Ünite 1: Ağırlık ve Dengeye Giriş

Giriş

Uçuş harekâtında bir hava aracının ağırlığının ve dengesinin izlenmesi ve kontrolü uçağın emniyetli ve verimli şekilde işletilmesi açısından kritik bir rol oynar. Bu süreç içinde uçağın operasyon ağırlıklarının ve taşıyacağı yolcu, kargo ve yakıt yüklerinin imalatçı tarafından belirlenen ve havacılık otoriteleri tarafından sertifikalandırılan ağırlık ve yük dağılım limitleri içerisinde kalacak şekilde belirlenmesi gereklidir.

Kütle ve Ağırlık

Kütle bir cismin içindeki madde miktarını ifade eden ve o cismin eylemsizliğini (ataletini) ya da hareket değişimine direncini ölçen temel bir fiziksel niceliktir. Bu durumda kütlesi olan bir cisim hızının büyüklüğünde veya yönünde herhangi bir değişime ya da bir başka deyişle ivmelenmeye karşı bir eylemsizliğe sahip olacaktır. Kütle aynı zamanda cisimler arasındaki kütlesel çekim kuvvetini de ortaya çıkartan bir özelliktir. Dünyanın kütlesi ile onun üzerindeki veya yakınındaki cisimlerin kütlesi arasında oluşan kütlesel çekim kuvveti ise yerçekimi kuvveti olarak adlandırılır.

Ağırlık ise bir cismin kütlesine uygulanan yerçekimi kuvveti olarak tanımlanır ve bu kuvvet cismin kütlesinin yanında birim kütleye etkiyen yerçekimi kuvvetinin şiddetine ya da bir başka ifadeyle yerçekimi ivmesine bağlıdır. Yerçekimi ivmesi gezegenin kütlesi ve boyutuna bağlı olarak değişir. Bu durumda aynı kütleye sahip olan cisimler farklı gezegenlerde farklı ağırlıklara sahip olacaklardır. Yerçekimi ivmesi aynı zamanda bir gezegen üzerindeki konuma ve irtifaya göre farklılık gösterir. Bu nedenden dolayı bir cismin kütlesi sabitken ağırlığı dünya üzerindeki konumuna veya deniz seviyesinin üzerindeki irtifasına göre değişiklik gösterecektir.

Kuvvet, Moment ve Denge

Kuvvet bir cismin bir başka cisim üzerindeki etkisidir ve etkidiği cismi kendi yönü ve uygulama doğrultusunda hareket ettirme eğilimindedir. Vektörel bir nicelik olan kuvvet yönü, büyüklüğü ve uygulama noktası ile ifade edilir. Cisme etkime şekline göre kuvvetler;

• Temas kuvvetleri ve
• Alan kuvvetleri olmak üzere ikiye ayrılabilirler.

Temas kuvvetleri cisimler arasında fiziksel temas yolu ile ortaya çıkarken alan kuvvetleri cisimlerin yerçekimi, elektrik veya manyetik vb. kuvvet alanları ile etkileşime girmeleri ile oluşurlar. Temas kuvvetinin uygulama noktası fiziksel temasın gerçekleştiği sınırlı bir alanken, alan kuvveti cismin kütlesini oluşturan her bileşene dolayısı ile cismin bütününe uygulanır. Bu tanım çerçevesinde ağırlık bir cisme yerçekimi alanı tarafından uygulanan bir alan kuvvetidir.

Kuvvetler uygulama noktalarına göre noktasal kuvvetler ve dağıtık kuvvetler olarak da sınıflandırılabilirler. Eğer bir kuvvet cismin tek bir noktasına etkimekte ise bu kuvvet noktasal kuvvet olarak adlandırılırken eğer kuvvet cismin yüzeyi veya hacmi üzerine etkimekteyse bu tür kuvvete dağıtık kuvvet adı verilir. Ağırlık bir cismin tüm hacmine etkiyen dağıtık bir kuvvetken, uçuş esnasında oluşan aerodinamik kuvvetler uçağın tüm dış yüzeyine, bir teknenin hareketi sırasında oluşan hidrodinamik kuvvet ise onun su seviyesinin altında kalan yüzeylerine etkiyen dağıtık yüklere örnek olarak verilebilir. Bir cisme etkiyen herhangi bir dağıtık kuvvet belirli bir doğrultu ve noktaya etkiyen noktasal bir bileşke kuvvet olarak ifade edilebilir.

