HIS201U-UÇAK BİLGİSİ VE UÇUŞ İLKELERİ
Ünite 1: Temel Kavramlar ve Prensipler
Uçma Kavramı, Temel Tanımlar ve Atmosfer
En genel tanımıyla uçma kavramı, havadan hafif veya ağır cisimlerin (hava araçlarının) havada tutunarak hareket etmesi ya da hareket ederek tutunması olarak ifade edilebilir. Uçmayı ve ilgili kavramları daha iyi anlamak için belirli başlı kavramların hatırlanması gerekmektedir.
Temel Kavramlar ve Prensipler
Statik, cisimlerin, üzerlerine etki eden yükler altındaki dengesini inceleyen fizik dalıdır. Dinamik ise cisimlerin hareketini ve bu hareketi meydana getiren kuvvetleri inceleyen fizik dalıdır. Aerostatik ve aerodinamik, sırası ile hava içerisinde hareket eden bir cismin (hava aracının) denge ve hareket durumlarını incelemektedir.
Fizikte kullanılan büyüklükler genel özellikleri bakımından skaler büyüklükler ve vektörel büyüklükler olmak üzere iki gruba ayrılırlar. Skaler büyüklükler, sayısal değeri ve birimi verildiğinde tamamen belirli olan büyüklüklerdir. Vektörel büyüklükler ise etki noktası, doğrultusu, yönü ve şiddeti ile tanımlanan büyüklüklerdir.
Bir cismin bulundurduğu madde miktarı kütle (m) olarak adlandırılır. Hacim (V), bir cismin uzayda kapladığı yer miktarıdır. Belirli sıcaklık ve basınç değerleri altında, birim hacmindeki madde miktarı da yoğunluktur.
Sıcaklık bir maddenin, belirli bir ölçeklendirmeye göre soğukluğunu ya da ılıklığını yani ısıl durumunu gösteren niceliktir. Sıcaklık için Kelvin (°K), Celcius (Centigrade, °C) ve Fahrenheit (°F) gibi farklı ölçeklendirmeler kullanılabilmektedir. Mutlak sıfır, 0 °K veya -273 °C sıcaklık değerine eşittir. Teorik olarak mutlak sıfır sıcaklığına gelen bir maddenin iç enerjisinin sıfır olmasından dolayı bu maddenin daha fazla soğumasının mümkün olmadığı kabul edilmektedir.
Bir cismin, belirli bir yükseklikte (irtifada) konumunu koruması tutunma; herhangi bir referans noktasına göre pozisyonunun ve/veya konumunun değişmesi de hareket olarak tanımlanır. Hareket, gözlemin yapıldığı referans noktasına göre tanımlanmaktadır. Bir referans noktasına göre hareketli sayılan bir cisim başka bir referans noktasına göre hareketsiz olabilir. Bu izafi hareket olarak ifade edilir. Aerodinamikte de esas olan havaya göre yapılan izafi harekettir.
Bir cismin birim zamanda yaptığı yer değiştirme hız (V:m/s)olarak tanımlanır. Hız vektörünün yönü yer değiştirme vektörünün yönündedir. Bir cismin birim zamandaki hız değişimi ise ivme (a:m/s2) olarak tanımlanır. İvme vektörünün yönü, hız değişim vektörünün yönündedir.
Hareket eden bir cismin, hareketine başladığı noktaya göre t anında uzayda bulunduğu noktayı gösteren vektör konum vektörü; harekete başladığı nokta ile hareketini sonlandırdığı noktayı birleştiren vektör yer değiştirme vektörü olarak adlandırılır. Herhangi bir cismin hareketi
sırasında, her t anında, uzayda bulunduğu noktaların oluşturduğu hatta ise yörünge adı verilir.
Cisimlerin şeklinde, hızında ve hareket yönünde değişiklik yapabilen etkiye kuvvet denir. Genellikle F harfi ile gösterilen kuvvetin birimi ise Newton (N) veya kgm/s2 ile
verilir. Ağırlık, bir cisme etki eden yer çekimi kuvvetidir. Ağırlık kuvvetinin uygulama noktası, ağırlık merkezi olarak isimlendirilir. Ağırlık merkezi, cismin tüm kütlesinin toplandığı varsayılan bir noktadır.
