Avcı Jetlerinde Delta Kanatların İncelemesi
Bu makalelerin amacı uçak tasarımlarında gördüğümüz bazı kritik noktaları açıklayarak sezgisel bir temele oturtmaktır. Tasarımların arkasında yer alan düşünceleri anlamak ve kendi tasarımlarımızda fikir olarak tatbik etmek mühendislik öngörümüzü geliştirerek verimimizi arttıracaktır.
https://www.hindustantimes.com/
Günümüzde özellikle avcı ve önleme uçağı olarak görev yapan hemen tüm hava araçlarının geriye ok açılı ve üçgen şekle sahip kanatlara sahip olduğunu biliyoruz. Delta yunan alfabesindeki üçgen şekilli harften gelmiştir ve zamanla pek çok yunanca harf ve kelime gibi teknik bir anlam kazanmıştır. Delta kanat diyince aklımıza üçgen şekilli kanatlar gelir. Fakat tam bu noktada bir kafa karışıklığı yaşıyoruz ,çünkü neredeyse bütün avcılar üçgen ya da üçgene benzer şekildeki kanatları kullanmaktadır. Ben bu makalede delta kanatları bir şekil olarak değil bir karakter olarak ele alacağım. Dolayısıyla delta kanat formunun uçuş mekaniğini daha iyi anlayarak bir avcıya ne sağladığını daha iyi tespit edebileceğiz.
Delta Kanat Tasarımlarının Kısa Tarihi
Üçgen şekilli kanat tasrımları aslında tahminimizden çok daha eski çağlardan beri yüksek hızlarla ilişkilendirilmiş bir tasarım ögesiydi. Örneğin okların arkasındaki küçük kanatçıklar her zaman geriye açılı hatta üçgen şekillidir ki eski dönemlerdeki en hızlı şey oktu. Havacılığın ilk motorlu uçuştan sonraki sıçramasıyla her çeşitten tasarım cesurca denendi.( Hepimizin bildiği ilkel uçuş denemeleri günümüzden bakıldığında trajikomik görünür. Pek çok tasarımdan ölümlü kazalar sonrası vazgeçilmiştir.) Delta kanat tabirini ilk kez kullanan ve delta kanatlar konusuna takıntılı havacılık mühendislerinden Alexander Lippisch‘in tasarımları ikinci dünya savaşından sonra DM-1 gibi tasarımları Amerikaya gitti ve burada incelendi. Aslında Avrupada da delta kanatlar Amerikada olduğundan daha az popüler değildi hatta daha da çok çalışıldı. Bu sebepledir ki operasyonel olarak en çok delta kanat kullanan tasarımlar genelde avrupalıydı. Nicolas Roland Payen‘in tasarımlarıda avrupadaki tasarımcıların ufkunu açmış olduğu şüphesizdir. Peki ülkemizde durum neydi diye soracak olursanız alacağınız cevap devrim arabaları hikayesinin bir kopyasıdır. Her ne kadar yüksek hızlara ulaşmak adına yapılan çalışmalar konusunda birşeyler bulamasamda THK-13 gibi döneminden 30 sene ileri tasarımlar bir kaç uçuşun ardından bir kenara bırakılıp bir daha üzerinde çalışılmamıştır. Aslında tasarım bir uçan kanattır ve uçan kanatlar düşük radar görünürlüğü sağlayan geometrisinden ötürü günümüzde X-47b, Dassault nEUROn, Suchoi Ochotnic gibi geleceğin uçak tasarımlarının öncüsüdür. Delta kanatların karakterini anlamaya çalıştığımız yazımıza geri dönelim.
Yüksek Hızlara Çıkabilmenin Teknik Zorlukları ve Tarihsel Gelişimi
Transonik hızlara çıkabilen 1940ların tasarımlarının ardından, Chuck Yeager’ın 1947de X-1 ile aştığı ses duvarı tasarımlarda yeni bir ufuk açmıştır. Yeni ufuk diyoruz çünkü dönemin bazı önemli tasarımcıları sesten hızlı uçmanın imkansız olduğuna inanıyordu. Transonik hızlarda oluşmaya başlayan şok dalgaları uçakta büyük bir sürüklenme yaratıyor ve dönemin düz hatlı ve kalın kanat tasarımları bu hızlarda hızla ivme kaybederek sarsılmaya başlıyordu. ( Aslında X-1 de düz kanatlı bir tasarımdı ve Chuck Yeager ses duvarını aşarken çokça titreşime maruz kalmıştı.)
