FLIGHT101 — UÇUŞUN TEMEL PRENSİPLERİ
“Havadan daha ağır bir nesnenin uçması mümkün değildir.” Lord Kelvin tarafından söylenmiş olan bu tarihi gaf, şu anda hepimizin “Mümkündür!!!” nidalarıyla karşılayacağı, bilimsel geçerliliğini yitirmiş bir söz haline gelmiştir. Sınır Tabaka Teorisi (Boundary Layer Theory)’nin keşfi ve tarihin ilk kanat profilinin icat edilmesinden bu yana Hesaplamalı Akışkanlar Mekaniği (CFD) teknikleri öylesine gelişmiştir ki, devasa ağırlıklardaki ve boyutlardaki uçaklar çok yüksek itki (thrust) sağlayabilen motorlar sayesinde çok kolay ve aerodinamik açıdan kararlı bir şekilde uçabilir hale gelmiştir. Peki bu devasa sistemlerin her gün on binlercesi havada nasıl güvenli bir şekilde uçmakta hiç merak ettiniz mi? Eğer cevabınız kocaman bir “EVET” ise hadi şimdi sayfayı biraz aşağı kaydıralım ve havacılığın gizemli teknik dünyasına giriş yaparak “nasıl uçtuğumuzu” öğrenelim.
UÇUŞUN TEMEL PRENSİPLERİ
Atmosfer içindeki bir hava taşıtının uçmasını sağlayan ve hava taşıtının her bir noktasına etkiyerek vektörel ve nicel (büyüklük) olarak sürekli değişkenlik gösteren sayısız kuvvet bulunur. Ancak temel aerodinamik performans hesaplamalarında ve teknik eğitimlerde başlangıç olarak 4 temel kuvvet ele alınır. Bu dört temel kuvvet;
- Thrust (İtki — F)
- Drag (Sürüklenme — D)
- Lift (Kaldırma — L)
- Weight (Ağırlık — W)
olarak adlandırılır. Atmosfer içinde uçmakta olan bir uçak, sürekli olarak bu dört temel kuvvet etkisinde kalır.
Peki bu kuvvetlerin anlamları nelerdir? Bu kuvvetler uçağa nasıl etki etmekte ve uçağın performansını nasıl etkilemektedir?
Thrust (İtki — F): İtki, uçağın itki sağlamakla görevli olan güç ünitesi (motorları) tarafından üretilen ve uçuş boyunca uçağın hareket doğrultusuna paralel olup uçağın hareketinden sorumlu olan en önemli temel kuvvettir.
Drag (Sürüklenme — D): Sürüklenme kuvveti, uçağın hava akışına karşı gösterdiği direnç ya da başka bir deyişle, hava içinde maruz kaldığı sürtünme kuvvetinden dolayı meydana gelen dirençtir. Uçaklarda sürüklenme kuvveti uçağın fiziksel yapısı (geometrisi) tarafından oluşturulur ve uçağın itki yönüne zıt yöndedir. Atmosfer içinde uçan her uçağa, ya da genelleyecek olursak eğer, herhangi bir akışkan içinde hareket eden her cisme ortam akışkanıyla maruz kaldığı sürtünmeden dolayı bir drag force (sürüklenme kuvveti) etki eder.
Lift (Kaldırma — L): Kaldırma kuvveti, uçağın dikey eksende yükselmesini sağlayan kuvvettir. Uçaklarda kaldırma kuvveti, kanat profili (Airfoil) tarafından oluşturulur. Kanat profillerine ve kanat profillerinin uçuş performansı üzerindeki etkisine bu yazımın devamında detaylı olarak değineceğim.