Bir cisme uygulanan kuvvetin, cismi sabit bir referans noktası etrafında döndürme etkisine moment denir. Moment, moment kolunun büyüklüğü ve kuvvetin çarpımıdır. Moment kolu, kuvvetin uygulandığı nokta ile moment merkezi arasındaki dik uzaklık olarak tanımlanır. Moment vektörü, kuvvet ile moment merkezinin belirlediği düzleme, moment merkezinde dik olan bir doğrudur.
Durgun halde bulunan veya sabit hızda hareket eden cisimlerin durumuna o cismin denge hâli denir. Denge halinin iki koşulu vardır:
1. Cisme etki eden kuvvetlerin her eksen üzerindeki bileşenlerinin cebirsel toplamı sıfıra eşit olmalıdır. 2. Cisme etki eden kuvvetlerin bir noktaya veya bir eksene göre momentlerinin cebirsel toplamı sıfır olmalıdır.
Newton Kanunları
Newton Kanunları aşağıdaki gibidir:
• I. Kanun (Eylemsizlik Kanunu): Bir cisme etki eden kuvvetlerin bileşkesi sıfır olduğunda cisim duruyorsa durmaya, hareket ediyorsa hareket ettiği doğru boyunca hızını değiştirmeden hareketine devam eder. • II. Kanun (İvmelenme Kanunu): Bir cisme etki eden kuvvetlerin bileşkesi sıfır değil ise cisim mutlaka ivmeli hareket eder. İvmenin büyüklüğü, uygulanan bileşke kuvvetin büyüklüğü ile doğru orantılıdır. İvmenin yönü ise bileşke kuvvetin yönündedir. • III. Kanun (Etki – Tepki Kanunu): Herhangi bir cisim ikinci bir cisme bir etki kuvveti uygularsa ikinci cisim de birinci cisme, etki kuvveti ile aynı doğrultuda, zıt yönde ve eşit şiddette bir tepki kuvveti uygular.
Bernouilli ve Süreklilik Prensipleri
Basınç, birim alana etki eden kuvvet olarak tanımlanır. Basınç birimi olarak Pascal (Pa), Atm, psi, mmHg, inHg, bar gibi farklı tanımlamalar kullanılabilir. Basınç kavramı, aerodinamik kapsamında statik basınç ve dinamik basınç olmak üzere iki bileşenden oluşur. Statik basınç, , bir cisme içinde bulunduğu ortam maddesinin her yönde uyguladığı basınçtır. Dinamik basınç ise bir cisme içinde
bulunduğu ortam maddesinin sadece akış doğrultusunda uyguladığı basınç olarak ifade edilir.
Akma yeteneğine sahip, belirli bir şekilleri olmayan, içine kondukları kabın şeklini alabilen, üzerlerine bir kuvvet uygulandığında bu kuvveti her yöne ileterek basınca yol açan, bu kuvvet sonucunda katı bir cisim gibi kalıcı deformasyona uğramayan, viskozite özelliği bulunan maddeler akışkan olarak isimlendirilir. Viskozite: Bir akışkanın akmaya karşı gösterdiği direncin ölçüsüdür. Hareket hâlindeki bir akışkanın her noktasındaki hız vektörünü teğet kabul eden hayalî eğri akım çizgisi; iki akım çizgisi arasında kalan bölge ise akım borusu olarak adlandırılır.
Bernouilli Prensibine göre, bir akım borusu içindeki sürekli bir akışta, akım çizgisi boyunca birim akışkan kütlesinin toplam basıncı sabittir. Buna göre, akış boyunca yoğunluğun sabit olarak kabul edildiği durumda, akım çizgisi boyunca incelenecek tüm noktalarda toplam basınç (PT) yani statik ve dinamik basıncın toplamı, birbirine eşittir ve sabittir. Süreklilik Prensibine göre ise, bir akım borusu içindeki sürekli bir akışta birim zamanda tüm kesitlerden geçen akışkan kütlesi (kütlesel debi) sabittir. Buna göre akış boyunca yoğunluğun sabit olarak kabul edildiği durumda, kesit alan azaldıkça akışkanın hızı artmakta; kesit alan arttıkça ise akışkanın hızı azalmaktadır.
Atmosfer
Günümüz sivil hava taşımacılığında kullanılan hava araçları uçma eylemini, dünyanın etrafını yüzeyden yukarı (uzaya) doğru uzanarak saran tüm bir hava kütlesinin oluşturduğu atmosfer adı verilen ortam içinde gerçekleştirmektedirler.
