|
YÜZEY ETKİSİNDE UÇUŞ
Gülkız Doğan Araş. Gör., ODTÜ, Havacılık Mühendisliği Bölümü
Uçak pilotları inişe geçen uçağın yere değmeden az önce daha fazla
alçalmak istemediğine, yoluna öylece devam etmek istediğine tanık
olurlar. Yüzey, uçağı yukarı itmektedir. Bu bize, yere düşen bir
parça kağıdın halının üzerinde kaydığını yada bazen kuşların suyun
üzerinde, hemen hemen hiç çaba harcamadan uçabildiklerini gözlemlediğimizi
hatırlatır. Tıpkı kuşlar gibi Wright Kardeşler de yüzey
etkisinden bilinçsizce faydalanmışlar ve belkide ilk uçuşlarını bu
etki sayesinde gerçekleştirmişlerdi.
İlk olarak 1920 ' lerde tanımlanan ve teorik araştırmaları yapılan
'yüzey etkisi' (ground effect) nedir?
Bir kanat yüzeye yaklaştıkça iki olay gerçekleşir. Bunlardan ilki
kaldırma kuvvetinden dolayı oluşan sürükleme kuvvetinin azalması,
diğeri kaldırma kuvvetinin artmasıyla sonuçlanır.
Kanat yüzeye yakınken sürükleme kuvveti (D) neden azalır?
Bir uçağın sürükleme kuvveti iki ana kısımda incelenebilir.
Birincisi havanın uçak yüzeyiyle yaptığı sürtünmeden dolayı oluşur ve
dolayısıyla uçağın yüzey alanıyla ilgilidir. İkincisi uçağın kaldırma
kuvvetinin oluşumuyla ilgilidir. Bir kanat positif kaldırma kuvveti
ürettiğinde kanadın alt yüzeyindeki statik basınç üst yüzeyinkinden
yüksektir. Basınç farkının kanadın yüzey alanıyla çarpımı kaldırma
kuvvetine eşittir. Ancak alt yüzeyin yüksek basıncı üst yüzeyin alçak
basıncıyla kanat uçlarında buluştuğunda, hava alt yüzeyden üst yüzeye
kanat ucu etrafında döner ve kanat ucu girdaplarını oluşturur. Bu
girdaplarda depolanan enerjinin kaybı kaldırma kuvvetinden dolayı
oluşan sürükleme kuvveti olarak tanımlanır. Bir uçak yere yakın
uçtuğunda kanat uçlarında oluşan girdaplar tam gelişim sağlayacak alan
bulamayacak böylece alt tarafta oluşacak basınç kaçağı azalacak ve
girdaplar zayıflayacaktır. Sonuç olarak sürükleme kuvveti (D)
azalacaktır.
Şekil 1, yüzey etkisinde olmayan bir
uçağın Şekil 2 ise aynı uçağın yüzeye oldukça yakınkenki hava döngüsünü ve
etkin kanat açıklığını göstermektedir. Dikkat edilirse uçağın etkin kanat
açıklığının yüzey etkisiyle nasıl arttığı görülecektir.
Şekil 1. Yüzey etkisinde olmayan bir uçağın
etrafındaki hava döngüsü.
Şekil 2.Yüzey etkisindeki bir uçağın etrafındaki
hava döngüsü.
Yüzeye yaklaşıldığında kanadın
altında oluşan yüksek basınç hava yastığını oluşturur. Öyle ki bazen yüzeye
yakınlık çok küçüldüğünde kanadın altındaki hava durgunlaşır. Ram etki ya da
ram basınç denilen bu durum kaldırma kuvvetinin (L) artışına yol açar. Şekil 3
yüzey etkisinde olmayan bir kanadın ve Şekil 4 yüzeye kendi genişliğinin onda biri
kadar yakın olan bir kanadın basınç dağılımlarını göstermektedir. Sayısal
hesaplamalarla elde edilen bu statik basınç dağılım grafiklerinde kırmızı
bölgeler yüksek basıncı temsil etmektedir.
Şekil 3.Yüzey etkisinde olmayan bir kanadın basınç dağılımı.
Şekil 4.Yüzey etkisinde olan bir
kanadın basınç dağılımı.
Bu iki olayın toplam sonucu kaldırma
kuvvetinin sürüklenme kuvvetine oranının (L/D) artmasıdır. Eğer kaldırma
kuvvetinin uçağın toplam ağırlığına, sürüklenme kuvvetinin motor gücüne
karşılık olduğu düşünülürse, L/D’nin genel olarak belli miktardaki motor
gücüyle taşınabilecek ağırlığı temsil ettiği anlaşılır. Bu oranın
yükselmesi uçağın veriminin artmasını ve yakıt tüketiminin azalmasını
sağlayacaktır.
