Ünite 5: Uçaklarda Ağırlık ve Denge

Ağırlık ve Denge Teorisi

Günümüzde üretilen uçaklar aslında taşıyabilecekleri belirtilen azami ağırlıklardan çok daha fazlasını taşıyabilecek dayanıklılıkta yapılmaktadır. Uçak tasarım mühendisleri tasarımını yaptıkları uçaklarda en az %50 emniyet faktörü öngörmektedirler. Yeryüzündeki bütün cisimlerde olduğu gibi düz bir hatta sabit hızla ilerleyen veya hareketsiz duran bir uçağa etki eden g-kuvveti (gforce) 1’dir. Kararlı (stable) bir tırmanış, süzülüş veya düz uçuş durumlarında da uçak üzerinde aynı şekilde 1 g değerinde bir yük faktörü etkisi olmaktadır. %50 emniyet faktörüne göre örneğin tasarımı 4 g değerindeki azami yük faktörüne göre planlanan bir uçak, aslında yapısal sağlamlık yönünden 6 g değerindeki bir yük faktörüne dayanabilecek sağlamlıkta yapılmaktadır. Böyle bir uçağın yapısal dayanıklılık zayıflaması ancak 6 g değerindeki yük faktöründen sonra başlayacaktır. Bu kural operasyonel planlamalarından sorumlu olduğumuz uçakların, oldukça lehimize bir ağırlık değeri ile onaylandığını göstermektedir.

G kuvveti üzerinde önemli etkenlerden biride kötü hava şartları içinde uçarken sık sık karşılaşılan ani hava akımlarıdır. Uçağı aniden şiddetle sarsan bir rüzgar hamlesi (gust) yük faktörünü arttıran nedenlerdendir. Böyle durumlarda uçağın hamle içine girdiği andaki hızı ile hamlenin şiddetine bağlı olarak yük faktörü artacaktır. Bu durum aynen bozuk yolda araba kullanmaya benzer. Eğer arabayı kullanan engebeleri yavaşlayarak geçerse arabadaki sarsıntı yumuşak olur. Fakat aynı engebe hızla geçilirse arabanın sarsılmasında o derece şiddetli olur. Hamleler gerçekte hava tabakası içinde uzanan ve değişik hızlarda aşağı yukarı doğru hava akımları ihtiva eden kolonlar şeklindedir. Hamleli hava katmanları arasında yüksek hızla uçmak, uçak kanatlarına binen yük faktörünü çok arttırarak şiddetli düşüş ve sıçrayışlara sebep olur.

Her cismin hangi şekilde olursa olsun, fiziki olarak mahiyeti, biçimi değiştirilmediği sürece değişmeyen bir ağırlık merkezi vardır. Tasarım aşamasında uçaklarda da değişmeyen aerodinamik biçime göre yer belirlenen bir ağırlık merkezi (CG: Centre of gravity) vardır. Her uçağın ağırlık merkezinin belirli sınırlar içinde kalacak şekilde yüklenmesi aerodinamik istikrar için çok önemlidir. Uçağın denge durumundan emin olabilmek için uçaktaki bütün ağırlıkların yoğunlaştığı yer olarak düşünülen ağırlık merkezinin belirlenmesi gerekir. Uçaklarda ağırlık merkezi ile birlikte taşıma merkezide (CL: Centre of lift) tasarım aşamasında belirlenmektedir. Ağırlık merkezi normal olarak taşıma merkezinin biraz önünde bir yerde olacak şekilde tasarlanmaktadır. Bu tasarımın önemi uçuşta havada tutunma hızı (stall speed) civarına kadar hız azaltmalarında daha fazla belli olur. Hız azaltıldıkça irtifa dümeninin (elevator) hassasiyeti azalmağa başlar. Bu durumda ağırlık merkezinin taşıma merkezinin önünde oluşu uçağın burnunun aşağıya düşmesine neden olur. Bunun sonucu olarak da hücum açısı küçülür. Bu olay uçağın hız kaybederek düşme eğilimini azaltır ve uçağın direncini arttırır.

Ağırlık merkezi, bütün istikametlerdeki momentlerin eşit olduğu, bütün ağırlıkların etrafından dengeli ve eşit olarak dağıldığı bir noktadır. Yükleme sebebi ile yeri değişebilen ağırlık merkezinin müsaade edilen hareket sahasının ön ve arka sınırı arasındaki uzaklığa ağırlık merkezi mesafesi (center of gravity range) denir. Ağırlık merkezi mesafesi ağırlık merkezinin ön ve arka sınırlarını belirler.

Bir nokta veya hatta hareket meydana getiren eyleme moment denir. Değeri “inch pound” olarak gösterilir. Hesaplanması ise moment kolu uzunluğunun ağırlık ile çarpılması şeklinde olur.