Weight (Ağırlık — W): Şimdi lise yıllarımıza gidelim ve Fizik derslerinde hepimizin görmüş olduğu dünyaca ünlü Kütleçekim Yasası’nı hatırlayalım:
Yukarıdaki bağıntıyı tek cisim için indirgeyecek olursak;
Bu bağıntıyı elde ederiz. Burada G kütleçekim sabitiyken M cismimizin kütlesi, r ise cismin merkezi ile çekim kaynağının merkezi arasındaki uzaklıktır. Şapkalı r ise “birim vektör” olarak adlandırılır. Büyüklüğümüz vektörel bir büyüklük olduğu ve -y ekseninde (aşağı yönlü) etkidiği için de eksi değer alır. Bu bağıntıyla elde ettiğimiz sonuç olan g değerine ise “yerçekimi ivmesi” adı verilir. Yerçekimi ivmesi gezegenlere ve hatta gezegenler üzerindeki belirli noktalara göre değişiklik göstermekle birlikte Dünya için deniz seviyesindeki standart yerçekimi ivmesi yaklaşık olarak 9,81 m/s² alınır.
Cisimler uzayda belirli bir hacim kaplar ve belirli bir kütleye sahiptir. Sahip oldukları kütle m ile gösterilecek olursa cisme yerçekimi ivmesinden dolayı etkiyen ağırlık kuvvetini bulmak için şu bağıntıyla karşılaşırız:
Yukarıdaki bağıntı, bir cisme etkiyen ağırlık kuvvetini göstermektedir. Ağırlık kuvveti kaldırma kuvveti L’ye daima zıt ve negatif yönlü, vektörel bir büyüklüktür.
Uçaklarda ağırlık kuvvetinin en önemli kaynakları uçağın yapısal ağırlığı ve yakıt ve faydalı yükler eklendikten sonraki ağırlıklarıdır. Ağırlık konusuna “Uçaklarda Ağırlık ve Denge” isimli bir yazımda detaylı olarak ayrıca değineceğim.
Bir uçağa uçuş boyunca etkiyen 4 temel kuvveti gördüğümüze göre şimdi bir uçağın güvenli bir şekilde uçmasını sağlayan en önemli uçak komponentleri (bileşenleri) olan “Kontrol Yüzeyleri” ve “Taşıyıcı Sistemler”i inceleyelim.
KONTROL YÜZEYLERİ
Bir uçağın güvenli bir şekilde uçabilmesi için yatay ve dikey eksendeki manevraları etkili bir şekilde yapabilmesi gerekir. Uçakların yatay ve dikey manevralar yapabilmesini sağlayan mekanizmalara “Kontrol Yüzeyleri” adı verilir.
Bir uçakta temel olarak 3 adet kontrol yüzeyi bulunur. Bunlar Rudder (Dümen), Aileron (Eleron) ve Elevator (İrtifa Dümeni) kanatçıklarıdır.
Rudder (Dümen): Uçağın yatay eksendeki “Yaw” hareketinden sorumludur. Rudder sayesinde uçak herhangi bir yatma açısına (Bank Angle) gerek duymadan yatay eksende, tıpkı bir geminin su üzerindeki dönüşü gibi, dönüş manevrası yapabilir.
Aileron (Eleron): Uçağın yatay eksendeki “Roll” hareketinden sorumludur. Aileron’un Rudder’dan en önemli işlevsel farkı, Rudder ile dönüşlerde yatma açısı sıfıra yakınken Aileron yatma açısını kullanarak yatay manevrayı gerçekleştirir.
Elevator (İrtifa Dümeni): Uçağın dikey eksendeki “Pitch” (Yunuslama) hareketinden sorumludur. Yukarı ve aşağı manevralarla hücum açısını (Angle of Attack — AoA) ayarlayıp uçağa dikey yönde yön vererek uçağın yükselme (climbing) ve alçalma (descent) gibi görevleri yerine getirmesini sağlar.
Uçuş eksenlerini yukarıda verilen hareket çeşitlerine göre sıralamak istersek uçuş boyunca uçağın 3 adet hareket eksenine sahip olduğunu görürüz. Bu hareket eksenleri Lateral Axis (Pitch), Vertical Axis (Yaw) ve Longitudinal Axis (Roll) eksenleridir.