Kuvvet metrik sistemde Newton (N) birimi cinsinden ölçülür.

Kuvvetler bir cismi uygulandıkları doğrultuları üzerinde hareket ettirme eğiliminde oldukları gibi uygulama doğrultularına ne paralel olan ne de onunla kesişen (aykırı) bir eksen etrafında dönmelerine neden olabilirler. Bir kuvvetin bir cismi döndürme eğilimi ise moment olarak adlandırılır. Moment cisme etkiyen kuvvet ve kuvvetin uygulama doğrultusu ile dönme eksen arasındaki mesafesinin çarpımına eşittir. Moment metrik sistemde Newton-metre (Nm) birimi cinsinden ifade edilir.

Eğer bir cisme etkiyen tüm dış kuvvet ve bu kuvvetlerin oluşturduğu momentlerin vektörel toplamı sıfıra eşitse cisim denge durumundadır.

Newton’un 1. Hareket kanununa göre eğer bir cismin üzerine etkiyen kuvvetler dengede ise cisim ya sabit halde durur ya da sabit hızla hareketine devam eder. Benzer şekilde cismin üzerine etkiyen momentler dengedeyse o cisim herhangi bir ekseni etrafında dönme hareketi gerçekleştirmez.

Uçağa Etki Eden Kuvvetler ve Uçuş Hareketi

Bisiklet imalatı ve tamiri yapan Wright Kardeşlerin 1903 yılında Kitty Hawk Kuzey Carolinada yapmış oldukları uçuş, dünya hava taşımacılık tarihinin dönüm noktası olmuştur. Wright kardeşler uçuş için gerekli kanat yapısını ayrıntıları ile inceleyerek günümüzdeki formunu geliştirmiştir. Wright kardeşlerin kanat formu için çıkış noktaları, kuşlardır. Kuşlar aerodinamik olarak kanat pozisyonlarını ve açılarını ayarlayarak denge sağlayabilmektedir.

Aerodinamik; Bir cisimle içinde hareket ettiği hava arasındaki münasebetleri inceleyen bilim dalıdır.

Wright kardeşlerin öncelik verdikleri konulardan biri uçağın dengeli bir biçimde süzülmesi için gerekli aerodinamik yapı olmuştur. Uçak kanadının yapısının geliştirilmesi için bir rüzgâr tüneli inşa etmişlerdir. Rüzgâr tüneli ile sürdürülebilir süzülmeyi sağlamada ve korumakta kullanılabilecek yapı geliştirilmiştir.

Wright kardeşler bisiklet sürücüsünün üstesinden gelmek zorunda olduğu denge ve hareket sürekliliğini uçakta sağlayarak havacılık tarihinin öncüleri olmuşlardır. Ağırlık ve denge uçuş harekâtında sürekli kontrol altında tutulması gereken temel bir fizik konusudur.

Uçuşa Etki Eden Kuvvetler

Havadan ağır hava araçları aerodinamik kuvvetler yardımıyla havada tutunarak kontrollü ve sürdürülebilir uçuşlarını gerçekleştirirler. Bir hava aracı uçuşu sırasında;

• Boylamasına,
• Yanal ve
• Dikey olmak üzere üç ayrı eksen üzerinde dik olan üç ayrı doğrusal eksen boyunca serbestçe hareket edebilir.

Hava aracının bu üç boyutlu karmaşık hareketi düşey ve yatay düzlemler üzerinde ayrı şekilde incelenebilir. Düşey düzlem hava aracına bağlı boylamasına ve dikey eksenler tarafından tanımlanır ve hava aracını iki simetrik parçaya böldüğü için simetri düzlemi olarak da adlandırılır. Eğer bir hava aracı, örneğin bir uçak, simetri düzlemi içinde hareket ediyorsa, bir başka deyişle hız vektörü simetri düzleminin içinde ise bu uçuş simetrik uçuş olarak adlandırılır.

Boylamasına eksen uçağın burnundan kuyruğuna uzanan eksene denir.

Dikey eksen uçağın tepesinden tabanına inen eksendir.

Yanal eksen ise bir kanat ucundan diğer kanat ucuna kadar uzanan eksendir.

