Ünite7: Hava Araçlarında Denge, Kararlılık ve Uçuş Kontrol

Denge ve Kararlılık

Bir hava aracının emniyetli ve kullanışlı olabilmesi için sağlaması gereken üç temel özellik vardır. Bunlar, hava aracının havada tutunabilmesi, dengeli, kararlı olması ve kontrol edilebilmesidir.

Denge

Denge, bir özelliğin sabit olması durumudur ve ancak söz konusu özelliği değiştirecek net bir etki olmaması halinde mümkündür. Net etki olmaması, hiçbir etki olmadığı anlamına gelmez. Diğer taraftan, terazi ve kütlelerin sıcaklıkları çevre sıcaklığından veya birbirinden farklıysa, sistem ısı ve sıcaklık bakımından dengeli değildir. Tüm cisim, sistem ve elemanların sıcaklıkları eşitleninceye kadar, yüksek sıcaklıktaki ortamlardan düşük sıcaklıktaki ortamlara kendiliğinden ısı geçişi olur (bunun sonucunda ısılarının eşitlenmesi şart değildir). Bunun tersi asla mümkün olmadığından, sistemlerin ısıları ve sıcaklıkları sürekli olarak değişecektir. Dolayısıyla bir sistem içinde farklı sıcaklıklarda bölgeler bulunuyorsa ısı ve sıcaklık bakımından bir dengeden söz edilemez.

Bu ünitede hava aracının uçuş sırasında yere göre duruşu/durumu ile ilgili denge durumları incelenecektir. Hava aracı için dengeli bir duruş denince, akla genellikle yere paralel duruşu gelse de, hava aracı üzerinde bulunan bir düzlemin (örneğin döşeme düzleminin) yer düzlemine göre yaptığı açının belli bir süre içinde sabit kalması anlaşılmalıdır. Bu açılar ve süreler uçuş gerekliliklerine göre değişebilir.

Uçak Eksenleri ve Manevraları

Bir hava aracının, tümü ağırlık merkezinden geçen ve birbirine dik üç hayali eksene sahip olduğu kabul edilir ve hava aracının manevraları, bu eksenler etrafındaki dönüşlere göre tanımlanır.

Uzunlamasına eksen, hava aracının burun simetri noktasından, kuyruk simetri noktasına uzanan, gövde silindirik eksenidir. Bu eksen etrafındaki dönüşler yatış (roll) hareketi olarak adlandırılır. Uçak ağırlığının uzunlamasına eksen etrafında simetrik olarak dağıldığı kabul edilirse, uçağın bu eksen etrafında dengede olması için kanat ve yatay stabilize tasıma kuvvetlerinin oluşturduğu net momentin sıfır olması gerekir.

Dikey eksen, uçak yere paralel iken yerçekimi kuvvetine paralel ve uçak uzunlamasına eksenine dik olan eksendir. Bu eksen etrafındaki dönüşler, kimi zaman özel bir adlandırma yapılmadan basitçe dönüş veya sapma (yaw) hareketi olarak adlandırılır. Bir uçağa dikey eksen etrafında etki eden kuvvetler, motor itkisi, kanat ve yatay stabilize üzerindeki sürükleme kuvvetleridir. Yatay stabilize, uzunlamasına eksen etrafında simetrik olduğundan, sürükleme kuvvetler eşit, dolayısıyla dikey eksen etrafındaki momentler eşit ve zıt yönlüdür.

Yanal eksen (kanat ekseni olarak da adlandırılır fakat herhangi bir kanat düzleminden geçmesi şart değildir), uçak ağırlık merkezinden geçen ve diğer iki eksene dik olan eksendir. Bu eksen etrafındaki dönüşler yunuslama (pitch) olarak adlandırılır. Kanat taşıma kuvvetler yanal eksen üzerinde değilse veya motorlar ağırlık merkezle aynı yükseklikte değilse, yanal eksen etrafında momentler oluştururlar. Taşıma kuvvetleri ve momentler, genellikle itki kuvvetleri ve momentlerinden daha büyüktür. Ayrıca bazı uçaklarda itki momentleri (motorlar yanal eksenle aynı hizada olduklarından) sıfır veya (motorlar yanal eksenin yukarısında yer aldıklarından) taşıma kuvvet momentleriyle aynı yönlüdür. Dolayısıyla itki ve taşıma kuvvetlerinin oluşturduğu momentlerin kendiliğinden dengede olmaları söz konusu değildir. Diğer taraftan, taşıma kuvvetlerinin yanal eksen üzerinde olmaları veya itki ve taşıma kuvvetlerinin oluşturduğu momentlerin dengede olması, uçağın kararsız olmasına yol açtığından, tercih edilen bir durum değildir. Ayrıca uçuşun farklı safhalarında bu dengenin sağlanması her zaman mümkün olmayabilir. Bu nedenle yanal eksen etrafında dengenin sağlanması için, yatay stabilize adı verilen, ilave yüzeyler kullanılır.

