Bildiğiniz üzere daha önce, Kanatlar–İniş takımları–Stabilize–Gövde frame ve Stringerler–Turbulans oluşumu ile ilgili detaylı yazılar yazmıştım. Bu hafta da uçakların en önemli komponenti yani bir nevi kalbi olan uçak motorlarını ele almak istedim. Umarım faydalı olur. İnceleyeceğimiz motor çeşitlerini de, Halk arasında ”Jet” yada ”Pervaneli” olarak ayırt edilen motor tipleriyle sınırlayacağım.
İlk önce sivil havacılıkta 100 koltuklu ve daha üzeri kapasiteli tüm uçaklar için standartlaşan ”Jet” motorlara kısaca bir göz atalım.
Jet motorlarının prensibi 17.yüz yıla kadar uzanır.
1687 yılında Newton tarafından ortaya konulan ”Hareket yasaları” arasından Etki-Tepki yasası, Jet motorların ana prensibini oluşturur. 1930 yılına gelindiğinde İngiliz Frank Whittle tarafından Jet motorların patenti alınmış ve üzerinde çalıştığı W1 isimli motor 1937 yılında laboratuvar ortamında başarıyla test edilmiştir. Aynı yıllarda Hans Joachim von Ohain isimli Alman fizikçi, Whittle’nin çalışmalarından bağımsızca kendi Jet motoru patenti üzerinde çalışmış ve ürettiği Jet motor Ağustos 1939’da Alman uçak üreticisi Heinkel’in He178 modelinde ilk defa uçarak dünyada Jet motorlu uçak çağını başlatmıştır.
Günümüzde kullanılan Jet motorları:
1) Turbojet
Çalışma prensibi yapısının aksine oldukça basittir. Motorun önünden emilen hava ”Compressor” isimli bölmede sıkıştırılıp yoğunlaştırılır, ”Combustion” isimli bölmede yakıt ile ateşlenir ve ”Turbine” isimli bölmeden geçerek egsoz görevi gören bölmeden dışarı atılır. Dışarı atılan hava hem itme görevi görür hemde ateşlendikten sonra ”Turbine” lerden geçerken enerjisinin bir kısmını, Turbine’lerin dönmesini sağlayarak kaybeder fakat bu sayede Compressor bölümündeki pervanelerin de dönmesine sebep olarak işleyen bir sistemin ortaya çıkmasını sağlar.
Günümüzün modern yolcu uçaklarında Turbojet motorlara rastlanmasa da zamanın öncü uçak modelleri Comet, B707 ve DC-8 gibi uçaklarda kullanılmıştır. Günümüzde de halen askeri havacılıkta kullanıldığı uçaklar mevcuttur.
2) Turbofan
Turbofan motorlar günümüzde sivil havacılığın ”Jet” motorlarıdır diyebiliriz. Aslında çalışma prensibi Turbojet motorlarla aynı olan Turbofan motorların en büyük farkı, motorların girişinde bulunan ”Fan”isimli çapı en geniş olan pervanenin, hava akımının bir kısmını motorun içine daha doğrusu sıkıştırma, yanma ve enerji boşalımı olan kısma yönlendirmesi, bir kısmını da bu bölmenin etrafından dolaştırarak doğrudan dışarı atmasıdır. Bu sayede motorun iç kısmının etrafından dolanarak doğrudan dışarı atılan hava akımı, motorun itme gücünün yaklaşık %60-80 gibi büyük bir bölümünü oluşturur. Turbofan motorların Turbojet motorlara kıyasla en büyük avantajları ise, hem aynı itme gücünde daha az yakıt tüketmeleridir hemde daha sessiz olmalarıdır.
3) Turboprop
Özellikle 100 yolcu kapasitesinin altında kapasiteye sahip olan ve bölgesel uçuşlarda kullanılan modern yolcu uçaklarında yaygın olarak kullanılır. Bir çok yolcu bu uçakların motorlarının, pervaneli olduğu için 40’lı yada 50’li yılların öncesinde uçan günümüzde nostaljik değeri olan DC-3, DC-4 yada DC-6 gibi uçakların motorlarına benzediğini düşünse de motor yapıları arasında pek benzerlik yoktur. Eski zamanın pervaneli uçakları otomobil motorları gibi silindirlerden oluşan yanmalı motorlar idi. Oysa günümüzde kullanılan ve Turboprop isimli pervaneli motorların kalbi Turbojet motorlar ile aynıdır diyebilirim. Motorun iç yapısı Turbojet motorlara çok benzediği için, eski yıllarda kullanılan yıldız şeklinde olan silindirli motorlara kıyasla daha ince ve daha hafif olduklarından, daha az yakıt tüketirler. Turbofan motorlara kıyasla daha ekonomik olmaları avanyajdır fakat, titreşim sesinin kabinde rahatsızlık vermesi, daha düşük uçuş hızına sahip olmaları, uçuş yüksekliği arttıkça itiş güçlerinin daha kuvvetli düşmesi ve yapıları gereği kanatların altına monte edilmeleri zor olması gibi dezavantajlara sahiptirler. Güvenlik açısından Turbofan motorlar gibi son derece güvenli bir motor çeşididir.
Uçak motorlarının frenleme fonksiyonu varmıdır?
Uçak motorların da ”Thrust Reverser” adı verilen ve itiş gücü olan hava akımının ters yöne doğru yönlendirilmesiyle oluşan frenleme fonksiyonu mevcuttur. Bu sistem uçaklar piste teker koyduktan sonra gerek iniş takımlarının frenlerine gerekse aerodinamik frenleme sistemlerine destek amaçlı kullanılır fakat asla havada frenleme ”Thrust Reverser” ile yapılmaz, böyle bir durumda bir faciaya yol açar.( 1991 yılında Lauda Air’in B767 uçağında uçuş esnasında istem dışı devreye giren Thrust Reverser uçağın düşmesine sebep olmuştu. 223 kişinin hayatını kaybettiği bu kazadan sonra Boeing, B767 modelinin ve benzer modellerin Thrust Reverser sistemlerinde değişikliler yaptı)
Uçak motorları ne kadar güçlüdür?