Hava aracı (Aircraft); hava ile yeryüzü arasındaki oluşan tepki kuvveti haricinde atmosferdeki hava ile etkileşimi sonucu üretilen tepki kuvvetinden destek sağlayan herhangi bir makinadır.

Simetrik uçuş sırasında bir uçağa etki eden dört temel kuvvet vardır. Bu kuvvetler;

• İtme,
• Sürükleme,
• Taşıma ve
• Ağırlıktır.

Bu kuvvetlerin büyüklüğü ve yönü uçuşun sürekliliğini sağlar. Uçuş harekâtında uçuşa etki eden dört temel kuvvetin bileşkesi hesaplanarak havadaki hareketin sürekliliği sağlanabilir. Bu kuvvetler birbirlerinin karşıtları olan çiftler şeklindedir.

İtme kuvveti uçağın havada ileri doğru hareket etmesini sağlayan kuvvettir. İtme kuvveti, uygulama doğrultusu motorların ekseni yönünde olan noktasal bir kuvvet olarak ifade edilebilir. İtme kuvveti uçağın kullandığı teknolojiye bağlı olarak piston-pervaneli, türboprop, türbojet, türbofan motorlar veya elektrik motoru kullanılarak sağlanabilmektedir.

Sürükleme kuvveti uçağın dış yüzeylerine etkiyen aerodinamik kuvvetin uçağın hareket yönüne zıt etkiyen bileşenidir. İtme kuvveti uçağı ileri doğru hareket ettirirken sürükleme kuvveti bu direnç nedeniyle uçağın yavaşlamasına sebep olur. Hız arttıkça hava direnci artacağından sürükleme kuvveti de artar.

Taşıma kuvveti uçağın dış yüzeylerine etkiyen aerodinamik kuvvetin hareket yönüne dik ve yukarı yönde etkiyen bileşenidir. Taşıma kuvveti uçağın havalanmasını ve havada kalmasını sağlar.

Ağırlık ya da yerçekimi kuvveti yer çekiminin uçağa etkisi nedeniyle yere doğru oluşan kuvvettir. Ağırlık ve taşıma kuvvetleri cisimlere ters yönde etkir. Uçak yerçekimi/ağırlık nedeniyle düşme eğilimi gösterir ve sürdürülebilir bir uçuş için taşıma kuvveti ile dengelenmesi gereklidir.

Sabit hızla düz uçuşta uçağa etki eden tüm bu kuvvetler dengededir. Ancak uçağın hareketlerine bağlı olarak itme, kaldırma, sürükleme ve yer çekim kuvvetlerinin dengesinde bir değişiklik meydana gelirse uçak ivme kazanır.

Eğer uçağın hız vektörü simetri düzleminin dışına çıkarsa bu tür uçuş asimetrik uçuş olarak adlandırılır. Asimetrik uçuş uçağın ani yan rüzgâr alması, motor arızasından dolayı asimetrik itki üretmesi veya yakıt tanklarındaki yakıtın farklı miktarda kullanımı nedeniyle ağırlık merkezinin simetrik ekseni dışına kayması gibi durumlarda meydana gelir. Böyle durumda uçağa yanal eksende etkiyen kayma kuvveti adı verilen yeni bir aerodinamik kuvvet bileşeni ortaya çıkar. Asimetrik uçuş uçağın aerodinamik verimini azalttığı için normal uçuş sırasında kısa süreli yön değiştirme manevraları haricinde tercih edilmez.

Dönüş Hareketleri

Hava araçları doğrusal hareketlerin yanı sıra kendisine bağlı eksen takımına ait üç eksen etrafında;

• Yunuslama (pitch),
• Sapma (yaw),
• Yatış (roll) olarak adlandırılan dönüş hareketlerini gerçekleştirebilir.

Yunuslama hareketi burnunun aşağı ve yukarı hareketi ile oluşur. Taşıma ve sürükleme düzleminde hareket eden bir momenttir. Yunuslama hareketi basit bir tahterevallideki harekete benzetilebilir. Yunuslama hareketi uçak kontrol yüzeylerinden irtifa dümeni (elevatör) yardımı ile yapılır.

Sapma hareketi; dikey eksen uçağın tepesinden tabanına inen eksendir. Sapma hareketi uçağın burnunu sağa veya sola hareket ettirmektedir. Sapma hareketini sağlayan temel kontrol yüzeyi istikamet dümenidir (rudder).

