HIS201U-UÇAK BİLGİSİ VE UÇUŞ İLKELERİ
Ünite 8: Yüksek Hızlı Uçuş
Yüksek Hızlı Uçuş
Hava gerçekte sıkıştırılabilir bir akışkandır. Düşük hızlı uçuşla ilgili olarak ortaya konan tüm prensipler ve fiziksel tanımlamalarda ise hava sıkıştırılmaz özellikte kabul edilmektedir. Bu kabule göre ele alınan formülasyonlarda, bir cismin (hava aracının) etrafındaki hava akımında havanın yoğunluğunda herhangi bir değişim olmadığı yani hava yoğunluğunun sabit olduğu kabul edilmektedir. Yüksek hızlı uçuşa gelindiğinde ise havanın basınç, sıcaklık ve yoğunluk özelliklerindeki değişimler ihmal edilemez.
Ses hızı, basınçta meydana gelen küçük bozulmaların hava içerisindeki ilerleme hızıdır. Ses hızının altında uçuş yapan bir uçak için basınç dalgaları birbirleri ile belirli bir mesafeyi koruyarak ilerleme yaparlar. Ses hızında uçuş yapan bir uçak için oluşan basınç dalgaları birbirine yetişerek yığılmaya başlarlar. Bu durum şok dalgası olarak adlandırılacak bir basınç duvarının oluşmasına sebep olur. Ses hızının üstünde uçuş yapan bir uçak için ise oluşan basınç dalgaları bir önceki dalgayı yakalayarak onu geçmeye başlar. Şok dalgaları basınç dalgalarının kenarlarında oluşmaya devam eder.
α = 𝜸 ⋅ 𝑹 ⋅ 𝑻
Ses hızı sıcaklığın bir fonksiyonudur ve sıcaklıkla doğru orantılı olarak değişir. Sıcaklık artarsa ses hızı artar; sıcaklık düşerse ses hızı düşer. Atmosferde hareket eden hava araçları düşünüldüğünde, sıcaklık da irtifaya bağlı olarak değişmektedir. Troposfer tabakasında irtifa arttıkça sıcaklık düşmekte, irtifa azaldıkça sıcaklık artmaktadır. Bu durumda sıcaklık yüksek irtifada, alçak irtifaya göre daha düşüktür. Dolayısıyla ses hızı da yüksek irtifada, alçak irtifaya göre daha düşüktür.
Ses hızı formülünde sıcaklığın birimi Kelvin (K) olarak kullanılmaktadır.
Uçak için farklı hız tipleri tanımlanabilir. Bunlar:
• VCAS: Kalibre edilmiş hava hızı, • VIAS: Gösterge hava hızı, • VTAS: Gerçek hava hızı, • VEAS: Eşdeğer hava hızı, • VGS: Yer hızı ve • M: Mach sayısı olarak sıralanabilir.
Gerçek Hava Hızı (True Air Speed, VTAS), uçağın havaya göre hızını ifade eder. Aerodinamik ve uçak performans hesaplamalarında genellikle kullanılan hız tipidir.
Mach sayısı, uçağın gerçek hava hızının, o irtifadaki ses hızına oranıdır.
𝐕 𝐓𝐀𝐒 M = 𝒂
Mach sayısı ve ses hızı kavramları kullanılarak uçağın uçuş hızı dikkate alındığında akış için şu üç hız bölgesi tanımlanabilir:
• Sübsonik: Uçağın etrafındaki tüm hız bileşenleri ses hızının altındadır. Genellikle 0 – 0,75 Mach arası hızlar sübsonik olarak tanımlanır. • Transonik: Uçağın etrafındaki hız bileşenlerinin bir kısmı ses hızının altındayken bir kısmı da ses hızının üstündedir. Bu bölgede hızlar 0,75 – 1,2 Mach aralığındaki değerler olarak kabul edilir. • Süpersonik: Uçağın etrafındaki tüm hız bileşenleri ses hızının üstündedir. 1,2 – 5,0 Mach arasındaki hızlar süpersonik olarak kabul edilmektedir.
5,0 Mach üzerindeki hızlar hipersonik olarak adlandırılır.
Serbest akış Mach sayısı, hava içerisinde hareket eden bir uçağın etrafındaki hava akışında, uçağın varlığından etkilenmeyen hava zerreciklerinin akış hızıdır.