Yatay stabilize, kanat formunda fakat daha küçük boyutlarda bir elemandır. Hava hızı sıfırdan farklıyken yatay stabilize üzerinde, kanat üzerinde olduğu gibi fakat daha küçük, bir aerodinamik kuvvet oluşur. Yatay stabilizenin kuvvet kolu, kanat taşıma kuvvetinin kuvvet kolundan daha büyük olduğundan, yatay stabilize tarafından oluşturulan momentler, kanat tarafından oluşturulan momentler dengeleyebilir.

Kararlılık

Bir sistemin denge halinde küçük (aşırı olmayan) bozulmalar sonrasında yenden denge haline dönme eğilimidir. Emniyetli bir uçuş için hava aracının kararlı bir şekilde tasarlanması şarttır. Hava aracının doğrusal hareketleriyle ilgili kararlılık genellikle çok önemli bir sorun teşkil etmez. Dikey düzlemde istemsiz hız değişimleri ise dikey rüzgârlara veya düzensiz hava akımlarına (türbülanslara) maruz kalındığında ortaya çıkan daha ciddi bir durumdur.

Hava aracının uzunlamasına eksen etrafındaki kararlılığı, öncelikle hava direnci ve bununla birlikte varsa sarkaç özelliği sayesinde sağlanır. Bir uçağın kanatları ve tüm yüzeyler uzunlamasına eksen etrafında simetrik olduklarından normalde aerodinamik moment dengesi sağlanmaktadır. Bu yüzeylerin karşılaştıkları hava direnç, bu dengenin bozulmasına karşı koyan önemli etkenlerden biridir. Hava aracının uzunlamasına eksen etrafında kararlılığını sağlayan bir diğer etken, sarkaç özelliği dir.

Uçaklarda hem kanatlar hem de yatay stabilize, yanal eksen etrafındaki kararlılığa katkıda bulunmaktadır. Uçağın burun yukarı hareketi halinde kanat ve yatay stabilize hücum açıları, dolayısıyla taşıma kuvvetleri ve uçağı burun aşağı yapmaya zorlayan momentleri artar; burun aşağı hareketinde ise bunun tersi gerçekleşerek, her iki durumda uçağı tekrar denge durumuna dönmeye zorlar.

Dikey eksen etrafında kararlılığı sağlamak için dikey stabilize adı verilen yüzeyler kullanılır. Uçak, dikey eksen etrafında ani dönüşler sırasında hava direnciyle karşılaşır. Bu hava direnci dönüş yönüne ters momentler oluşturur. Kuyruk bölümünde yer alan yatay stabilize, dikey stabilize ve bazı uçuş kontrol yüzeyleri ile birlikte kuyruk takımı olarak anılır.

Uçak üzerindeki tüm yüzeyler, hareket sırasında hava direnci ile karşılaştıklarından, kararlılığa, moment kollarının uzunluğuna bağlı olarak, az ya da çok katkıda bulunurlar.

UÇUŞ KONTROL YÜZEYLERİ

Uçuş kontrol yüzeylerinin temel görevi, uçuş sırasında veya yerde hava aracının manevra yapabilmesini (eksenleri etrafında dönmesini) sağlamaktır. Bununla birlikte tasıma kuvvetini artırma, denge ve kararlılık sağlama veya frenleme gibi görevleri de yerine getirirler.