TAŞIYICI SİSTEMLER
KANAT
Kanat tasarımı, uçağın taşıyıcı sistem tasarımının temelini oluşturur. Uçağın uçuş fonksiyonunu yerine getirebilmesini sağlayan en temel aerodinamik komponent olan kanat, düşey ve yatay kuyruk yüzeyleri ile ilk olarak 1799'da George Cayley tarafından düşünülmüştür.
Şimdi, filmi biraz daha geriye saralım ve aerodinamik biliminin teorik temellerinin atıldığı yıllara gidelim.
Modern aerodinamik biliminin kökleri Isaac Newton’a kadar uzanmaktadır. Newton, ikinci kitabı Principia’yı tamamen akışkanlar mekaniğine ayırmıştır. Ancak Newton, teorik aerodinamik üzerine yaptığı çalışmalarda bazı noktalara yeterli yaklaşımlar geliştirememiştir.
Ancak Newton’un bu çalışması, aerodinamik araştırmaları için yalnızca bir başlangıçtır. Takvim yaprakları 1904 yılını gösterdiğinde Alman fizikçi Ludwig Prandtl Heidelberg’de “Uber Flussigkeitsbewegung bei sehr kleiner Reibung” isimli makalesini yayınladı. Bu makalesiyle birlikte günümüzün modern aerodinamik yaklaşımlarının temeli olan “Sınır Tabaka Teorisi” (Boundary Layer Theory) ortaya çıkmış oldu. Sınır Tabaka Teorisi, Prandtl’ın “Aerodinamiğin babası” olarak tanınmasını sağladı (Başka bir yazımda Sınır Tabaka Teorisi’nden detaylı olarak bahsedeceğim).
Uçak kanadı, Sınır Tabaka Teorisi’nin zorunlu kıldığı taşıyıcı özellik şartlarını sağlayabilmesi amacıyla damlacık (damla profil) şeklinde tasarlanır. Aerodinamik açıdan önemli avantaj sağlayan damlacık yapısı tasarımı, akışkanlar mekaniğinin temel prensiplerinin yerine getirilmesi açısından zorunludur. Damlacık tasarımı temel alınarak her uçak için uygun spesifikasyonlarda (teknik özelliklerde) özel olarak tasarlanan kanat ara kesitlerine “Kanat Profili” (Airfoil) adı verilir.
Uçak kanatlarının geometrisi uçuş rejimine (düşük hız, yüksek hız, süpersonik (ses üstü) hızlar gibi) bağlı olmakla birlikte görünümlerinin ve kesit geometrilerinin bazı tipik özellikleri vardır.
Tipik bir kanat profili temelde chord line (kiriş veya veter çizgisi), camber line (kavis veya kamburluk eğrisi), leading edge (hücum kenarı) ve trailing edge (firar kenarı) kısımlarından meydana gelir.
Kanat profillerinin uçuş doğrultusuna göre en önde bulunan noktalarına “hücum kenarı” (leading edge), en arkadaki noktalarına ise “firar kenarı” (trailing edge) adı verilir. Aerodinamik taşımanın kalitesi açısından firar kenarının sivri olması önemlidir.
Bir uçak kanadına iki kanat bir arada olacak şekilde üstten bakıldığında bir uçtan diğer uca uzaklığa “kanat açıklığı” (wingspan) denir. Kanadın ara kesitinin, yani kanat profilinin genişliğine ise “veter uzunluğu” (chord length) adı verilir. Veter uzunluğu, “hücum kenarı ve firar kenarı arasındaki doğrusal uzaklık” olarak da tanımlanabilir. Hücum ve firar kenarlarından geçen ve veter uzunluğunu oluşturan doğruya ise “veter çizgisi” (chord line) denir. Kanadın en uç noktasındaki veter çizgisine “uç veteri” denirken kanadın gövde ile birleştiği noktada bulunan vetere ise “kök veteri” adı verilir. Kanat açıklığı ile veter uzunluğunun çarpımı kanat yüzey alanını (wing area) verir.
Uçak kanatları basık özellik gösterir. Kanatların basıklıkları, kanat profillerinin kalınlık oranı (thickness ratio) ile ölçülür.