Lokal Mach sayısı, akısın, profil (veya kanatın) belirli bölgelerindeki hızıdır.
Kritik Mach sayısı, kanat üzerindeki bir noktada lokal Mach sayısı değeri 1,0 Mach değerine ulaştığı andaki serbest akış Mach sayısı değeridir.
Şok dalgası, basınç dalgalarının sıkışması sonucu meydana gelen oluşumlardır. Kritik Mach sayısı, kanat üzerinde herhangi bir noktadaki akış hızı 1,0 Mach değerine ulaştığı anda şok dalgalarının oluşumu başlar. Sok dalgaları şu şekilde sınıflandırılır:
• Dik şok dalgası: Akış doğrultusuna dik olarak oluşan sok dalgasıdır. • Eğik şok dalgası: Akış doğrultusu ile belirli bir açı yaparak oluşan şok dalgasıdır. • Burun şok dalgası: Uçuş hızının 1,0 Mach değerini aşması ile birlikte hücum kenarında oluşan şok dalgasıdır.
Profilin şekli sebebiyle kanat üzerindeki lokal Mach sayısı, serbest akış Mach sayısına göre daha büyük olmaktadır. Süreklilik prensibinden gelen bilgileri de kullanacak olursak lokal Mach sayısının profil üzerinde en yüksek olduğu kısım kalınlığın maksimum olduğu nokta olacaktır. Dolayısıyla profil (kanat) üzerinde 1,0 Mach değerine ilk ulaşacak nokta, yani şok dalgası oluşumlarının, kanat üzerinde ilk görülebileceği nokta da maksimum kalınlık noktası olacaktır.
Dalga Sürüklemesi
Dalga sürüklemesi, uçak üzerinde oluşan sürükleme kuvvetinin bileşenlerinden biridir. Yüksek hızlı uçuş durumunda oluşan dalga sürüklemesi şok dalgalarının etkileri sebebiyle ortaya çıkmaktadır. Sübsonik hızlarda yapılan uçuşlarda uçak üzerinde dalga sürüklemesi oluşmaz.
Yüksek hızlı uçuşta şok dalgası oluşumu ile birlikte şok dalgasına çarpan hava akımı kinetik enerjisini aniden kaybeder. Kaybolan bu kinetik enerji ısı enerjisine dönüşerek o bölgede ani ısı artışı yaratır. Kinetik enerjinin
düşmesi şok dalgasının arkasında dinamik basıncın kanat üzerine gelecek V1 hız bileşeni ses hızının altında düşüşüne dolayısıyla da akış hızının ani düşüşüne sebep olabilir. Böylelikle şok dalgasının oluşumu geciktirilebilir. olur. Hızdaki düşüş sebebiyle de hava akımı kanat Askerî saldırı (avcı) uçaklarında uçuş hızına bağlı olarak yüzeyini takip edemez ve yüzeyden koparak sınır tabaka kullanılabilecek şekilde, değişken ok açılı kanat ayrılmasına sebep olur. uygulamaları örneklerine de rastlanmaktadır. Dalga sürüklemesini azaltmak için şok dalgasının Sivil havacılıkta günümüzde kullanılmakta olan uçaklar etkilerini azaltıcı önlemler almak gerekir. Dalga maksimum hızları düşünüldüğünde transonik hızlarda sürüklemesini azaltmak üzere uygulanabilecek yöntemler uçuşlarını yapabilmektedirler. Ancak 2000’li yılların şunlardır: basına değin sivil havacılık alanında kullanımda olan • Şok dalgası arkasındaki bölgede ayrılmayı süpersonik uçaklar da bulunmaktaydı. Geçmişte, sivil azaltıcı girdap üreteçleri kullanmak havacılık alanında süpersonik uçak olarak Tupolev Tu-144 • İnce (kalınlığı az) profiller kullanmak ve Concorde uçakları kullanılmıştır. Her iki uçağın da • Transonik profiller kullanmak tasarımsal özellikleri birbirine oldukça benzemektedir.