En çok tanıdığımız uçak modellerinden B737 yada A320 modellerinde kullanılan motorlar 110 ile 130 kN arası itiş gücüne sahiptir. 1kN kuvvet yaklaşık olarak 102 kg ağırlığı yer yüzünden dikey olarak kaldırmaya yeter, dolayısı ile B737 yada A320 lerde kullanılan bir motor 13 tondan fazla ağırlığı yerden dikey olarak kaldıracak güce sahiptir. Boeing B777-300ER’lerde kullanılan GE Aviation GE90-115B motoru ise 560kN’dan fazla itme gücüne sahipdir. Kısacası 57 ton ağırlığı dikey olarak yeryüzünden kaldırabilir. Motorun kendi ağırlığı ise 8,5 ton, fiyatı ise 25 milyon US-Dollar civarındadır.
Bir uçak motorunun itiş gücünü aşağıdaki video ile değişik bir kıyaslamada görmek mümkün.
Motorlardan biri havada durursa ne olur?
Yolcu uçaklarının motorlarının itme kuvvetleri toplam olarak, uçağın toplam ağırlığının %30 ile %35 oranını dikey şekilde kaldırabilecek kadardır. Uçakların aerodinamik yapısı sayesinde daha fazlası gerekmemektedir. Bir uçağın ihtiyacı olan motorlardan daha güçlüsünü kullanmak teknik açıdan sorun yaratmaz fakat, özellikle günümüzde her kuruşun hesaplandığı havacılık sektöründe ihtiyacın üzerinde kuvvetli motorlar kullanmak pahalıya patlayan bir uygulama olur. Uçağın sahip olduğu motorların hepsi gerektiği gibi çalıştığı sürece gereğinden fazla güçlü motorlara ihtiyaç yoktur. Fakat örneğin iki motorlu bir uçakta olur da motorlardan bir tanesi devre dışı kalırsa, işte sorun o zaman başlar. Çünkü, her ne kadarda yolcu uçakları uçuşlarını sürdürecekleri yüksekliğe ulaştıktan sonra uçuşu sürdürmek için toplam motor güçlerinin %70 ile %80 ‘ni ne ihtiyaç duysalar da kaybolan bir motorun karşısında geriye kalan motor ”Maximum Continuous thrust (MCT)” (motorun uzun süreli çalıştırılabileceği maksimum itiş gücü) modun da çalışsa da, uçağın uçuş yüksekliğini koruması imkansızdır. Uçağın hızı düşeceği için uçuş yüksekliği azaltılmalıdır. Daha alçakta hava yoğunluğu arttığı için sürtünme katsayısı artar ve buda uçağın menziline olumsuz etki eder. Her ne kadarda iki motorlu uçaklarda kanat altında tek motor olması kanadın aerodinamik yapısını pozitif etkilese de ve, kanadın dışına doğru ek bir motor olmaması ve kanat yapısının güçlendirilmek zorunda kalınmaması uçağın ağırlığını da düşürse de, tüm bu olumlu durumlar yinede 2 motorlu bir uçağın tek motorunu kaybetmesi, 4 motorlu bir uçağın tek motorunu kaybetmesinden daha fazla engel çıkarır. En önemlisi de dört motorlu bir uçağın tek motoru devre dışı kaldığında menzili yaklaşık %10 düşerken, iki motorlu bir uçağın tek motoru devre dışı kaldı mı menzili %20 düşmesidir.
Bu sebeple otoriteler ETOPS uygulamaları ile iki motorlu uçakların olası bir motor kaybında uçabilecekleri minimum uçuş süresini modellere ve uçağın donanımına göre belirlerler. Örneğin ETOPS 120, iki motorlu bir uçağın tek motorunu kaybetsede 120 dakika daha uçabileceğini söyler ve o uçak için uçuş planlaması yapılırken, rotası boyunca acil durumlar için inebileceği hava meydanlarının uçağa uzaklığının en fazla 120 dakika olması şartını koşar.
Açılımı ”Extended-range Twin-engine Operational Performance Standards” olan ETOPS, iki motorlu yolcu ve kargo uçaklarının olası bir motorun devre dışı kalması halinde en yakın havalalanına sağlıklı bir şekilde ulaşılmasını garanti altına alan kuraldır. Aslında bu uygulamanın kökünde açılımı ”Extended Range OPerationS” olan ve EROPS adı verilen kurallar yatar fakat EROPS ikiden fazla motorlu uçaklar içinde geçerli olduğu için ve iki motorlu uçakların örneğin bir okyanusu geçerken güvenirliği daha fazla tartışma yarattığı içim EROPS pek bilinmez.
Günümüzde artan motor güvenliği ve optimize edilen aerodinamik yapı sayesinde ETOPS 370 izni Airbus A350 için çıkmıştır ve Airbus, A350 modeli için ETOPS 420 ‘yi almak için çalışmalar yürütmektedir.
Bazı uçak modellerinin ETOPS’ları:
Boeing B737 (400/500/600); ETOPS 120
Airbus A320 serisi; ETOPS 180
Boeing B737NG serisi; ETOPS 180
Boeing B757 /B767 ; ETOPS 180
Airbus A330 ; ETOPS 240
Boeing B777-300ER; ETOPS 330
Boeing B787; ETOPS 330
Airbus A350; ETOPS 370