Hava Uzay Yapılarında Kompozit Malzeme Kullanımı
Malzeme bilimi, her endüstri için ama özellikle de havacılık endüstrisi için kritik öneme sahiptir. En çok malzeme araştırması ve yatırımı yapılan endüstrilerden biri de yine havacılık endüstrisidir. Bunun sebebi temelde çok basittir. Hava araçları üzerlerine etkiyen yerçekimi kuvvetine (ağırlığa) yine kendi üzerlerinde bulunan taşıma elemanları (uçaklarda kanat, uzay araçlarında roket motoru) ile karşı koymak durumundadır. Gelin bu hava araçlarının üzerlerine etkiyen yerçekimi kuvvetine, yani ağırlığa yakından bakalım.
Bir hava aracının ağırlığı dörde bölünür: Yapısal ağırlık, faydalı yük ağırlığı (ticari uçaklarda yolcu/kargo, askeri uçaklarda mühimmat), motor ağırlığı ve yakıt ağırlığı. Bütün havacılık projelerinde ağırlıkla ilgili temel amaç aynıdır: Yapısal ağırlığı, motor ağırlığını ve yakıt ağırlığını minimize ederek, maksimum değerde faydalı yük taşıyabilmek. Yakıt ağırlığı motorun verimine ve genel itki ihtiyacına (ağırlıkla doğru orantılı) bağlı olarak düşürülebilir, ancak yapısal ve motor ağırlığını düşürecek başlıca etken hava aracının ve motorun üretildiği malzemedir. Bu malzemenin hem yeterince sağlam/güvenli olması, ki havacılıkta ilk şart budur, hem olabildiğince hafif olması, hem de olabildiğince ucuz ve kolay üretilebilir olması gerekmektedir. İşte bu yüzden malzeme bilimi havacılıkta çok önemli ve üzerine çokça Ar-Ge yapılan bir alandır.
Havacılıkta kullanılan kompozit malzemeler ise sağlamlık/hafiflik ekseninde en iyi sonuçları veren malzemelerden biri olarak öne çıkarlar. Peki tam olarak nedir bu kompozit malzemeler?
Birbirinden farklı fiziksel özelliklere sahip iki veya daha fazla malzemenin belirli yöntemlerle birleştirilmesiyle üretilen ve bu malzemelerden daha gelişmiş özelliklere sahip olan yeni malzeme kompozit malzeme olarak tanımlanır.
Kompozit malzemeler genelde iki farklı katmandan oluşur; taşıyıcı görev üstlenen takviye malzemesi (reinforcement), ve bu malzemeyi bir arada tutup destekleyen matris.
Aslında kompozit malzemeler oldukça yaygındır. Örneğin günümüzde çoğu binada taşıyıcı elemanların yapımında kullanılan betonarme, en yaygın insan yapımı kompozit malzemedir. Betonun kendisi yapıyı bir arada tutup destekleyen matris kısmıyken, içinde bulunan çelik çubuklar binanın yükünü taşıyan takviye malzemesi olarak görev yaparlar.
Hava-uzay yapılarında kullanılan kompozitlerin pek çok avantajı ve birtakım dezavantajları vardır.
Başlıca Avantajları:
- Geleneksel malzemelere göre çok hafiflerdir.
- Yorulma dayanımı yüksektir. (Fatigue Resistance)
- Yanma direnci yüksektir.
- Korozyon dayanımı yüksektir.
- Karmaşık şekillerde üretilebilirler.
- Büyük parçalar halinde üretilebilirler.
- Son iki avantajın bir sonucu olarak parça ve bağlantı noktalarının sayısını azaltırlar. Böylece bağlantı noktalarındaki mukavemet kaybı ve ekstra ağırlık sorunu çözülmüş olur.
Başlıca Dezavantajları:
- Geleneksel malzemelerden daha pahalıdırlar.
- Dayanım özellikleri her yönde eşit değildir. Takviye malzemesinin yerleştirilme yönlerine bağlıdır.
- Bazı durumlarda bakımı daha zordur.
- Malzemenin kalitesi üretimin kalitesine bağlıdır. Standart bir kalite yoktur.
Kompozit malzemelerin dezavantajları, avantajlarının çok daha tatmin edici olmasından dolayı tolere edilebilir. Bu sebeplerden dolayı günümüzde çoğu firma kompozit malzemeleri sık sık tercih eder.
Havacılıkta kullanılan başlıca kompozit türleri şunlardır:
1-CFRP (Carbon-fibre reinforced polymer)
CFRP, yaygın kullanılan kompozitlerden biridir. Polimer matris fazının içinde karbon-fiber takviye malzemesi bulunur. Yeni nesil yolcu uçaklarında kanatlarda, gövde, kuyruk, kontrol yüzeylerinde ve kapılarda kullanılmaktadır. İnsansız hava araçlarında da oldukça fazla kullanır.