Uçaklarda ağırlık ve denge hesaplamalarında referans olması için tamamen matematiksel olarak belirlenen, hayali bir başlangıç hattı oluşturulmuştur. Bu hayali başlangıç hattına referans hattı (datum line) denilmektedir. Referans hattı genel olarak uçağın burnuna teğet veya bir miktar önde bir yerde belirlenir. Uçağın yapımcısı tarafından uçak manuellerinde belirtilen referans hattı bir daha değiştirilmez. Uçak üzerindeki herhangi bir noktanın veya bir bileşenin (komponent) yerini kesin olarak belirtebilmek için kullanılan kavrama gövde istasyon numarası (BS: Body station number) denir.

Uçağın diğer cisimlerde olduğu gibi üç ekseni vardır. Uçaklarda ağırlık ve denge söz konusu olunca dikkate alınan daima uzunluk (boylam) eksenidir. Ağırlık merkezinin yeri denilince de bunun muhakkak uzunluk ekseni yani gövde üzerinde bir yerde olacağını düşünmek gerekir. Genişlik ekseni (kanatlar) boyunca düşünülerek denge sadece yakıt yüklemesi nedeniyle söz konusudur. Uçakların yakıt depolarının kanat içlerinde oluşu, iki kanat arasında denge sağlayacak şekilde bir yakıt yüklemesini gerektirir. Uçak kanat şekilleri düzgün bir dikdörtgen olmadığı için, kanadın coğrafi merkezindeki kord uzunluğu ortalama aerodinamik kord olarak esas alınır. Bu kordun uzunluğu tasarım safhasında uçağın tasarımını yapan mühendisler tarafından belirlenir.

Uçak Ağırlıkları Tanımlamaları

Ağırlık, uçağın ilk tasarımından itibaren üretimden çıkışına kadar göz önüne alınması gereken önemli bir faktördür. Büyük kapasiteli havayolu uçaklarında (kargo, yolcu) ağırlık bilgileri ve ağırlık değişimi önemli bir faktör olarak göz önünde bulundurulmalıdır. Başarılı ve etkin bir uçuşun önceden düşünülüp önceden yapılması gereken işlemlerinden birisi de uçağın kabul edilebilir sınırlardaki bir ağırlıkta yüklenmiş olduğunun kontrol edilerek belirlenmesidir. Ağırlık ve dengenin temel prensiplerini anlayabilmek için ağırlıkların havacılık terminolojisindeki tanımlarını iyi bilmek gerekmektedir. Ağırlık ve denge hesaplamalarında kullandığımız uçak formları uluslararası kullanım için üretici tarafından hazırlandığından kavramların İngilizce olarak da terminolojideki isimlerinin bilinmesi gerekmektedir. Uçakta taşınan yüklere ilişkin kavramlar aşağıda tanımlanmıştır.

Paralı yük (payload): Ticari sebeple uçakla taşınan bütün yüklere paralı yük denir.

Faydalı yük: Paralı yük gibi kabul edilmesine rağmen, ticari değeri olmayan fakat uçuş için taşınması zorunlu olan yüklere faydalı yük denir. Kullanılacak yağ, yakıt, çalıştırma sıvıları varsa yedek lastik ve safra yakıt bu kavram içinde sayılır.

Kullanılmayan yakıt (unusable fuel): Uçağın yapıldığı ülkenin kurallarına göre yapım sonrası motor testleri için uçağa yüklenip testler bittikten sonra normal boşaltma kapakları açılarak boşaltıldıktan sonra uçağın yakıt depolarında kalabilen yakıta kullanılmayan yakıt denir.

Safra yakıt veya yük (ballast fuel): Bazı uçak tiplerinde az yüklü, yüksüz, eğitim, tecrübe ve bakım gibi uçuşlarda ağırlık merkezi sınırların gerisinde çıkabilir. Bunu emniyetli sınırlar içine çekebilmek için ön yakıt tankına koyulup uçuş sonuna kadar hiç kullanılmayan yakıta safra yakıt denir. Aynı amaçla kum torbaları da kullanılabilir. Uçağın uygun kargo bölmesine gerektiği kadar koyulmak zorunda kalınan ve ticari değeri olmayan bu yüke pratikte safra denir.

