Uçak Nasıl Uçuyor? İşin Sırrı Kanatlarda

640 ton ağırlığındaki Antonov An-225’in uçmasını sağlayan temel prensip neydi? Ya Airbus A380 uçağının 853 kişiyi okyanuslar arası taşımasının sırrı? Ya da Enercon E-126 rüzgâr türbini nasıl olur da yılda 20 milyon kW/saat elektrik üretebiliyor? Bu soruların ortak yanıtı yazımızın başlığında yer alıyor; “İşin Sırrı Kanatlarda”.

Peki, nasıl olur da kanat yapısı bu kadar kuvvet üretir. Bu, temelde akışkanlar dinamiğinde Bernoulli Prensibi ile açıklanabilir. Bernoulli Prensibi, sürtünmesiz bir akış boyunca, hızda gerçekleşen bir artışın aynı anda ya basınçta ya da akışkanın potansiyel enerjisinde azalmaya neden olduğunu ifade eder. Hız artışının basınçtaki bir azalmayla ortaya çıktığını belirten bu prensip uyarınca, bu durum kanadın altındaki basıncın üstündeki basınçtan daha büyük olduğu anlamına geliyor. Böylece yukarıya doğru yönelen ve “taşıma kuvveti” denen net bir kuvvet oluşuyor.

Şekil 1-a: Boeing 767
Şekil 1-a: Boeing 767

Kanat yapıları, uygulamada uçak kanatları, pompa fanları, gemi dümenleri, tekne salmaları, rüzgâr türbinleri, helikopter pervaneleri gibi birçok alanda kullanılan geometrik kesitlerdir. Bu yapılara ait performans kriterlerini etkileyen parametreleri belirlemek için birçok deneysel ve teorik çalışma yapılmıştır.

Aerodinamik ve havacılığın öncülerinden İngiliz mucit George Cayley, 1853 yılında planör ile uçan makinelerde ağırlık merkezinin ve kanat düzleminin uçuş üzerine etkilerini incelediği bir deney yapmıştır. Çalışmalarını George Cayley’inkilerden ilham alarak gerçekleştiren Otto Lilienthal, kanat çırpan uçak modelleri ve kanatlı planörlerle deneyler yapmıştır. İlk başlarda gözlem, tecrübe ve deneme yanılma usulüne çok bağlı olan bu çalışmalar, olayın teorisinin de gelişmesi için bir baskı unsuru oluşturmuştur. Ürüne ait performansın henüz tasarım aşamasındayken bilinmesi büyük önem taşımaktadır, bu sayede performansı düşüren etkenler tasarım aşamasında elimine edilerek optimum performansa sahip ürünler elde edilebilir. Örnek olarak Boeing firması 1986 yılında Boeing 767 (Şekil 1-a) uçağının nihai kanat tasarımını elde etmek için 76 farklı kanat tipi üzerinde çalışmıştır. 2008 yılında ise Boeing 787 Dreamliner (Şekil 1-b) tasarımında ise 11 farklı kanat tasarlanmıştır. Açıkça görüldüğü üzere iterasyon sayısındaki hızlı azalış Boeing tasarımcılarının tecrübeleri ve bu tecrübeler temelinde geliştirdikleri yazılımların katkısıdır.

NACA kanat kesitleri ve özellikleri 

Şekil 1-b: Boeing 787 Dreamliner
Şekil 1-b: Boeing 787 Dreamliner

Daha sonra adı NASA olarak değiştirilen NACA (National Advisory Committee for Aeronautics/Milli Havacılık Danışma Heyeti) matematiksel olarak tanımlanmış bazı kanat kesiti aileleri geliştirdi. Çoğu 1930’lu ve 40’lı yıllarda yapılan çalışmalar zamanının en sistematik ve kapsamlı çalışmaları olarak tarihe geçti. Yaygın olarak kullanılan bu kesitlere örnek tasarımlar vermek gerekirse;

Fairchild A-10 Thunderbolt II – NACA 6716 – 6713
General Dynamics F-16 Fighting Falcon – NACA 64A204
McDonnell Douglas F-4 Phantom II – NACA 0006.4-64mod – 0003-64mod
Northrop F-5 Tiger – NACA 65A004.8

NACA araştırmalarında sehim ve kalınlık ayrı parametreler olarak değerlendirilmiş, kanat profil geometrisi buna göre tanımlanmıştır. Günümüzde çeşitli alanlarda (uçak kanadı, pervane kanadı, rüzgâr türbini) kullanılan kanat kesitleri ya NACA kesitleridir ya da bu kesitlerin etkileri kolaylıkla görülebilir. Örneğin dört rakamlı NACA 0012 kanat kesitinde ilk rakam maksimum eğrilik değerini veter uzunluğunun (c) yüzdesi olarak vermektedir. İkinci rakam maksimum eğriliğin oluştuğu noktanın hücum kenarına olan mesafesinin veter uzunluğuna oranının 10 katı olan değer olarak ifade eder. Son iki rakam ise maksimum kalınlık değerinin veter uzunluğuna oranını yüzdesel olarak ifade eder. Seçilen kanat kesiti için bu değer 0.12 c’dir.

Şekil 2: Volkan İtfaiye 100 Bar 10000 d/d pompa tasarımıza ait HAD modeli
Şekil 2: Volkan İtfaiye 100 Bar 10000 d/d pompa tasarımıza ait HAD modeli

NACA kanat kesitleri ve bu kanatlara benzetilerek türetilmiş kanatların turbomakine tasarımlarında yaygın kullanım alanı bulunmaktadır. Pratikte eksenel akışlı turbomakineler’e ait kanatçıkların HAD modeli oluşturulup model sonuçları ile Von Karman Enstitüsü’nde yapılmış olan kaskat testleri karşılaştırılmaktadır. Kaskat testinde, turbomakine kanatları düz iki levha arasındaymış gibi modellenir. Giriş ve çıkışa basınç prob’ları konularak kanatın performans karakteristikleri belirlenir. Dönen bir makinedeki kanatlar arasındaki bağıl akış, duran kanatlar üzerindeki mutlak akış ile çok benzerdir. Volkan Ar-Ge Merkezi bünyesinde gerçekleştirdiğimiz pompa tasarımlarında en önemli gördüğümüz adım fan modeli için bir HAD modeli oluşturmaktır (Şekil 2). Oluşturulmuş olan bu HAD modeline ait analiz sonuçları ile test verilerini karşılaştırılarak, modeli doğrulama ve bu modeli yeni tasarımlarda etkin olarak kullanma prensibini temelde uyguluyoruz.