir bölge üzerinde olduğunu iddia ederken, bazıları da bunun bir nokta üzerinde gerçekleştiğini söylemektedir.

KANAT PROFİLİ ÜZERİNDE SINIR TABAKANIN DEĞİŞİMİ:

 Kanat Profili üzerinde sınır tabaka gösterimi ve geçiş noktası

Özellikle batı ve doğu medeniyetlerindeki matematikçiler arasında da bu ayrımın görülmesi oldukça tabiidir. Rus ve Amerikan hava araçları arasında göze çarpmayacak kadar küçük ancak performansı çok derinden etkileyen farklılıklardan bir tanesi de bu durumdur. A.M. Mkhitarian gibi bazı Rus aerodinamikçiler özellikle geçişin bir nokta üzerinde gerçekleştiğini söylerken, birçok Amerikalı ve Avrupalı aerodinamikçi ise bir bölge üzerinde gerçekleştiğini ispat etmeye çalışmaktadır.

Peki, bu farklılık bir hava aracının tasarımını nasıl etkiler? Şimdi yazının en başından bu zamana kadar anlattığımız her şeyi göz önünde bulunduralım. Öncelikle şunu belirtmekte yarar olduğunu düşünüyorum. Bir hava aracının kalbi kanat profilidir. İlk önce bir uçağın tasarımına başlanırken isterler belirlendikten sonra yapılacak ilk iş kanat profili seçimi ve kanat tasarımıdır. Kanat ve dolayısıyla kanat profilinin doğrudan veya dolaylı olarak etkilediği parametreler uçuş mekaniğini ve performansını etkiler. Kanat profili tasarımları uzun yıllar boyunca yapılan deneysel ve nümerik çözümler sonucunda ortaya çıkmıştır. Özellikle batı medeniyeti başta NACA (NASA’nın eski ismi) ve Wright kardeşler tarafından yapılan çalışmalar sonucunda, Prandtl gibi batılı matematikçilerin yaptıkları çalışmalara dayanarak ortaya çıkarılan kanat profillerini kullanmaktadır. Rusların hava araçlarında kullandığı kanat profilleri hiçbir zaman açıklanmasa da Zhukovsky ve Mkhitarian gibi bilim insanlarının yaptığı temellere dayanarak ortaya çıkan kanat profilleri olduğu bilinmektedir.

Peki, sınır tabaka üzerinde akışın laminerden türbülansa geçerken bir bölge üzerinde mi geçtiği yoksa bir nokta üzerinde mi geçtiği bir hava aracının tasarımını nasıl etkiler? Şöyle açıklayalım, Kanat profilinin tasarımı sırasında başlıca önemli olan bazı parametreler mevcuttur. Resim 6 da gösterildiği gibi bu parametrelere kamburluk oranı, kalınlık oranı, maksimum kamburluk noktası ve maksimum kalınlık noktası örnek gösterilebilir.

Kanat Profili terminolojisi

Ayrılmanın nasıl başladığını anlatırken de söz ettiğimiz gibi temel sebeplerden bir tanesi kanat profilinin geometrik yapısıdır. Bernoulli prensibinden bahsederken vurguladığım gibi kaldırma kuvvetini oluşturan temel faktör profilin üst kısmındaki havanın, alt tarafa göre çok daha hızlı hareket etmesidir. Daha hızlı hareket etmesinin sebebi ise profilin üst kısmının genellikle alt kısma göre daha kamburlu bir yapıda veya havanın daha hızlı akmasına sebep olacak bir yapıda olmasından kaynaklanmaktadır. İşte ayrılma da tam da bu kamburun olduğu noktada başlar. Yani kamburluk oranı ve maksimum kamburluk yeri geçiş noktası veya geçiş bölgesine göre belirlenir. Eğer geçişin bir noktada olacağını kabul edersek ona göre maksimum kamburluk noktasını normalden biraz daha geriye almamız uygun olacaktır. Ancak eğer geçişin bir bölgede olacağını düşünüyorsak bu böyle olmaz ve bu seçeneklerden bir tanesinin seçilip ona göre kanat profili seçilmesi ile birlikte hava aracının tüm aerodinamik yapısı, uçuş mekaniği ve performansı değişmiş olur.

Şimdiye kadar uzun uzadıya anlattığım sınır tabaka konusunda laminer bölge ve geçiş bölgesi-noktası üzerinde durdum. Türbülanslı bölge kendi başına bir yazıyı hatta bir kitabı hak ettiği için sonraki yazımda da türbülanslı bölgeden bahsedeceğim.

Yeri gelmişken bu yazılar ile dikkat çekmek istediğim bir husus da mevcut. Ülkemiz son yıllarda havacılıkta çok ciddi kazanımlar elde ediyor ve çok ciddi projeler yapmaya başlıyor. Özellikle TF-X (Milli Muharip Uçak) projesi başta olmak üzere yapılması planlanan birçok hava aracı için ülkemiz birçok mühendise ihtiyaç duyuyor. Özellikle aerodinamik, aeroakustik ve aeroelastisite gibi alanlarda ülkemizdeki üniversitelerde eğitim verilecek düzeyde bir altyapının bulunmaması bu gibi alanlarda çalışacak ciddi bir mühendis eksikliği ortaya çıkarıyor. Dünyanın birçok gelişmiş ülkesinde bulunan akışkanlar mekaniği ve aerodinamik gibi kritik alanlarda çalışan enstitü ve kuruluşların ülkemizde henüz bulunmaması da bu konuda çalışmak isteyenler için ciddi bir engel oluşturuyor.

Ben Kocaeli Üniversitesinde Makine Mühendisliği okuyan bir öğrenci olarak bu yazdığım yazılar ile en azından bir bilinç oluşturmayı, elimizde olan veya olmayan tüm imkânlarla birlikte bireysel olarak çalışarak yukarıda bahsettiğim alanlarda uzmanlaşılabileceğini en azından o seviyeye yaklaşılabileceğini anlatma gayreti içerisindeyim. Çünkü içinde bulunduğumuz sosyal ve siyasal şartlar göz önüne alındığı takdirde ülkemizin ve devletimizin biz gençlere hiç olmadığı kadar ihtiyacı var.

Bu vesile ile siz değerli okurlarıma teşekkür ederim. Hatam oldu ise şimdiden af ola. Her türlü yorum düşünce ve eleştirinizi bekliyorum.

Referanslar:

1.            Aircraft Design: A Conceptual Approach, Daniel P. Raymer

2.            Aircraft Performace and Design, J.D. Anderson

3.            Aerodinamika, A.M. Mkhitarian

4.            Boundary Layer Theory, Hermann Schlichting

 

Kaynak: www.kokpit.aero

Kokpit Aero

Yorum Yap