• Keskin kenarlı süpersonik profiller kullanmak Tupolev Tu-144 uçakları SSCB’de Alexi Tupolev • Uçak tasarımında (transonik) alan kuralını tarafından tasarlanmıştır. İlk uçuşlarını 1968 yılında yapan uygulamak bu uçaklar sivil kullanımda 1975 yılında hizmete girmiştir. • Yüksek ok açılı kanatlar kullanmak Uçağın prototipi 15 Temmuz 1969 Moskova yakınlarında
(Transonik) Alan kuralı yapılan bir uçuşta ses hızını ilk kez asarak Concorde uçağından önce bu hıza ulaşabilen ilk ticari tasıma uçağı Transonik ve süpersonik hızlar için dalga sürüklemesini unvanını almıştır. 1973 yılında Paris Hava Şovu’ndaki azaltmak adına uygulanan bir tasarım yöntemidir. Yüksek gösteri uçuşu sırasında yaşanan kaza sonrası proje eski hızlı uçuş için yapılan incelemeler simetrik özellikteki, iki popülerliğini giderek yitirmiştir. Bu uçaklar 1978 yılında ucu sivriltilmiş biçimde olan ve “Sears-Haack şekli” ise tamamen hizmet dışı kalmışlardır. olarak adlandırılan formda tasarlanan cisimlerin daha az sürükleme bileşeni yarattığını ortaya koymaktadır. Concorde ise Fransa ve İngiltere tarafından yürütülen ortak bir çalışma ile ortaya konan süpersonik bir yolcu Alan kuralına göre bir cisim, akış doğrultusu ile paralel uçağıdır. İlk uçuş denemesini 1969 yılında yapan olacak uzunlamasına doğrultusu boyunca Sears-Haack Concorde uçağı 1976 yılında süpersonik ticari yolcu uçağı şekli ile aynı kesit alan dağılımında tasarlanırsa asıl olarak hizmete girmiştir. Bu uçaklar Atlantik okyanusunu şeklinden bağımsız olarak Sears-Haack şekli ile aynı 3 saatte geçebilecek özelliğe sahiptiler. Temmuz 2000’de sürükleme değerini yaratmaktadır. bir Concorde uçağı, Paris Charles de Gaulle Yüksek hızlı uçuş yapacak uçakların sadece kanat ve Havaalanı’ndan kalkışından 1,5 dakika sonra düşmüştür. gövde tasarımlarında değil, güç gruplarının tasarımlarında Bu kaza Concorde uçaklarına olan güvenirliği azaltmış, bu da sübsonik hız uçaklarına göre bazı düzenlemeler da yolcu sayısına yansımıştır. Bu uçaklar Ekim 2003’te yapmak gerekir. Sivil süpersonik uçaklarda pulsejet ve son ticari seferini yaparak hizmetten kaldırılmışlardır.
ramjet gibi yüksek hız aerodinamiğine uygun güç Günümüzde süpersonik uçak çalışmalarının yanında 5,0 gruplarına da yer verilir. Mach ve üstü hızlara ulaşabilecek, hem atmosfer içi hem Yüksek Hızlı Uçuşta Ok Açısının Etkisi de atmosfer dışı koşullarda uçuş yapabilecek ve Atlantik üstü mesafeyi yaklaşık 1,5 saatte geçmesi planlanan Ok açılı kanada sahip bir uçak üzerine V hızı ile çarpan hipersonik uçak çalışmaları deneysel olarak hava akımı, kanat üzerine dik bir şekilde gelecek olan V1 yürütülmektedir. Bu çalışmalar itki sistemleri, malzeme, ve kanat hücum kenarını takip edecek olan V2 hız yapısal eleman tasarımları vb. konulardaki çalışmaları da bileşenlerine ayrılabilir. Ok açısı, Ω , kullanılarak elde beraberinde getirmektedir. edilen V1 ve V2 hız bileşenlerinin ifadeleri, denklemler şu şekildedir:
V1 =V ⋅ cosΩ
V2 =V ⋅sinΩ
Kosinüs ve sinüs eğrilerinin davranışları hatırlanacak olursa açı büyüdükçe kosinüs değeri düşmekte, sinüs değeri ise artmaktadır. Buna göre yüksek hız uçuşunda kanat ok açısı, i, ne kadar büyük olursa, cos(i) değeri de o kadar küçük olacaktır. cos(i) değerinin küçülmesi, V1 hız bileşeni değerinin, V uçuş hızı değerine göre daha küçük olacağı anlamına gelmektedir. Bu durumda, yüksek ok açılı kanatlarda uçuş hızı ses hızının üzerinde olsa da