Yatış hareketi; uçağın boylamasına eksen etrafında bir kanadının yukarı diğer kanadının aşağı gelecek şekilde hareket etmesi ile yatış hareketi oluşur. Yatış hareketi uçak kontrol yüzeylerinden kanatçık (eleron) yardımı ile yapılır.

Uçuş harekâtında uçağın hareketleri nedeniyle uçuşa etki eden kuvvetlerin oranları ve bileşkeleri sürekli değişir. Uçakta bozulan kuvvet dengesinin sürekli takip edilmesi ve düzeltmeler yapılması gerekmektedir. Bu nedenle özellikle yolcu uçaklarında uçak hareketlerinin emniyetli limitler içerisinde yapılması önerilir. Bu limitler üretici firma ve uluslararası ve ulusal havacılık otoriteleri tarafından belirlenir. Örneğin bir yolcu uçağı iniş kalkışında ufuk çizgisine en fazla 3 derecelik bir açı kullanabilir. Tüm bunların yanında hava araçları sürekli değişen ve uçuş performansını etkileyen bir atmosfer içinde hareket ederler. Rüzgâr başta olmak üzere sıcaklık, nem oranı, basınç uçuşun hemen her safrasını etkileyen faktörlerdir.

Uçuş Profili ve Aşamaları

Uçuş profili bir uçağın kalkış meydanındaki park pozisyonunda uçuşa başlamak için motorlarını çalıştırmasından varış (ya da yedek meydana) inişini takiben park pozisyonunda durarak motorlarını kapatmasına kadar gerçekleştirdiği hareketlere ilişkin özellikleri ve gereksinimleri belirlemek ve planlamak için kullanılan uçuş yörüngesinin düşey düzlemdeki şekilsel gösterimidir. Uçuş profili ile uçağın toplam ağırlığı, taşıyacağı yolcu, bagaj ve kargo miktarı, rezervleri ile beraber alacağı yakıt yükü, kat edeceği menzil, seyir hızı, seyir irtifası, uçuş ve havada bekleme süreleri belirlenir.

Uçuş profilini;

• Görev (blok uçuş) profili ve
• Yedek meydana kaçış profili olmak üzere iki ana bölümde incelemek mümkündür.

Görev profili uçağın gidiş ve varış meydanları arasındaki planlanan uçuşuna ilişkin aşamaları içerir. Bu aşamalar;

• Kalkış taksi,
• Kalkış,
• Tırmanma,
• Seyir,
• Alçalma,
• Bekleme,
• Yaklaşma ve
• İniş hareketlerini kapsar.

Kalkış taksisi uçağın motor çalıştırma ve ısıtma, park yerinden çıkış (push-back) ve pist başına geliş hareketlerini içerir. Kalkış ise uçağın pist üzerinde koşturması ile başlar ve teker keserek belirli bir sanal mânia yüksekliğini aşması ile son bulur.

Tırmanma hareketi ise belirlenen tırmanma hızı programına göre seçilen seyir irtifasına ivmelenerek veya sabit hızla tırmanma aşamalarından meydana gelir. Uçağın seçilen irtifaya ulaşmasından sonra seyir hareketi başlar. Bu aşamada genel olarak uçağın irtifası ve seyir hızı sabit kabul edilir. Ancak uzun menzilli uçuş görevlerinde, seyir uçuşu birden fazla seyir irtifasına basamaklı tırmanma programlarını içerebilir.

Alçalma hareketi uçağın seyir irtifasını ve hızını belirli bir hız programına göre azalttığı aşamadır. Yaklaşma ve iniş hareketleri ise uçağın yaklaşma hızına ulaşması ile piste teker koyarak taksi hızına yavaşlaması ve pisti terk etme aşamalarını içerir. Uçağın pisti terk ederek park yerine gelmesine kadar süren aşama ise iniş taksisi hareketi olarak adlandırılır.

Varış meydanındaki hava trafiğinin yoğun olması durumunda uçaklar hava trafik kontrol birimleri tarafından havada belirli bir konum ve irtifada bekletilebilirler. Bekleme sırasında uçaklar belirli bir hızda düz uçuş ve koordineli dönüş hareketleri ile bekleme paterni adı verilen kapalı bir döngü üzerinde uçuşlarını gerçekleştirirler.