Birincil Uçuş Kontrol Yüzeyleri

Hava aracının üç ekseni etrafında dönüşlerini doğrudan sağlayan yüzeyler birincil uçuş kontrol yüzeyleri olarak adlandırılır. Birincil uçuş kontrol yüzeyleri şunlardır:

• Elevatör(ler): Uçağın yanal (kanat) ekseni etrafında dönüşlerini sağlamak için kullanılan hareketli yüzeylerdir. Elevatörler yatay stabilize üzerinde bulunur ve tek parça veya çok parçalı olabilirler. Normalde (elevatörler kapalıyken) kanat taşıma kuvvetinin yanal eksen etrafında oluşturduğu moment, yatay stabilize aerodinamik kuvveti tarafından dengelenir.
• Aileronlar: Her bir kanat uç ve firar kenarı bölgesinde en az birer adet bulunan ve uçağın uzunlamasına ekseni (yatış ekseni) etrafında dönüş, denge ve kararlılığını sağlamak için kullanılan hareketli yüzeylerdir. Yanal eksen etrafında dönüşlerin (yatış manevralarının) sağlanması için aileronlar asimetrik olarak (uçağın yatırılmak istendiği kanat üzerindeki aileron yukarı, diğer kanat üzerindeki aileron aşağı doğru) açılır. Aşağı doğru açılan aileron, kanat tasıma kuvvetini artırırken, yukarı doğru açılan aileron kanat taşıma kuvvetini azaltır. Böylece uçağı yatırılmak istenen yönde net bir moment oluşur.
• Rudder(lar): Rudder’lar uçağın dikey ekseni etrafında dönüşlerini sağlamak için kullanılan hareketli yüzeylerdir. Rudder, dikey stabilize üzerinde bulunur ve tek veya çok parçalı olabilir. Rudder, uçak uzunlamasına eksenine göre simetrik olduğundan normalde (sıfır pozisyonundayken) dikey eksen etrafında bir moment oluşturmaz. Rudder, bir tarafa doğru açıldığında ise uçak burnunu aynı tarafa döndürecek şekilde üzerinde bir aerodinamik kuvvet oluşur. Bu kuvvet, uçak dikey ekseni etrafında bir moment oluşturarak uçağın dönmesini sağlar.

İkincil (Yardımcı) Uçuş Kontrol Yüzeyleri

Doğrudan hava aracının manevra yapması için kullanılmayan, fakat birincil uçuş kontrol yüzeylerinin manevralarına yardımcı olmak, hareketlerini kolaylaştırmak, taşıma veya sürükleme kuvvetlerini ayarlamak gibi ikincil görevler için kullanılan yüzeyler ikincil uçuş kontrol yüzeyleri olarak adlandırılır. Bunlardan,

• Flap’lar ve slat’lar, tasıma kuvvetini artırmak,
• Spoiler’lar, yatış manevrası sırasında aileron’lara yardımcı olarak, tasıma kuvvetini azaltmak veya sürüklemeyi artırmak (frenleme yapmak),
• Kontrol veya denge ayar (trim) kanatçıkları (fletnerler, tab’lar), pilot veya yapay güç sistemlerinin uygulamak zorunda kalacakları kuvvetleri azaltmak (bazı tab’lar pilotun uygulaması gereken kuvveti artırmak) için kullanılmaktadır.

Spoiler’ lar, açıkken taşıma kuvvetini azaltan (negatif taşıma kuvveti oluşturan) ve sürükleme kuvvetini artıran yüzeylerdir. Spoiler’lar kapalıyken kanat üst yüzeyiyle bir bütün oluştururlar ve düzgün hava akışına hemen hemen engel olmazlar. Açıldıklarında ise kanat üst yüzeyi üzerindeki hava akışını bozarlar. Spoiler üzerinde oluşan aerodinamik kuvvet hem kanat tasıma kuvvetini azaltır hem de sürüklemeyi artırır.

Yardımcı kanatçıklar, aerodinamik kuvvetler kullanılarak, aileron, elevatör, rudder gibi birincil uçuş kontrol yüzeylerinin hareketini veya sabit bir pozisyonda tutulmasını kolaylaştırmak (daha küçük kuvvetlerle gerçekleştirilmesini sağlamak) için kullanılan yüzeylerdir. Yardımcı kanatçıklar, asıl uçuş kontrol yüzeylerinin firar kenarının hareketli bir parçası seklindedirler ve asıl uçuş kontrol yüzeylerine zıt yönde açılırlar.

Uçakların denge ayar (trim) işlemi, denge ayar kanatçıkları (trim tabs), yatay stabilize hücum açısı ayarlanarak, sağ ve sol kanat yakıt tankları arasında veya merkez yakıt tankları ile kuyruk yakıt tankları arasında yakıt transferi yapılarak (böylelikle ağırlık merkezinin yeri değiştirilerek) yapılabilir.

