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.

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.

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 düşüşüne dolayısıyla da akış hızının ani düşüşüne sebep olur. Hızdaki düşüş sebebiyle de hava akımı kanat yüzeyini takip edemez ve yüzeyden koparak sınır tabaka ayrılmasına sebep olur.

Dalga sürüklemesini azaltmak için şok dalgasının etkilerini azaltıcı önlemler almak gerekir. Dalga sürüklemesini azaltmak üzere uygulanabilecek yöntemler şunlardır:

• Şok dalgası arkasındaki bölgede ayrılmayı azaltıcı girdap üreteçleri kullanmak
• İnce (kalınlığı az) profiller kullanmak
• Transonik profiller kullanmak
• Keskin kenarlı süpersonik profiller kullanmak
• Uçak tasarımında (transonik) alan kuralını uygulamak
• Yüksek ok açılı kanatlar kullanmak

(Transonik) Alan kuralı

Transonik ve süpersonik hızlar için dalga sürüklemesini azaltmak adına uygulanan bir tasarım yöntemidir. Yüksek hızlı uçuş için yapılan incelemeler simetrik özellikteki, iki ucu sivriltilmiş biçimde olan ve “Sears-Haack şekli” olarak adlandırılan formda tasarlanan cisimlerin daha az sürükleme bileşeni yarattığını ortaya koymaktadır.

Alan kuralına göre bir cisim, akış doğrultusu ile paralel olacak uzunlamasına doğrultusu boyunca Sears-Haack şekli ile aynı kesit alan dağılımında tasarlanırsa asıl şeklinden bağımsız olarak Sears-Haack şekli ile aynı sürükleme değerini yaratmaktadır.

Yüksek hızlı uçuş yapacak uçakların sadece kanat ve gövde tasarımlarında değil, güç gruplarının tasarımlarında da sübsonik hız uçaklarına göre bazı düzenlemeler yapmak gerekir. Sivil süpersonik uçaklarda pulsejet ve ramjet gibi yüksek hız aerodinamiğine uygun güç gruplarına da yer verilir.

Yüksek Hızlı Uçuşta Ok Açısının Etkisi

Ok açılı kanada sahip bir uçak üzerine V hızı ile çarpan hava akımı, kanat üzerine dik bir şekilde gelecek olan V1 ve kanat hücum kenarını takip edecek olan V2 hız bileşenlerine ayrılabilir. Ok açısı, ? , kullanılarak elde edilen V1 ve V2 hız bileşenlerinin ifadeleri, denklemler şu şekildedir:

V1 =V · cos?

V2 =V ·sin?

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 kanat üzerine gelecek V1 hız bileşeni ses hızının altında olabilir. Böylelikle şok dalgasının oluşumu geciktirilebilir.

Askerî saldırı (avcı) uçaklarında uçuş hızına bağlı olarak kullanılabilecek şekilde, değişken ok açılı kanat uygulamaları örneklerine de rastlanmaktadır.

Sivil havacılıkta günümüzde kullanılmakta olan uçaklar maksimum hızları düşünüldüğünde transonik hızlarda uçuşlarını yapabilmektedirler. Ancak 2000’li yılların basına değin sivil havacılık alanında kullanımda olan süpersonik uçaklar da bulunmaktaydı. Geçmişte, sivil havacılık alanında süpersonik uçak olarak Tupolev Tu-144 ve Concorde uçakları kullanılmıştır. Her iki uçağın da tasarımsal özellikleri birbirine oldukça benzemektedir.

Tupolev Tu-144 uçakları SSCB’de Alexi Tupolev tarafından tasarlanmıştır. İlk uçuşlarını 1968 yılında yapan bu uçaklar sivil kullanımda 1975 yılında hizmete girmiştir. Uçağın prototipi 15 Temmuz 1969 Moskova yakınlarında yapılan bir uçuşta ses hızını ilk kez asarak Concorde uçağından önce bu hıza ulaşabilen ilk ticari tasıma uçağı unvanını almıştır. 1973 yılında Paris Hava Şovu’ndaki gösteri uçuşu sırasında yaşanan kaza sonrası proje eski popülerliğini giderek yitirmiştir. Bu uçaklar 1978 yılında ise tamamen hizmet dışı kalmışlardır.

Concorde ise Fransa ve İngiltere tarafından yürütülen ortak bir çalışma ile ortaya konan süpersonik bir yolcu uçağıdır. İlk uçuş denemesini 1969 yılında yapan Concorde uçağı 1976 yılında süpersonik ticari yolcu uçağı olarak hizmete girmiştir. Bu uçaklar Atlantik okyanusunu 3 saatte geçebilecek özelliğe sahiptiler. Temmuz 2000’de bir Concorde uçağı, Paris Charles de Gaulle Havaalanı’ndan kalkışından 1,5 dakika sonra düşmüştür. Bu kaza Concorde uçaklarına olan güvenirliği azaltmış, bu da yolcu sayısına yansımıştır. Bu uçaklar Ekim 2003’te son ticari seferini yaparak hizmetten kaldırılmışlardır.

Günümüzde süpersonik uçak çalışmalarının yanında 5,0 Mach ve üstü hızlara ulaşabilecek, hem atmosfer içi hem de atmosfer dışı koşullarda uçuş yapabilecek ve Atlantik üstü mesafeyi yaklaşık 1,5 saatte geçmesi planlanan hipersonik uçak çalışmaları deneysel olarak yürütülmektedir. Bu çalışmalar itki sistemleri, malzeme, yapısal eleman tasarımları vb. konulardaki çalışmaları da beraberinde getirmektedir.