Ağırlığın Uçuş Performansına Etkileri

Bir uçağın göstereceği uçuş performansı planlanan uçuş profili ile ne derece uyumlu bir uçuş gerçekleştireceği ile ilişkilidir. Uçuş performansı uçuş profilinin her aşaması için farklı parametrelerle ifade edilir. Örneğin kalkış ve iniş aşamaları için iniş ve kalkış mesafeleri; tırmanma aşaması için tırmanma oranı ve açısı ile uçuş tavanı; seyir aşaması için ise menzil ve seyir hızı önem arz eden performans parametreleridir. Uçağın brüt ağırlığı tüm bu parametreleri etkilemektedir.

Kalkış aşaması sırasında bir uçağın ağırlığı kalkış mesafesini üç ayrı şekilde etkiler:

• Newton’un ikinci hareket kanununa göre bir cismin ivmesi kütlesi ile ters orantılıdır. Buna göre ağırlığı, dolayısıyla kütlesi, yüksek olan bir uçağın pist üzerinde ivmelenme kabiliyeti daha düşük olacaktır.
• İniş takımları ile pist yüzeyi arasındaki sürtünme kuvveti ağırlık ile doğru orantılıdır. Bu durumda artan ağırlık sürtünme kuvvetini artıracağı için uçağın ivmelenmesini zorlaştıracaktır.
• Uçağın pisten iniş takımlarını kesebilmesi için kanadı tarafından üretmesi gereken taşıma kuvvetinin ağırlığına eşit olması gerekir. Ancak ağırlık artıkça onu dengeleyecek olan taşımanın üretilebilmesi daha yüksek bir hızda mümkündür.

Bu üç etki sonucunda ağırlık hem havalanmak için gerekli hızı hem de ivmedeki düşüş nedeniyle o hıza ulaşmak gerekli olan süreyi uzatacaktır. Böylelikle uçağın kalkış mesafesi artacaktır.

Tırmanma aşamasında artan ağırlık hem tırmanma açısı hem de tırmanma oranında düşeşe neden olacaktır. Tırmanma oranındaki azalma ise hedeflenen seyir irtifasına tırmanma süresini uzatacağı için yakıt tüketiminde artışa ve dolayısı ile menzilde düşüşe neden olacaktır.

Seyir aşamasında da ağırlıktaki artış uçağın seyir irtifasını sınırlayarak uçağın yakıt tüketimini daha da artıracağı için uçağın menzili ve havada kalma süresi azalacaktır.

Yaklaşma ve iniş aşamasında ağırlığın uçak üzerinde şu etkileri mevcuttur:

• Artan ağırlık uçağın havadaki minimum tutunma hızını artıracağı için yaklaşma ve piste teker koyma hızlarını da artıracaktır.
• Artan ağırlık, dolayısı ile artan kütle nedeniyle uçağın pist üzerinde yavaşlaması için gerekli olan ivme Newton’un ikinci yasasına göre azalacaktır.
• İniş takımları ile pist yüzeyi arasındaki sürtünme kuvveti ağırlık ile doğru orantılı olarak artarak ek bir frenleme kuvveti sağlayacaktır.

Uçağın teker koyma hızındaki artış ile yavaşlaması için gerekli ivmenin azalması uçağın iniş mesafesinin uzamasına neden olacaktır. Aşırı ağırlıkla yüksek hızda iniş aynı zamanda piste teker koyma anında iniş takımı dikmelerinin üzerinde oluşan darbe yüklerini artıracağından yapısal yıpranma ve hasarlara neden olabilir.

Uçuş harekâtında uçağın ağırlığındaki artışının söz konusu bu performans ve emniyet limitleri içerisinde olduğundan emin olmak için hesaplamalar yapılır. Emniyetli bir şekilde yüklenmiş bir uçağın brüt ağırlığı verilen uçuş koşulları ve yük dağılımı için tanımlanmış ağırlık limitlerinden küçük ya da eşit olmalıdır. Bu koşulu sağlamayan uçak aşırı yüklenmiş olarak adlandırılır. Özetle, aşırı yüklenmiş bir uçağın performansında;

• Kalkış için daha fazla hızlanmaya ve daha uzun bir piste ihtiyaç duyulur,
• Tırmanma açısı ve oranı azalır,
• Menzil ve havada kalma süresi düşer,
• İnişte hızı artacağı için daha uzun bir yaklaşma paternine ihtiyaç duyulur,
• Fazla ağırlık iniş takımları, uçak gövdesi gibi bölgelerde yapısal yıpranmalara neden olabilir.
• Havada minimum tutunma (stall) hızı artacağı için emniyet limitleri daralır.
• Manevra ve kumanda kabiliyeti azalır.