Uluslararası sivil havacılığın güvenli, emniyetli, verimli ve düzenli bir şekilde yürütülebilmesinde ve hukuki düzenlemelerin oluşturulmasında rehberlik etme amacıyla çalışan Uluslararası Sivil Havacılık Organizasyonu (International Civil Aviation Organization, ICAO) tarafından tanımlanan referans sistemine göre deniz seviyesi şartları aşağıdaki gibidir:
• Sıcaklık: 288 °K = 15 °C = 59 °F • Basınç: 1 Atm = 760 mmHg = 1013,25 hPa • Yoğunluk: 1,225 kg/m3 • Ses Hızı: 340 m/s
Aerostatik ve Aerodinamik Tutunma
Uçma tanımı içerisinde yer alan tutunarak hareket etme kavramı havadan hafif hava araçları kapsamındaki balon ve zeplin için geçerli olan aerostatik tutunmayı; hareket ederek tutunma kavramı ise havadan ağır hava araçları kapsamına giren uçak, planör, helikopter, vb. için geçerli olan aerodinamik tutunmayı ifade etmektedir.
Aerostatik Tutunma
Aerostatik tutunmada, hava içerisindeki bir cisim, işgal
ettiği hacim kadar havanın ağırlığına eşit bir kuvvet ile aşağıdan yukarıya doğru itilir. Bu kuvvet havanın kaldırma kuvveti (FK ) olarak isimlendirilir.
Aerodinamik Tutunma
Aerodinamik tutunmada, cisim uygun form verilerek hava içerisinde uygun pozisyonda hareket ettirilmelidir. Bu şartlar altında, hava içerisindeki hareket sonucu cismin etrafındaki yüksek ve alçak basınçların dağılımı ile cisim üzerinde bir aerodinamik direnç kuvveti oluşur. Bu kuvvetin bileşenleri ile ağırlık dengelenerek havada tutunma sağlanabilir. Aerodinamik direnç kuvvetinin bileşenleri taşıma kuvveti (Lift, L) ve sürükleme kuvveti (Drag, D) olarak adlandırılır.
Uçak Üzerine Etki Eden Kuvvetler
Havada uçmak eylemini gerçekleştiren bir uçak üzerine, aerodinamik kuvvetler olarak taşıma kuvveti (L) ve sürükleme kuvveti (D), kütlesel kuvvet olarak ağırlık kuvveti (W) ve güç grubu kuvveti olarak da tepki (itki) kuvveti (T) etki eder.
Kanat Profili ve Özellikleri
Hava içerisinde hareket ettiklerinde hava akımına en az direnci gösterecek şekilde genellikle ön tarafı küt- yuvarlak, arka tarafı sivri biçimde damla şekline yakın kesit formuna sahip olan cisimler akımsal forma sahip cisimler ya da kısaca akımsal cisim olarak isimlendirilirler.
Aerodinamik olarak akımsal forma sahip olan ve çok küçük pozisyon açılarında (hücum açısında) bile yeterli taşıma kuvveti oluşturabilecek elemanlar taşıyıcı yüzey olarak adlandırılır. Taşıyıcı yüzeylerin uçağın simetri düzlemine paralel bir düzlem ile kesilmeleri sonucu ortaya çıkan şekle ise profil şekli adı verilir.