CFRP uzay araçlarında en çok kullanılan kompozitlerden biridir. Sağlamlık/ağırlık oranı ve geniş bir sıcaklık aralığında termal dengesini koruması yönleriyle bu için en iyi adaylardandır. Uzay araçlarında kaplamalarda, kumandalı taşıyıcı kollarda, anten reflektörlerinde, güneş paneli teçhizatında, optik platformlarda kullanır. Ayrıca son zamanlarda uzay aracının ana yapı elemanlarında da kullanılıyor.
2- GFRP (Glass-fibre reinforced polymer)
CFRP gibi yaygın bir türdür. Polimer matris fazının içinde cam-fiber takviye malzemesi bulunur. CFRP ile birlikte yolcu uçaklarında kanatlarda, kanat gövde birleşim yerlerinde ve anten kapağında kullanılır. Endüstride İlk olarak füzelerin anten kapaklarında kullanılmıştır. Çelikle birleştirildiğinde elde edilen malzeme olan Glare uçak gövdelerinin bazı bölümlerinde kullanılır. (Airbus A380 de olduğu gibi)
Uzay araçlarında bazı anten reflektörlerinde ve ısıl yalıtımın önemli olduğu yerlerde kullanılır.
3-Sandviç Yapılı Kompozitler
Bu tür kompozitler aslında alışılmış kompozitlerden biraz farklı bir yapıdadır. İki ince ve hafif panel arasına dikine yerleştirilmiş ince ve hafif, genelde bal peteği deseninde birleştirilmiş malzeme ile oluşur. Genel yoğunluğu oldukça düşük olduğu için oldukça hafiftir, buna rağmen mükemmel bir bükülme direncine sahiptir. Dayanım performansı düşmeden kolayca tamir edilebilir.
Uçaklarda genelde panellerde kullanılır, bazı uçaklarda flaplarda da kullanılır (B747).
Bunların yanında bazı özel tür kompozitler de vardır. Örneğin elastik hafızalı kompozit (elastic memory composite).
Elastik hafızalı kompozit, belirli koşullarda bükülebilir/katlanabilir, uygun koşullar sağlandığında ise tekrar eski şeklini alabilir. Örneğin hava sıcakken bükülebilir ve hava soğuduğu zaman tekrar eski halini alabilir.
Bu tür kompozitin çeşitli kullanım alanları vardır. Özellikle uzay araçlarında kısıtlı alanlara daha verimli paketleme yapılmasını sağlar. Bir örneği Uluslararası Uzay İstasyonunda bulunur. Katlanabilir bir güneş paneli, elastik hafızalı kompozit sayesinde açılır ve kurulur. Bu teknoloji, fırlatmada ve kurulumda oldukça fazla yer tasarrufu sağlamıştır.
Kompozit Malzeme Kullanılan Uçaklar
Günümüzde ağırlıkça yarısından fazlası kompozit malzemelerden oluşan uçaklar bulunmaktadır. Bunlardan en bilinenleri Boeing 787 ve Airbus A350 uçaklarıdır.
Kompozit malzemeler uçak yapılarında son yıllarda göz önüne çıkmış olsa da 1980'li yıllarda üretilen Airbus A320 uçağının ağırlıkça %15'i kompozitti ve sadece kuyrukta kullanılan kompozitler 800 kg ağırlık tasarrufu sağlıyordu.
Daha sonraları, 2005 yılında çıkan dünyanın en büyük yolcu uçağı Airbus A380 ise %20'si kompozitten oluşan bir uçaktır. Sadece kanatların bağlandığı merkez tankta (wing box) kullanılan kompozit (CFRP) sayesinde bile 1.5 tona yakın ağırlık tasarrufu sağlanmıştır.
Bundan 3 yıl sonra 2008'de ise Boeing 787 ile %50 ve daha fazlası kompozitten oluşan, hafif ve yüksek verimli, uzun menzilli uçaklar iyice piyasada yerini sağlamlaştırmaya başlamıştır. Bu uçaklardan en son çıkanı (2013) Airbus A350 ise %53 oranında kompozit malzemeden imal edilmiştir.
Ayrıca günümüzde çoğu uçağın iç döşemelerinin/panellerinin tamamına yakını yüksek yangın direnci özelliğinden dolayı kompozit malzemeden oluşmaktadır.
Kompozit malzemeler, üstün özelliklerinden dolayı gittikçe yaygınlaşmaya devam ediyorlar. Hala gelişmekte olan kompozit malzeme sektörü inanılmaz bir potansiyel barındırıyor.
Yararlanılan Kaynaklar
Ulas, A., O., Kaya, E., B., Sezdi, I., (2019), Benefits of composite materials in aerospace industry.