Bu yazıda genel olarak hava araçlarında, özel olarak da uçaklarda taşıma kuvvetine karşı dayanıklı olabilmesi için kanat yapılarının tasarımı ve içindeki öğeleri tanıtılacaktır. Uçakların bu dayanıklı yapı özelliklerine göre taşıdığı yük ve yakıt ile basınçlandırma etkisi de otomobiller ile karşılaştırılacaktır.
Genel anlamda herhangi bir hava aracı, özelde ise uçak; konuyu bilmeyen birisi için normal koşullarda havalanmaması ve taş gibi düşmesi gereken bir cisimdir. Ancak fiziğin özel bir dalı olan Akışkanlar Mekaniğindeki Bernoulli ilkesi aracılığı ile uçak kanatlarında aerodinamik kuvvetler oluşur ve bu kuvvetler uçağın yerçekimini yenerek havalanmasını ve uçmasını sağlar.
Ancak bu kuvvetler nedeniyle uçağın havada parçalanmaması için ve yine uçağın bütünsel anlamda yeterince dayanıklı (mukavim) olması gereklidir. Bunun için de kanatların ve kanat kaplamalarının sağlam olması istenmektedir. Sağlam ve dayanıklı olmak bir şekilde ağır olmayı gerektirir. Ağır cisimler için daha büyük kanatlar veya hız gerekir. Bu konuda en uygun çözüm nedir?
Uçağın bir taşıt aracı olarak değerlendirildiğinde diğer taşıt araçlarına göre ne gibi üstün tasarım özelliklerine sahip olduğunu inceleyelim. Bunu yapmak için bir binek otomobilin özellikleri ile geniş gövdeli bir uçağın özelliklerini karşılaştırmak istiyorum.
| Nitelik | Otomobil | Uçak (A-300-600F) |
| Boş Ağırlık | 1200 | 88.500 kg |
| Azami Operasyonel (Kalkış) Ağırlığı | 1700 kg | 170.500 kg |
| Yakıt Kapasitesi | 40 kg, 50 litre |
53.505 kg |
| Yük Kapasitesi | 450 kg | 48.293 kg |
| Menzil | 750 km | 7500 km |
| Yakıt tüketimi ( kg/ km x ton) | 6.25 litre / (100 km x 500 kg) =13,3 kg / ( 100 km x 1000 kg) |
18,75 kg / (100 km x 1000 kg) |
| Yük / Azami Operasyon Ağırlığı | 450/1700 = %26,50 | 48.293/ 170.500 = % 28,30 |
| Yakıt / Azami Operasyon Ağırlığı | 40/ 1700= %2,4 | 53500 / 170.500 = %28,3 |
| Boş Ağırlık / Azami Operasyon (Kalkış) Ağırlığı | 1200/ 1700 = % 70,5 | 88500 / 170.500 = %52 |
| [Azami (Yük + Yakıt)] / Azami Operasyon Ağırlığı | 490/1700 = %28,9 | 85.500 / 170.500= % 48 |
| Azami Yük / Boş Ağırlık | 450 / 1200 = %37,5 | 48293 / 88.500 = % 54 |
| Yakıt / Boş Ağırlık | 40/ 1200 = % 3,3 | 53500 / 88500 = % 60,5 |
| [Azami (Yük + Yakıt)] / Boş Ağırlık | (40+450)/1200 = %41 |
82.000 / 88.500 = %92,6 |
Yakıt Tüketimi açısından bakıldığında A-300 varyantı olan eski teknolojiye sahip bir uçağın birim yük için harcadığı yakıtın bir otomobil ile aynı mertebede olduğunu görmekteyiz. Konunun uzmanları daha güncel verileri ayrıca sunabilirler. Hatta aslında bu karşılaştırmanın bir ağır vasıta (TIR) ile karşılaştırılması daha da ilginç olabilir.
Uçağın üstün yanı azami operasyon ağırlığına göre oranlama yaptığımızda daha fazla yakıtı taşıyabilmesi ve daha uzun menzilli olabilmesidir.
Esasen uçak taşıdığı yük + yakıt miktarının kendi ağırlığına oranına göre otomobile göre daha avantajlıdır. Bu avantajın bir ağır vasıtaya karşı azalabileceği öngörülmektedir.
Uçağın bunu yapabilmesi için çok daha hafif, ama bir o kadar da dayanıklı olması gerekir. Bunu sağlamak üzere gövdenin ve kanadın yapısal tasarımı ve üretiminde çok özel yöntemler, yaklaşımlar ve teknikler kullanılır.
Uçağın işletimde bulunduğu ortam ile otomobilin bulunduğu ortam arasında da büyük farklar bulunmaktadır. Bunlardan en önemlisi yüksek irtifadaki düşük basınç, düşük hava yoğunluğu ve düşük sıcaklıktır. Aşağıdaki grafikte irtifaya göre hava basıncının deniz seviyesindeki basınçla oranı gösterilmektedir.
Kaynak: https://www.engineeringtoolbox.com/air-altitude-pressure-d_462.html
Şekilden de görülebileceği gibi yüksek irtifadaki basınç neredeyse 0,20 atmosfer mertebesinde olmaktadır. Uçağın kabin basıncı da 2400 metre seviyesine sabitlenir. Buradaki basınç değeri de 0,70 atmosfer mertebesindedir. Arada 0,50 atmosferlik bir basınç farkı bulunmaktadır. Uzay araçlarındaki farkın 1 atmosfer olduğu düşünülürse basınçlandırma probleminin sızdırmazlık hariç olmak üzere uzay araçlarının tasarımına yakın mertebede olduğu anlaşılabilir.
Ayrıca uçuş irtifasındaki sıcaklığın -55 °C civarında olması nedeniyle kalkış meydanı ile 70 °C mertebesinde bir sıcaklık farkının yapıda meydana getireceği büzüşme ve genleşmenin de dikkate alınması gerekecektir.
Temelde uçak gövdesinin basınçlandırılmış kısmı bir teneke kola kutusunun ince demir çubuklarla daha dayanıklı yapılması ile aynı ilkelerle tasarlanmaktadır. Bu tasarıma yarı monokok yapı denmektedir.
Kaynak: http://slonder.tripod.com/govde/govde.htm
Kanatlarda da aerodinamik taşıma kuvvetinin ve sürükleme kuvvetinin yapısal bütünlüğünü bozmaması için kanadın tamamını taşıyan lonjeron (spar) adı verilen kirişler ve kanadın belli istasyonlarında kanat kesitlerinin formunu sağlayan kanat profilleri aracılığı ile kanadın yapısal şekli oluşturulur.
Kaynak: https://sahinhuseyin.weebly.com/7-hafta.html
Bir yapının karşılaştığı kuvvetler nedeniyle çalışmasına yönelik temel isimlendirmeler aşağıda sunulmaktadır:
http://slonder.tripod.com/govde/govde.htm
Uçağın bir başka üstün yanı da bu dayanıklı yapının daha hafif olması için hem daha hafif hem de daha dayanıklı olan elementler, bileşikler veya özel malzemelerin kullanılmasıdır. Örneğin jet motorlarının türbin kısımlarında titanyum kullanılır. Metal akşamlarda alüminyum tercih edilir. Ancak son dönemde bal peteği yapısıyla tasarlanmış kompozit malzemeler tercih edilmektedir.
Sonuç olarak uçak daha hafif, daha sağlam bir taşıt aracı olarak olağanüstü çalışma ortamlarında inanılmaz görevleri gerçekleştiren mucizevi bir tasarım olmakla birlikte, bütün insanlığın gerçekleştirdiği bir işbirliği başarımıdır.