Profilin Şekilsel ve Aerodinamik Özellikleri
Şekilsel olarak profilin ön-küt kısmının en ucu geometrik hücum kenarı; arka-sivri kısmının en ucu ise geometrik firar kenarı olarak isimlendirilir. Profilin geometrik hücum kenarı ile geometrik firar kenarını birleştiren doğru ise geometrik veter (doğrusu) olarak tanımlanır. Hava akımına maruz kalan bir profilde, hava zerreciklerinin profile ilk temas ettiği nokta aerodinamik hücum kenarı; hava zerreciklerinin profili en son terk ettiği nokta ise aerodinamik firar kenarı olarak adlandırılır. Profilin aerodinamik hücum kenarı ile aerodinamik firar kenarını birleştiren doğru ise aerodinamik veter (doğrusu) şeklinde tanımlanmaktadır. Profilin alt ve üst yüzeyleri arasında her noktada, vetere dik olarak ölçülen mesafe, diğer bir tanımlamayla, profil içine çizilen iç teğet çemberlerin çap uzunlukları kalınlık olarak isimlendirilir. Profilin alt ve üst yüzeyleri arasında her noktada, veter doğrusuna dik olarak çizilen doğru parçalarının orta noktalarının hücum kenarından firar kenarına birleştirilmesi ile oluşturulan hat, diğer bir tanımlamayla profilin içine çizilen iç teğet çemberlerin merkezlerinin hücum kenarından firar
kenarına birleştirilmesi ile oluşturulan hat ise eğrilik hattı bileşenlerinden oluşur. olarak adlandırılır. İndüklenmiş sürükleme, kanat üzerindeki taşıma Profillerin Şekilsel Özelliklerine Göre Gruplandırılması kuvvetinin etkisiyle oluşan sürüklemedir. Parazit sürükleme, yüzeyle hava arasındaki sürtünmeden oluşan Profiller farklı özellikleri dikkate alınarak farklı şekillerde yüzey sürtünme sürüklemesi, basınç dağılımı sebebi ile gruplanabilirler: oluşan biçim sürüklemesi ve aerodinamik etkileşim 1. Dışbükey profil / İçbükey profil / Düzlem profil sebebiyle oluşan girişim (aratesir) sürüklemesinden oluşur. Dalga sürüklemesi ise ses hızına ulaşan uçak 2. Simetrik profil/ Asimetrik profil üzerinde meydana gelen şok dalgalarının etkileri sebebiyle 3. Sübsonik profil / Transonik profil / Süpersonik oluşan sürüklemedir. profil Eğer uçak kanadı sonsuz açıklıkta olsaydı, hava doğrudan kanatın alt ve üst yüzeylerinden geçerek, hücum Hücum Açısı, Polar Eğrisi ve Polar Denklemi kenarından firar kenarına doğru düzgün bir şekilde akardı.
Hücum açısı, bir profilde bağıl rüzgâr doğrultusu ile Ancak gerçekte, kanat sonlu açıklığa sahip bir yüzey (aerodinamik) veter doğrusu arasındaki açı olarak olduğundan, kanadın altındaki yüksek basınçlı hava, kanat tanımlanır. Hücum açısı değeri, taşıma ve sürükleme uçlarından düşük basıncın oluştuğu kanat üstüne doğru katsayılarının değerinde etkili bir faktördür. hareket eder ve kanat uçlarında türbülanslı bir hava akımı oluşturur. Kanat uçlarında oluşan bu türbülanslı hava Belirli bir hücum açısı değerine gelindikten sonra ise akımı sonucunda kanat ucu girdapları meydana gelir. hücum açısındaki artışa rağmen taşıma katsayısının hızlı Türbülans enerjiyi emer ve sürüklemeyi arttırır. Bu tip bir düşüş gösterdiği noktaya tutunma kaybı (stall) hücum sürükleme indüklenmiş sürükleme olarak adlandırılır. açısı değeri denir. İndüklenmiş sürükleme değerini azaltmak için ya kanat
Hücum açısına göre taşıma ve sürükleme katsayılarının ucu girdaplarını ve etkilerini azaltıcı önlemler alınmalı ya değişimi ayrı ayrı eğriler halinde gösterilebileceği gibi, bu da polar denklemi ifadesinde indüklenmiş sürükleme eğriler ortak değişkenleri olan hücum açısı dikkate katsayısını oluşturan bileşenlerin değeri uygun şekilde alınarak birleştirilebilirler. Bir profil için belirli hücum ayarlanmalıdır. Kanat ucu girdaplarını ve etkilerini açılarında, taşıma ve sürükleme katsayıları arasındaki azaltmak için aşağıdaki yöntemlere başvurulabilir:
