Değerli okurlarımız birçok farklı proje ile birlikte şehrimizi havacılık ve savunma sanayi teknolojileri ile buluşturduk. Farklı kesimlerden uçuş aerodinamiği ile ilgili sorular tarafımıza gelmekte. Bu kapsamda köşe yazımızı bu önemli konunun temellerine ayırdık. Üniversite tercihlerinin yapıldığı şu dönemle uyumlu olduğundan dolayı. Ayrıca sorularınız için BŞEÜ UAV Atölyesine sizleri bekliyoruz. Tabi ki yalnızca üreten akademisyen ve araştırmacı gençlik için.

Uçma, havadan ağır bir cismin havada belirli bir yükseklikte tutunabilmesi ve hava içinde hareket edebilmesidir. Bir uçak uçuş yaptığında havada tutunma işini kanatları, hareketini ise güç sistemleri sayesinde sağlar. Uçağın uçabilmesi için kendi ağırlığını karşılayacak kadar “Taşıma” kuvvetine; hareket edebilmesi ve oluşacak sürükleme kuvvetini karşılayabilmesi için “Çekme” kuvvetine ihtiyacı vardır. Uçuş sırasında uçak, dört kuvvetin etkisi altındadır. Bu kuvvetler; “Taşıma” (A), “Çekme” (B), “Ağırlık” (C), “Sürükleme” (D)’ den meydana gelmektedir. Bir uçakta tutunma kanat, hareket ise güç sistemleri sayesinde sağlanmaktadır. Bir uçağın uçabilmesi için kendi ağırlığını karşılayacak kadar “Taşıma” kuvveti mydana getirmesi gerekmektedir. Aynı zamanda havanın içinde hareket etmesini sağlayacak ve bu hareketten kaynaklanan “Sürükleme” kuvvetini karşılayacak “Çekme” kuvveti üretilmektedir. Yeterince taşıma kuvveti tutunmayı, yeterince çekme kuvveti de hava içindeki hareketi sağlamaktadır. Taşıma kuvvetini üretebilmek için kanatlara ve ileri doğru harekete ihtiyaç vardır. Taşıma kuvvetinin oluşması, kanatların yapısı ile doğrudan bağlantılıdır (Şekil 1.).

Şekil 1. Uçuş sırasında oluşan kuvvetler

Bir kanadın üst yüzeyine, alt yüzeyine göre daha değişken eğimli bir şekil verilmektedir. Kanadın alt yüzeyi hemen hemen düz bir şekildedir. Bu şekilde biçimlendirilmiş bir kanat hava içinde hareket ettirildiğinde, üst yüzeyinden geçen hava (A) alt yüzeyinden geçen havaya göre (B) daha hızlı hareket etmektedir. Hava hızlandığı zaman basıncı azalır. Bu durumda kanadın üst yüzeyinde alçak basınç (C) alt yüzeyinde ise, yüksek basınç oluşur (E). Bu basınç farkı kanadın yukarı doğru çekilmesini sağlamaktadır. Yani taşıma kuvveti (D) elde edilir (Şekil 2.). Bu taşıma kuvvetinin büyüklüğü çeşitli faktörlere bağlıdır. Bunlar; kanadın şekli ve büyüklüğü, hücum açısı (kanadın havayı karşılama açısı), kanadın hava içindeki hızı ve havanın yoğunluğudur.

Şekil 2. Uçak kanadında oluşan bileşke kuvvet

Taşıma kuvvetinin tam olarak oluşması, kanat hücum açısının (α) değiştirilmesi ile mümkün olmaktadır. Kanat hücum açısı arttırıldığında, taşıma kuvveti (L) ile hava sürati ve geri sürükleyici kuvvetlerde (D) de değişiklik meydana gelmektedir (Şekil 3.). Hücum açısına ilave olarak kanat alanı, hava yoğunluğu ve hız da önemli birer etkendir. Şekil 3.’te gösterilen Fx ve Fy kuvvetlerinin bileşimi sonucunda oluşan Fα kuvveti o α hücum açısında elde edilen taşıma ve sürükleme‘nin bileşenini vermektedir.

Şekil 3. Kuvvetlerin vektörel gösterimi

Havanın kanadın üst yüzeyinde alt yüzeyine göre daha hızlı olması durumunda, Bernoulli denklemine göre basınç farkları oluşmaktadır. Üst yüzeyde hava akış hızı yüksek değere sahipken basınç değeri düşük olmaktadır. Alt yüzeyde ise hava akış hızı üst yüzeye göre daha az değere sahipken basınç değeri daha yüksek olmaktadır. Bu basınç farkından dolayı kanat yukarı yönlü kuvvet kazanır. Bu kuvvete kaldırma kuvveti denir ve L sembolü ile gösterilir. Kaldırma kuvveti; kanadın hücum açısı, kanat kamberi, açıklık oranı, sivrilik oranı ve ok açısı ile bağlantılıdır. Kanat üzerinde oluşan kaldırma kuvveti aşağıda gösterildiği gibi formülize edilmektedir.

