Bu yazıda hava araçları, kendilerinin uçabilmesini sağlayan mekanizmalar açısından sınıflandırılacak, bu mekanizmalardan birisi olan aerodinamik kuvvet kullanan hava araçlarına yönelik mühendislik hesaplamalarına ait bazı bilgiler sunulacaktır.
Hava araçları dendiğinde aklımıza uçaklar, özellikle sabit kanatlı uçaklar gelmektedir. Oysa helikopter, planör, delta kanat, balon, zeplin gibi havada kaldığında yer çekimine karşı gelerek serbest düşme olmadan yolculuk yapılabilmesini sağlayan birçok taşıt aracı vardır.
Eğer bir hava aracı, kendi içinde hareket eden parçalar olmadan havada asılı kalabiliyor, yer çekimine karşı gelebiliyorsa AEROSTATİK KALDIRMA (Bouyancy) kuvvetini kullanmaktadır. Tıpkı gemilerin su üstünde kalabilmesini sağlayan suyun kaldırma kuvveti gibi havadan hafif olan gazlar kullanılarak bir hava taşıtı hava içinde tabiri caiz ise yüzdürülebilir. Bu konuda sepetli balonlar ve zeplinler örnek olarak gösterilebilir.
Eğer ilgili hava aracı, kendisi veya kendisine ait bazı parçaların havada hareket etmesi ile yer çekimine karşı gelebiliyorsa AERODİNAMİK TAŞIMA (Lift) kuvvetini kullanmaktadır. Bu kuvvet oluşturma için iki yöntem kullanılabilir:
- Hava aracına ait kuvvet oluşturucu bileşenler (kanatlar) hava aracı ile birlikte havada hareket ederler. Buna sabit kanatlı uçak denmektedir.
- Hava aracına ait kuvvet oluşturucu bileşenler (kanatlar) hava aracından ayrı olarak havada hareket ederler. Buna dönel kanatlı uçak veya helikopter denmektedir.
İster dönel kanatlı olsun, ister sabit kanatlı olsun uçakların havada yer çekimine karşı gelebilmesi için kanatlarda üretmesi gereken taşıma kuvvetinin bilinmesi ve bu kuvvetin hangi koşullarda üretilebileceğinin de bir model aracılığı ile hesaplanması gereklidir.
Bu model ve hesaplama yöntemi için temel bilimlerden öncelikle matematiğe ve fiziğe ihtiyaç vardır.
Model içinde 14 (on dört) ayrı değişken bulunmaktadır. Bu on dört değişkenin değerini bulmak için elimizde on dört denklem de vardır. Ancak, denklemlerin hepsini aynı anda çözebilmek son derece zordur. Hatta aramızda kalsın. Bu denklemlerin birkaç tanesini dahi karmaşık geometrik yapılar için çözmek zordur. Karmaşık yapı demişken en basit uçak bile geometrik olarak karmaşıktır.
Bu aşamada mühendislik ilminin ve sanatının getirdiği basitleştirici varsayımlar kullanılarak gerçek değerlerden ödün vermemiz durumunda elde edeceğimiz değerlerin kabul edilebilir hata sınırları içinde kalmasını kabul etmek zorunda kalırız.
İlk adımda taşıma kuvvetini hesap etmek istersek mesela POTANSİYEL AKIŞ teorisini kullanırız. Bu teori ile kağıt- kalem kullanarak basit yapılar için yalnızca taşıma kuvvetini hesaplayabiliriz. Örneğin bir kürenin, basit bir kanat profilinin çevresindeki akış alanında herhangi bir noktadaki hız değerini hesaplayabiliriz.
Kaynak: https://www.researchgate.net/figure/Concentration-profiles-contour-plots-and-potential-flow-streamlines-yellow-for_fig1_2168572 (06.04.2019)
Kaynak: http://www.mesh.com.tr/potansiyel-akim-analizleri.html (06.04.2019)
Potansiyel akım analizi başlangıç için iyidir. Ancak yetersizdir. Çünkü sürükleme kuvveti değerini hesaplayamaz. Mühendis için de itki değerini el terazi göz kantar yöntemiyle bulmak son derece yanlış bir yaklaşım olur.
Bir sonraki aşamada bir miktar daha karmaşık olan “EULER DENKLEMLERİ” ile akış hesaplanır.
Denklem yapılarına girmenin hiç gereği yok.
Nihai değerlerin elden geldiğince doğru ve zamana göre değişimi de içerecek şekilde bulunması için de “NAVIER – STOKES” denklemleri ile hesaplama yapılmalıdır. Bu denklem takımı aslında doğrusallaştırma denilen bir yaklaşık çözüm yöntemi ile bilgisayarların anlayabileceği hale getirilip yaklaşık çözümler elde edilebilir.
Yeri gelmişken, NAVIER – STOKES denklemleri, günümüz uygarlığının oluşumunu sağlayan en önemli ondört denklem takımından birisidir. Bu denklem takımlarından bir diğeri de bütün elektrik ve elektronik teknolojisinin gelişimini sağlayan MAXWELL denklemleridir.
Bir uçağın nihai şekli için rüzgar tüneli testlerine girmeden önce yukarıdaki “HESAPLAMALI AKIŞKANLAR MEKANİĞİ” sürecinden geçmesi gerekmektedir. Günümüzde bir uçak için uçak yüzeyi ve çevresindeki uçuş alanında milyonlarca noktadan oluşan bir ağ üzerinde uçuş anındaki hız ve basınç değerlerinin hesaplamalarının yapıldığı bilgisayar programları ve bu programları çalıştırmak için de SÜPER BİLGİSAYARLAR kullanılmaktadır.
https://www.researchgate.net/figure/Visual-representation-of-the-geometry-the-surface-and-volume-mesh-of-the-F16-aircraft_fig6_318576383 (06.04.2019)
https://www.pointwise.com/aerospace/ (06.04.2019)