ilişkiyi gösteren eğri polar eğrisi olarak adlandırılır. • Kanat uçlarını yukarı kıvırmak (winglet Kanat Plan Biçimi, Kanat Açıklığı ve Kanat Açıklık uygulaması) Oranı • Kanat ucu plakaları kullanmak • Kanat ucu yakıt tankı kullanmak (genellikle Bir kanata üstten veya alttan bakıldığında kanatın askeri uygulamalarda) sınırlarını belirleyen yatay düzlem üzerindeki izdüşümüne kanat plan biçimi adı verilir. Havacılıkta uçaktan beklenen Yüzey sürtünme sürüklemesi, cismin hava içerisinde görev ve performanslara göre çok farklı kanat plan havaya nazaran hareketi sırasında hava zerrecikleri ile biçimleri kullanılmaktadır. cismin yüzeyi arasındaki sürtünmeden dolayı oluşan kuvvettir. Türbülanslı ve laminar olmak üzere iki tip sınır Kanatın bir serbest ucundan diğer serbest ucuna olan tabakası bulunmaktadır. Laminar sınır tabakadaki hava uzunluğu kanat açıklığı; kanat açıklığının ortalama veter zerrecikleri bir tabakadan diğerine doğru hareket etmezler. uzunluğuna oranı ise kanat açıklık oranı olarak Türbülanslı sınır tabakada ise hava zerrecikleri bir adlandırılır. tabakadan diğerine doğru hareket ederler. Türbülanslı Kanat-Gövde Bağlantısındaki Açısal Özellikler akışta, laminar akışa göre sınır tabakası ve yüzey sürtünme sürüklemesi daha büyüktür. Yüzey alanının büyük olması, Kanata üç ayrı temel yönden bakıldığında görülebilecek yüzey pürüzlülüğünün fazla olması ve sınır tabakasının kanat-gövde arasında tanımlanan açılar şu şekildedir: türbülanslı olması yüzey sürtünme sürükleme kuvvetini
• Dihedral açısı: Önden / arkadan bakıldığında arttırır. Yüzey sürtünme sürüklemesini azaltmak üzere görülen açı sınır tabaka ayrılmasını geciktiren önlemler alınmalıdır. • Kanat tespit açısı: Sağdan / soldan bakıldığında Bu yöntemler şu şekilde sıralanabilir:
görülen açı • Maksimum kalınlığı daha geride olan profiller • Ok açısı: Üstten / alttan bakıldığında görülen açı kullanmak
Sürükleme Kuvveti • Sınır tabakasının kinetik enerjisini arttırmak, yeniden enerjilendirmek (sınır tabaka kontrolü Sürükleme kuvveti, bağıl rüzgâr hızına paralel doğrultuda yapmak) ve hareket yönüne zıt yönde oluşan aerodinamik bir kuvvettir. Toplam sürükleme kuvveti, indüklenmiş Biçim sürüklemesi, cismin şekli sebebiyle, hava içerisinde sürükleme, parazit sürükleme ve dalga sürüklemesi havaya nazaran harekette cisim üzerinde oluşan basınç
dağılımındaki farkların yarattığı sürüklemedir. Girişim (aratesir) sürüklemesi, farklı uçak elemanları birbirine bağlandığında ortaya çıkan keskin köşeler sebebiyle oluşur. Dalga sürüklemesi, sadece ses hızındaki ve ses hızının üstündeki uçuşlarda ortaya çıkar.
Tutunma (Taşıma) Kaybı-Stall
Taşıma katsayısı ve hücum açısı arasında belirli bir hücum açısı değerine kadar doğrusal bir ilişki bulunmaktadır. Buna göre yüksek taşıma katsayısı için hücum açısının değeri de yüksek olmalıdır. Ancak CL ve α arasındaki eğri hatırlanacak olursa hücum açısının belirli bir değerinde taşıma katsayısında ani bir düşüş yaşanmakta ve sonrasında da hücum açısı artmasına rağmen taşıma katsayısı düşmektedir. Bu keskin değişikliğin olduğu noktada yaşanan durum tutunma (taşıma) kaybı – stall olarak adlandırılır.
Bir uçağın belirli bir irtifada havada tutunabilmesi için gereken minimum hız stall hızı olarak adlandırılır.
Stall hızını doğrudan etkileyen faktörler şunlardır:
• Ağırlık • Yoğunluk • Kanat alanı • Maksimum taşıma katsayısı • Yük katsayısı
Yük katsayısı, herhangi bir cismin herhangi bir hareketinde üzerine etki eden kütlesel kuvvetlerin toplamının, ağırlığın şiddetine oranıdır.
Özellikle düşük hız durumunda taşıma kuvvetini desteklemek üzere kullanılan taşıma arttırıcı tertibatlar (flap, slat, slot) hücum açısı ve taşıma katsayısı değerlerini, dolasıyla da stall hücum açısı değerini ve stall durumunu etkiler
Kanat üst yüzeyinde ve kanat hücum kenarında oluşan buzlanma stall hücum açısının ve maksimum taşıma katsayısının düşmesine sebep olur. Bu durum, uçağın normal şartlara göre daha düşük hücum açılarında stall durumuna girmesine sebep olur.