Bir kanat profilinin kalınlığı hücum kenarında sıfır değerinden başlayarak veter boyunca değişir. Firar kenarında ise yine teorik olarak sıfıra gider veya sıfıra yaklaşır. Kalınlığın veter boyunca aldığı en büyük değere maksimum kalınlık (maximum thickness) ve bu kalınlığa erişilen noktaya ise maksimum kalınlık noktası konumu (point of maximum thickness) adı verilir.
Kalınlık oranı, kanat profilinin maksimum kalınlığının veter uzunluğuna oranıdır.
Kanat profilinin veter boyunca üst ve alt yüzeyleri arasındaki bütün orta noktalarını birleştiren eğri kamburluk eğrisi (camber line) olarak adlandırılır. Veter boyunca herhangi bir noktadaki kamburluk eğrisinin veter çizgisine olan dikey uzaklığına kamburluk (camber), bu kamburluklardan en büyüğüne maksimum kamburluk (maximum camber) ve maksimum kamburluğun görüldüğü veter konumuna da maksimum kamburluk noktası konumu (point of maximum camber) denir.
Bazı kanat profilleri veter çizgisine göre simetrik iken bazıları simetrik değildir. Simetrik olmayan kanat profillerine kamburlu kanat profili (cambered airfoil) denir. Kamburluk kaldırma kuvvetini artıran bir özellik gösterdiğinden dolayı uygulamada tasarlanan kanat profillerinin neredeyse tamamı kamburlu kanat profilidir.
PİLOTLARIN KORKULU RÜYASI: AKIM AYRILMASI VE KANAT GÜCÜNÜN ANİ KAYBI (STALL)
Uçuş sırasında kanat profilinin uçağın uçmasında temel rolü olduğundan bahsetmiştik. Kanat profili uçuş sırasında hava akımının kanadın üstünden ve altından geçmesini sağlar. Kanadın etrafındaki bu hareketli hava akımının hızı kanadın üstünde yüksekken kanadın alt kısmında ise düşüktür. Akışkanların hızı arttıkça basınçlarının azalması prensibinden dolayı da hava akımı kanadın üstünde düşük basınç alanı, altında ise yüksek basınç alanı oluşturur. Bernoulli prensibi adı verilen bu durum kanat profiline, uçağın uçması için gerekli olan kaldırma kuvvetini sağlar.
Uçuşun güvenli bir şekilde devam edebilmesi için, hücum kenarında ayrılarak kanadın üstünden ve altından geçen akım çizgilerinin laminer (düz) bir şekilde kanat yüzeylerinden geçip kanadın firar kenarında tekrar birleşmesi ve birbirine paralel bir duruma gelmesi gerekir. Yüksek hücum açılarında veya düşük hızlarda ise akım çizgilerinin laminerlikten uzaklaşarak türbülanslı (girdaplı) bir duruma geçtiği ve akım çizgilerinin firar kenarında birbirinden ayrıldığı görülür. Bu durumda havada tutunma kaybı yaşanır ve bu durum uçağın, tıpkı yüksekten bırakılan bir taş gibi düşey doğrultuda hızla irtifa kaybetmesine sebep olur. Stall (Perdövites) adı verilen bu durum, günümüze kadar gerçekleşmiş ölümcül uçak kazalarının en önemli sebeplerinden biridir.
FLAPLAR VE SLATLAR
Bir uçak, normal şartlar altında en düşük uçuş hızlarıyla kalkış ve iniş sırasında karşılaşır. Bu iki uçuş periyodu, uçuş güvenliği açısından kritik öneme sahiptir.
Sabit irtifadaki düzgün bir uçuşta bir uçağın uçabileceği en düşük hız “tutunma kaybı hızı”, yani Stall hızıdır. Bu nedenle güvenli bir uçuş için, uçağın Stall hızını olabildiğince minimize edecek aerodinamik yöntemler ve tasarımlar hayati önem taşır.