1960’larda Rus gemi tasarımcısı
Rostislav Alexeev, su üzerinde daha hızlı ulaşım sağlama arzusuyla yüzey etkisinin
avantajını kullanan ve kendisinin Ekranoplane (ekran=yüzey, plane=uçak) olarak
adlandırdığı araçlar inşa etmeye başladı. Deniz yüzeyinin hemen üzerinden
uçarak ilerleyen 120-550 tonluk gemi uçak arası bu araçlar aslında ticari amaçla
değil Rus deniz kuvvetlerinin kullanımı için üretildiklerinden tasarımları gizli
tutulmuştu. Alexeev yaptığı bu çalışmalar dolayısıyla Nobel ödülünün
Rusya’daki eşdeğeri Stalin Ödülü’nü aldı. Aynı yıllarda Amerika Birleşik
Devletlerinde bir Alman, Alexander Lippisch, patenti daha sonra bir Alman firmasına
verilecek olan deniz üzerinde dengeli uçağını dizayn etti. Japonya’da da benzeri
çalışmalar başladı.
WIG (Wing In Ground Effect, Yer Etkisindeki
Kanat), WISE (Wing In Surface Effect, Yüzey Etkisindeki Kanat) yada AGEC (Aerodynamic
Ground Effect Craft, Aerodinamik Yüzey Etkisi Aracı) gibi farklı şekillerde de
adlandırılan, başta SSCB, Almanya, Japonya, Çin, İtalya ve ABD olmak üzere
gelişmiş ülkelerin yıllardır üzerinde önemle durduğu yüzey-araçları gelecek
için ne ifade ediyorlar?
Bir yüzey-uçağının üretimi ona denk
bir uçağın üretiminden %70 daha az maaliyet gerektirmektedir. Ayrıca bir
yüzey-uçağı kilometre başına bir uçak kadar değil nerdeyse bir otomobil kadar
yakıt tüketmektedir. Yüzey-uçaklarının hava trafiği denetimi, hava alanı yapımı
ve bakımına harcanan paralardan da muaf olduğu düşünülürse iktisadi anlamda
dikkate değer oldukları kabul edilecektir.
Eğer hayal gücünüzü kullanırsanız
yüzey etkisinden sadece uçakların değil gemilerin ya da trenlerin de
faydalanabileceğini göreceksiniz. Japon mühendisler yüzey etkisini kullanarak sıradan
bir trenin kullandığı manyetik enerjinin dörtte biriyle çalışan trenler tasarlama
çabasındalar. Takılan kanatlar ve dikey dengeleyiciler ile saatte 50 km hıza
ulaştıktan sonra yerden 5-10 cm havalanan ilk başarılı tren, raylarda oluşan
sürtünme kuvvetinden kurtulmuştur. Suya değmeyen gemiler, kanatlı trenler ve yerden
sadece yarım metre yukarda uçan uçakların düşüncesi dahi insanı
heyacanlandırıyor. Gemileri ve trenleri bir tarafa bırakırsak elbetteki yüzlerce
metre irtifada uçması için tasarlanmış sıradan bir uçağın bile yerde
kilometrelerce iyi performans göstermesi beklenemez. Yüzey etkisinden faydalanmak
amacıyla yola çıkmış bir mühendisseniz üzerinde ilk düşüneceğiniz yeni bir
aerodinamik yapı ve uçağın kendi doğal dinamik dengesi olmalıdır. Böylece mesela
deniz üzerinden ilerlemeyi düşünüyorsanız her boy deniz dalgasıyla veya muhtemel
herhangi bir yükseltiyle karşılaştığınızda uçağınız dengede kalacaktır.
Şekil 5. Çin tasarımı yüzey
uçağı, Hubei TY-1
Düşük irtifada ve oldukça yüksek
hızlarda bir uçuş için daha gelişmiş yapısal malzemeler (özel metal yapımı
hücum kenarları gibi) gerekecektir. Mesela komposit bir gövdenin içine su geçtiğinde
ne olacağını tahmin etmek zor değildir. Motor sisteminde de değişikliklere ihtiyaç
duyulucaktır. Bugün kullanımda olan yüzey uçakları sıradan turbofan uçak motoru
kullanmaktadırlar. Ama bu motor uzun süre deniz suyuna maruz kaldığında çıkabilecek
sorunlar göz ardı edilmemelidir.
Askeri gizlilikler, sudan kalkış
problemini çözmek, maximum dengesel tasarım gerekliliği her ne kadar bu araçların
gelişim ve kullanım sürecini yavaşlatmış olsa da, bugün oldukça çok bilimsel
birikim ve deneyim ile yüzey uçaklarının gelecekteki pozisyonuna umutla bakılabilir.
Günümüzün su taksileri olarak tanımlanabilecek yüzey-uçakları, teknolojik
ilerlemeler ışığında, sıradan uçaklarla taşınması olanaksız büyük malları
rahatlıkla taşıyacak, okyanuslar üzerinden transonik hızda uçabilecek, 2-3 bin
tonluk dev araçlara dönüşebilirler.
KAYNAKÇA
‘The WIG Page’,
( Bu web sayfası Edwin von Opstal
tarafından hazırlanmıştır.)
1996, ‘Ekranoplans & Very Fast Craft’, The
University of New South Wales.
1998, ‘WISE up to Ekranoplan GEMs’, The University of
New South Wales.
|   |
|