Birimler ve Birim Dönüşümleri

Uçakların boyutları, temel ve limit ağırlıkları, yük taşıma kapasiteleri (hacimleri) imalatçı firmanın menşeine göre;

• Metrik sistem ya da
• İngiliz birim sistemi cinsinden ifade edilebilmektedir.

Her iki sistem arasında birim dönüşümlerinin doğru şekilde yapılabilmesi için dönüşüm bağıntılarının iyi anlaşılması gereklidir.

Kütle, Hacim ve Ağırlık Birimlerinin Dönüşümleri

Metrik sistemde ağırlık birimi Newton (N), İngiliz sisteminde ise pound (lb) cinsinden ölçülür. Bir Newton yer çekimi ivmesinin (9,81 m/s2 ) bir kilogram (kg) kütle üzerine uyguladığı kuvvete eşittir.

Benzer şekilde, bir pound ise yer çekimi ivmesinin (32,17 ft/s2 ) bir slug kütle üzerine uyguladığı kuvvettir. Ancak metrik sistemin kullanıldığı kaynaklarda ağırlık değerleri genellikle Newton yerine kütle birimi olan kilogram (kg) cinsinden verilmektedir. Bu nedenle İngiliz ve metrik sistemler arasında birim dönüşümü yapılırken ağırlık ve kütle arasında çapraz hesaplamaların yapılması gerekir. Metrik sistemdeki kütle (kg) ile İngiliz sistemindeki ağırlık (Ib) birimlerinin dönüşümlerde aşağıdaki bağıntılar kullanılır.

• Kütle (kg) = Ağırlık (lb) x 0,4536 kg/lb
• Ağırlık (lb) = Kütle (kg) x 2,2046 lb/kg

Ağırlık ve kütle dönüşümlerine ek olarak, yakıtın hacim birimleri cinsinden tedarik edilmesi nedeni ile hacim dönüşümlerine de ihtiyaç duyulur. Yakıt genellikle litre (lt), İngiliz Kraliyet galonu (gal, Imp. gal veya U.K. gal) ya da A.B.D galonu (U.S.gal) cinsinden ifade edilir. Bu birimlerin dönüşümü için aşağıdaki bağıntılar kullanılır.

• Hacim (lt) = Hacim (gal) x 4,5461 It/gal
• Hacim (lt) = Hacim (U.S.gal) x 3,7854 lt/U.S.gal
• Hacim (U.S.gal) = Hacim (gal) x 1,2009 U.S.gal/gal

Yakıt ağırlığının ya da kütlesinin hesaplanabilmesi için yakıtın yoğunluk (özkütle) ya da özgül ağırlığının bilinmesi gereklidir. Yakıt hacmi ile yakıt kütlesi ve ağırlığı arasındaki dönüşümler aşağıdaki bağıntılar kullanılarak yapılır.

• Yakıt Kütlesi (kg) = Hacim (lt) x Yakıtın Yoğunluğu (kg/lt)
• Yakıt Ağırlığı (lb) = Hacim (gal) x Yakıt Özgül Ağırlığı (lb/gal)

Uzunluk ve Mesafe Birimlerinin Dönüşümleri

İngiliz birim sisteminde uzunluk hesaplamaları için inç (in) veya feet (ft), mesafe hesaplamaları için ise deniz mili (nm) kullanılmaktadır. Bu birimler ile metrik sistem arasındaki dönüşümler aşağıda verilen bağıntılarla ifade edilir:

• Uzunluk (in) = Uzunluk (ft) x 12 in/ft
• Uzunluk (m) = Uzunluk (ft) x 0,3048 m/ft
• Uzunluk (cm) = Uzunluk (in) x 2,54 cm/in
• Mesafe(m) = Mesafe (nm) x 1,852 m/nm