Kokpit Kumandaları

Tüm uçuş kontrol yüzeylerinin kumanda araçları (lövye, “stick”, pedal, volan, düğme, v.b.) kokpitte yer alır. Mekanik kontrollü uçaklarda aileronlar ve elevatörler birlesik kumanda tekeri ve kolu/lövyesi ile kontrol edilir. Aileron tekerinin sağa-sola çevrilmesi, her bir kanat üzerindeki aileronların asimetrik (birbirine zıt yönlerde) açılarak uçağın sağa-sola yatışını sağlar. Lövyenin ilerigeri hareketleri elevatörlerin aşağı-yukarı açılarak uçağın burun aşağı-burun yukarı manevra yapmasını sağlar. İki pilotlu uçaklarda, kaptan pilot ve yardımcı pilotun lövye-teker kumandası genellikle birbirine mekanik olarak (kablo-makara ve benzeri sistemlerle) bağlantılıdır. Lövye ve/veya tekerlerden birinin yaptığı bir hareket, aynı anda diğer lövye ve/veya tekerde de gerçekleşir.

Hareket Yöntemleri

Uçuş kontrol sistemleri, yüzeylerin hareket yöntemlerine göre, doğrudan pilot kas gücüyle hareket ettirilen sistemler, yardımcı güç kullanan sistemler ve tümüyle yapay güç kullanan sistemler şeklinde üç temel gruba ayrılabilir.

Doğrudan Pilot Kas Gücüyle Hareket Ettirilen Sistemler

Birincil uçuş kontrol yüzeylerinin doğrudan pilot kas gücüyle hareket ettirildiği uçuş kontrol sistemleri mekanik hareketli sistemler olarak da adlandırılmaktadır. Mekanik hareketli sistemlerde pilotun kokpitte bulunan uçuş kontrol araçları üzerine uyguladığı kuvvetler, çelik kablolar, itme-çekme çubukları ve tork tüpleri gibi mekanik iletim vasıtalarıyla uçuş kontrol yüzeylerine iletilir. Bu tür sistemlerde uçuş kontrol yüzeyi üzerindeki kuvvetler de pilota iletilir (pilot tarafından hissedilir).

Yardımcı Güç Kullanan Sistemler

Uçak ağırlığı ve hızı arttıkça uçuş kontrol yüzeyleri üzerindeki aerodinamik kuvvetler pilotun karşılayamayacağı seviyelere ulaşır. Böyle durumlarda pilota yardımcı olmak üzere, elektrik, hidrolik, pnömatik veya aerodinamik güçlerden yararlanılabilir. Pnömatk sistemler, havanın yapay olarak basınçlandırılarak güç elde edilen, aerodinamk sistemler ise havanın kendiliğinden hareketinden kaynaklanan gücün kullanıldığı (ayrıca bir güç sistem gerektirmeyen) sistemlerdir. Hidrolik güç kontrol elemanları (Servo-Valfler), senkronize hidrolik güç yardımcılı sistemler ve hidrolik hareketli, kablo yedekli sistemler, hidrolik hareketli kontrol tab yedekli sistemler bu grupta yer alır.

Tümüyle Yapay Güç Kullanan Sistemler

Bu tür sistemlerde, birincil ve/veya ikincil uçuş kontrol yüzeyleri tümüyle hidrolik, pnömatik veya elektrikli akçüatörler (elektrik motorları) tarafından hareket ettirilir. Pilotun sistemde uyguladığı kuvvet, kontrol lövyeleri, volanları, düğmeleri veya akçüatör kontrol valfini hareket ettirmekten ibaret çok küçük kuvvetlerdir. Bu tür sistemlerde pilot, uçuş kontrol yüzeyleri üzerindeki aerodinamik kuvvetleri, eğer yapay bir kuvvet hissettirici (artificial feel) sistem yoksa hiçbir şekilde hissetmediğinden tek yönlü veya kuvvet geri bildirimsiz sistemler olarak adlandırılmaktadır.

KONTROL YÖNTEMLERİ

Uçuş kontrol yöntemleri, pilotun kontrol sürecine dâhil olup-olmayışına göre manuel veya otomatik; kontrol işaretlerinin (sinyallerinin) fiziksel özelliğine göre mekanik veya elektrikli seklinde sınıflandırılmaktadır. Uçuş kontrol yüzeylerinin pilot kas gücüyle hareket ettirildiği sistemler, bariz manuel kontrol örneğidir.

Otomatik uçuş kontrolü, elektrik-elektronik devreler veya bilgisayarlar tarafından gerçekleştirilmektedir.