Bir kanat profilinin taşıma özellikleri, kanat profilinin etrafındaki akımın özelliğine bağlıdır. Kanat profilinin etrafındaki akımın gösterdiği fiziksel özellikler de kanat profilinin tasarımıyla doğrudan ilişkilidir. Dolayısıyla, mevcut bir kanat profilinin taşıma özellikleri “yapay” yüksek taşıma gereçleri kullanılarak önemli miktarda geliştirilebilir. Bu gereçlerin en bilinenleri, kanadın firar kenarında yer alan ve Flap adı verilen yapılardır.
Flaplar belirli derecelerde ve aşağı yönlü açılarak kanadın hava ile olan temas yüzeyini artırır. Temas yüzeyinin artması ise kanat yüzey alanının artması anlamına gelmektedir. Bu durum, uçağın normal şartlardaki Stall hızını daha da düşürerek daha düşük hızlarda tutunma kaybı yaşamadan uçağın güvenle uçmasını sağlar.
Flaplar sürüklenmeyi (Drag) artıran bir özellik de gösterir. Bu nedenle özellikle düşük hızlarla gerçekleştirilmesi gereken inişlerde yaygın olarak kullanılır. İnişlerin yanı sıra kanat yüzey alanını artırarak taşımayı artırdığı için daha kısa pist mesafelerinde daha yüksek yakıt tasarrufuyla, daha düşük hızlarla ve daha kolay bir şekilde kaldırma kuvveti elde edebilmek amacıyla kalkışlarda da Flap mekanizmaları sıklıkla kullanılır.
Yazımızda kanat profilinin kamburluğunun artmasının kaldırma kuvvetini ve kanat taşıma özelliklerini de artıracağından bahsetmiştik. Uçuş sırasında Flaplar kamburluğu artıran bir özellik gösterse de bazı görevler için tasarlanmış uçaklarda tek başına yeterli olmayabilir. Bu nedenle kanadın kamburluğunu artırmak amacıyla Flaplara yardımcı olarak geliştirilmiş Slat yapıları bulunur. Slatlar kanadın hücum kenarında bulunur ve Flaplarla mekanik olarak senkronize bir şekilde çalışır.
SONSÖZ
Yazımızda; uygarlıkların tarih boyunca, tıpkı kuşlar gibi uçabilme hevesiyle geliştirdiği yüksek teknoloji havacılık sistemlerinin çalışma prensiplerini, ya da diğer bir ifadeyle “nasıl uçtuğumuzu” inceledik. Sonraki yazılarımda ise, bu yazımda bahsettiğim sistemleri ayrı ayrı ve detaylı olarak ele alıp bu defa “nasıl çalışır” sorusuna yanıt bulmaya çalışacağım.
Merak duygusu; bilimi, teknolojiyi ve dolayısıyla da insanlığı daima ileriye taşıyan en önemli itici güçtür. Daima merakınızın peşinden gidin, ve her fırsatta şu soruyu sorun:
NASIL?
İşte, toplumları ve dünyayı ileriye taşıyan bilimin temelindeki asıl soru da “NASIL?” sorusudur. Unutmayın! İnsanı, kendinden başka hiç kimse kısıtlayamaz.
Merakınızı kuşlar kadar özgür bırakın.
FAYDALANILAN KAYNAKLAR
ANDERSON, J. D. (2016). Uçuşa Başlangıç. (A. YÜKSELEN, Çev.) Ankara: Nobel Yayınları. Nisan 2, 2021 tarihinde alındı.
ATABAY, A. O., ERCAN, G., KILIÇ, M., VATANDOST, M. T., ÇOLAKOĞLU, B., & OCAK, Ö. (2014). Uçuş Prensipleri. Nisan 3, 2021 tarihinde IVAO: https://tr.ivao.aero/downloads/documents/Ucus%20Prensipleri.pdf adresinden alındı.
YÜKSELEN, A. (2006). Uçusun Esasları — Kanatlar, Kuyruk Yüzeyleri. UCK 111 Uçak Mühendisliğine Giris ve Etik 2006–2007 Güz yarıyılı ders notları. Nisan 1, 2021 tarihinde alındı.