Eski tip uçaklarda ve FAA kaynaklarında ağırlık ve denge hesaplamalarında ağırlık (weight) kavramı kullanılmakla birlikte, Orta Havacılık Otoritesi (JAA: Joint Aviation Authority) kütle (mass) kavramını kullanmıştır. Söz konusu ağırlıkların hareketli olması nedeniyle kütle (Kütle=Ağırlık x Sürat) kavramı kullanılmıştır. Bu yüzden JAA kaynaklarında ve dokümanlarında söz konusu kavramlar kütle olarak geçmektedir. Ağırlık ve denge hesaplamalarında kullandığımız temel uçak ağırlıklarını (kütlelerini) aşağıdaki gibi tanımlayabiliriz:

• Boş ağırlık (EW: Empty Weight)
• Temel boş ağırlık (BEW: Basic Empty Weight)
• Operasyonel değişebilen ağırlık (OVW: Operational Variable Weight)
• Temel operasyon ağırlığı (BOW: Basic Operating Weight)
• Yapısal azami sıfır yakıt ağırlığı (MZFW: Maximum Design Zero Fuel Weight)
• Yapısal azami taksi ağırlığı (MTW: Maximum Design Taxi Weight)
• Yapısal azami kalkış ağırlığı (MTOW: Maximum Design Takeoff Weight)
• Operasyonel azami kalkış ağırlığı (MOTOW: Maximum Operational Takeoff Weight)
• Yapısal azami iniş ağırlığı (MLW: Maximum Design Landing Weight)
• Yapısal azami uçuş ağırlığı (MFW: Maximum Design Flight Weight)

Ağırlık ve Denge Hesaplama Yöntemleri

Günümüzde ağırlık ve dene hesaplamalarında kullanılan formları anlayabilmek için kullanılmakta olan üç hesaplama yöntemini bilmek gerekir. Bu yöntemler hesaplama yöntemi, grafik yöntemi ve tablo yöntemidir.

Hesaplama yöntemi: Hesaplama yönteminde uçağın ağırlık, moment ve ağırlık merkezi değerleri bir hesap formu üzerinde hesap edilmiş olarak bir arada görülür.

Grafik yöntemi: Bu yöntemde çarpma, bölme işlemleri önceden üretici tarafından ağırlık ve moment grafiği üzerinde çizelgelerle belirtilmiştir. Bu yöntemde yakıt, pilot ve öndeki yolcular, bagaj ve arkadaki yolcuların çeşitli ağırlık durumları için momentleri dikkate alınarak grafik çizgileri oluşturulmuştur.

Tablo yöntemi: Tablo yönteminde, diğer yöntemlerde uygulanmakta olan çarpma, bölme işlemleri ve grafiklerin yerine her ağırlık değerini ve momentleri kapsayan tablo değerleri önceden üretici tarafından hesaplanmış ve uçak manueline konulmuştur.

Ağırlık ve Dengenin Uçak Performansına Etkileri Hava taşımacılığında uçuş emniyeti yönünden yüklerin ağırlığının önemi kadar bu yüklerin uçak içindeki dağılımları, yani yüklemenin dengeli olması da çok önemlidir. Pilotların yük dağılımını kontrol etmesi ihmal edilmemesi gereken bir sorumluluktur. Uçak uzunluk ekseni boyunca olan denge dolayısıyla uçuşun istikrarı, ağırlık merkezinin bulunduğu yere bağlıdır. Yüklemeden sonra uçağın ağırlık merkezi, belirlenmiş azami sınırlar içindeyse, uçak dengeli ve uçuş emniyetli olabilecektir. Ağırlık ve denge hesaplamaları sonucunda ortaya çıkan ağırlık merkezi ve denge değeri uçak performansını aşağıdaki üç durumda etkileyecektir:

• Aşırı yüklemenin uçak performansına etkileri
• Ön sınırlara yakın yüklemenin uçak performansına etkileri
• Arka sınırlara yakın yüklemenin performansa etkileri

Uçak Yükleme ve Sınırlamaları

Hava taşımacılığında taşınanlar hukuki olarak yolcu, bagaj ve kargo olarak üç gruba ayrılırlar. Yolcu, taşıyan ile arasında yapılmış bir taşıma sözleşmesi olan bilet karşılığında uçakta bulunan kişidir. Yolcu beraberinde belirli bir ağırlığa kadar uçakta ücretsiz taşınmak zorunda olunan kişisel eşyalara bagaj denir. Taşıyıcıya yolcu tarafından teslim edilen her bagaj için yolcuya bir bagaj kuponu verilir. Uluslararası kurallara göre belirlenmiş usul ve şekilde paketlenmiş olan ve uçakla taşınmasında bir sakınca bulunmayan canlı ve cansız yüklere kargo denir. Kargo taşıması, gönderici lojistik işletme ile havayolu şirketi arasında imzalanan “Havayolu Kargo Taşıma Senedi” veya diğer adıyla “Havayolu Kargo Konşimentosu” çerçevesinden yerine getirilmektedir. Havayolu taşımacılığında uçaklar taşıdıkları yüklere göre aşağıdaki üç grupta sınıflandırılabilirler:

• Yolcu ve bagaj taşıyan uçaklar
• Kargo taşıyan uçaklar
• Yolcu-kargo birlikte taşıyan uçaklar