ρ havanın yoğunluğu (kg/m³ ), A yüzey alanı (m² ), havanın akış hızı (m/s), CL ölçüsüz kaldırma katsayısı, CD ölçüsüz sürükleme katsayısı ve CM ölçüsüz moment katsayını ifade etmektedir. Bir uçağın serbest akış hızına paralel ve uçuş yönüne zıt olan aerodinamik kuvvet, sürükleme kuvveti olarak bilinir. Sürükleme kuvveti, bir uçak için birçok dezavantajı beraberinde getiren en güçlü kuvvetlerden biridir. Sürükleme kuvvetindeki artış; uçuş menzilinin azalması, kalkış mesafesinin artması vb. gibi birçok dezavantajı beraberinde getirir. Sürükleme kuvveti; uçağın uçuş hızına, kanat alanına, uçuş yüksekliğinin yoğunluğuna ve Sürükleme katsayısına (CD) bağlı olarak değişkenlik gösterir. Uçuş sırasında kanadın rüzgâr direnci karşısında oluşturduğu yatay düzlemdeki moment Yunuslama momenti olarak tanımlanmaktadır. Kanat üzerinde oluşan yunuslama momenti formülde gösterildiği gibi formülize edilmektedir. Rüzgârın akış yönü ile uçak kanadının merkez çizgisi arasında oluşan açıya “Hücum Açısı” denir. Bu açının kanat tarafından oluşturulan kaldırma kuvveti üzerinde büyük etkisi vardır. Hücum açısı arttıkça kanada etki eden kaldırma katsayısı (CL) ve sürükleme katsayısı (CD) doğru orantılı olarak artar. Düşük hücum açılarında, kanadın üst kısmındaki hava akışı düzgün bir şekilde akar. Belli bir açıdan sonra hava akışı kanadın üst yüzeyinden ayrılmaya başlar ve kanat üzerinde girdaplı bir akış oluşur. Bahsi geçen bu açıya “stall açısı” ismi verilir.

Süzülme oranı kanadın kaldırma ve sürükleme kuvvetleri ya da katsayıları arasındaki orandır. Ayrıca belirli bir zamanda yatay olarak kat edilen mesafenin irtifa kaybına oranıdır. Örneğin süzülme oranı 5 olan bir planör 1 km yükseklikten uçuşa başladığında 5 km menzil kat edebilir. Bu nedenle uçakların aerodinamik performansın kıyaslanmasında süzülme oranı değeri çok önemlidir. Kanat aerodinamik performansı incelendiği zaman kıyaslama yapabilmesi için en önemli parametreler; CL, CD, CM değerleri, süzülme oranı ve stall açısı değeridir. İki boyutlu kanat kesiti analizinde ve üç boyutlu kanat analizinde bu değerler üzerinden aerodinamik performans karşılaştırmaları yapılmaktadır. Reynolds sayısı, bir sıvı akışında atalet kuvvetlerinin viskoz kuvvetlere oranını tanımlar ve test koşulları oluşturulurken en önemli parametrelerden biridir. Reynold sayısının formülü Eş. 2.5’de gösterildiği gibidir. Bu eşitlikte ρ akışkan yoğunluğu, V akışkanın hızı, L karakteristik uzunluk, μ akışkanın dinamik viskozitesidir.

Kanat profilinin şekli ve tasarımı, görev gereksinimine ve uçağın performansına bağlı olarak her tip uçak için farklıdır. Kanat profili; uçuşun tüm aşamalarında seyir hızını, kalkış ve iniş mesafelerini, stall hızını, yol tutuş özelliklerini, yakıt tüketimini ve aerodinamik verimliliği etkiler. Bir kanat profili kesitinin tam geometrisini belirlemek için Şekil 4.’de görüldüğü üzere kanat uzunluğu, ortalama kamburluk çizgisi, kalınlık ve hücum kenarı yarıçapı gibi parametreler kullanılır.

Şekil 4. Damlacık modeli parametreleri

Literatür taraması sonucunda bir İHA tasarımı için önemli aerodinamik parametrelinin teorik hesaplaması hakkında bilgi edinilmiştir. Bu kapsamda yapılan tasarımların ve CFD sonuçlarının ele alınıp değerlendirilmesiyle alakalı bir araştırma ayrıca yapılarak aşağıdaki bilgiler elde edilmiştir. Bir makalede araştırmacılar 3 farklı uçak kanadını modellemiş ve sonrasında hücum açısı değişimiyle taşıma katsayısı arasında ilişki CFD analizleri sonucunda elde edilmiş ve tartışılmıştır (Şekil 5-6.). Ayrıca Şekil 7’de basınç farkı nedeniyle uçuşun nasıl gerçekleştiği ile ilgili bilgi yer almaktadır.

Şekil 5. Üç farklı kanat yapısı

Şekil 6. CFD analiz sonuçları

Şekil 7. CFD analizinde basınç değişimi sonuçları

Yapılan bir araştırmada farklı damlacık modeli tasarımlarının aerodinamik uçuş analizleri yapılarak farklı hücum açıları değişimleri ile ilgili bir değerlendirme yapılmıştır. Tablo 1’de analiz sonuçları yer almaktadır. Tasarımı ve CFD analizi gerçekleştirilecek farklı model uçak geometrilerinin akış analizleri yardımıyla ideal tasarımlar geliştirilmektedir.

Tablo 1. Farklı damlacık modeli analiz sonuçları

Değerli okurlarımız bu hafta temel uçuş prensiplerini konu edinmiş bir yazı hazırladık. Havacılıkla ilgili çalışmalar yapmak isteyen ve bilhassa bu konuda üniversite tercihi yapacak adaylar için açıklayıcı bir yazı oldu. Aslında teknik konuların halkımızın ilgisini çekmeyeceğini düşünerek çok fazla mühendislik yazıları hazırlamamıştım. Bundan sonraki yazılarımızda mühendislik gerçekleri ve temel teknikleri halkımızla buluşturmaya devam edeceğiz.