Düz Kanattaki Şok Dalgaları 
Geriye Ok Açılı Kanattaki Şok Dalgaları
Tasarımcılar uzun bir süre bu titreşime karşı koymak üzere kalın ve güçlü kanatlarda ısrarcı oldular, onlara göre bu titreşimlerle baş etmenin yolu daha güçlü kanatlardı aksi takdirde daha önce DH 108’in parçalanmasıyla tecrübe ettikleri ve Geoffrey de Havilland‘ın oğlu Geoffrey de Havilland Jr‘ın ölümünede sebep olan bu titreşim ve onun sebep olduğu rezonans (flatter) daha çok can yakacaktı. Sonraları bu titreşimle mücadele etmek yerine uzlaşma yoluna giden tasarımcılar bunun sebeplerini iyice anladılar. Tasarımcılar bu hızlarlarda çok ince hücum kenarlı ve kanatla şok dalgasının kesişmesini engelleyen geriye ok açılı tasarımların süpersonik hızlara çıkmakta olmazsa olmaz olduğunu kavradılar. Fakat İnce kanatlar kalın kanatlara göre üretilmesi daha zor, sınırlayıcı ve ağırdı. Kalın kanatlarda daha az sayıda ve yüksek ve ince duvarlı sparlar kullanılabiliyorken ince kanatlar aynı yükü kaldırmak için içi dolu çok sayıda spara ihtiyaç duyuyordu ki buda bu tasarımı ağır yapıyordu. Ayrıca ince kanatlar yakıt deposu ve iniş takımları için çok daha az kullanılabilir alan demekti. Fakat yeni hava savaşlarını hızlı olan ve daha iyi hızlananlar kazanacaktı dolayısıyla bu dezavantajlar yeni tasarımları durdurmadı.
Tam bu noktada bu yapısal ve aerodinamik gerekliliklerin koyduğu sınırlardan doğal bir şekilde en az etkilenen tasarım olan delta kanatlar (geriye süpürme açılı, aynı zamanda ince kanat üretimine imkan veren dikine değil boyuna geniş şekil ayrcıca gövdeye geniş bir bağlantı alanı) bütün dünyada büyük ilgi çekmeye başladı.Üçgen kanatlar kısa açıklık ve yüksek sivrilme oranıyla gövdeye geniş bir alandan bağlanıyor ve çok sayıda spar kullanılabilmesine olanak veriyordu. Ayrıca üretimi daha kolaydı ve ince kord oranına sahip kanat tasarımına göre daha hafif tasarlanabiliyordu. Yapısal özellikleri bir yana delta kanatların asıl özelliği onların kamburluklu kanat profilleriyle elde edilen klasik kaldırma kuvvetinden farklı şekilde kaldırma kuvveti oluşturmasıyla oldukça ilgi çekiyordu.
Kaldırma kuvveti üçgen şekilli kanadın üzerinde oluşturulan girdaplar sayesinde elde ediliyordu. (Vortex Lift) Yüksek hücum açısında akışın kanatla ilk karşılaştığı kanat kökünden gövdeye (gövdeninde uygun formda tasarlanması gerekmektedir aksi takdirde transonik hızlarda beklenmedik sürüklenme kuvvetleri oluşur gövdenin kanatla olan uyumu alan kuralı ile sağlanır ki bu daha sonra detaylıca ele alınacaktır. ) doğru kıvrılan hava uca doğru yine aynı istikamette fakat bu kez kanadın altında kalacak havayıda yukarı doğru çekecek şekilde kıvrılır ve düzenli girdaplar oluşturur. Bu girdapların büyüklüklükleri hız ve hücum açısına bağlı olarak değişir. Bu girdapların oluşturduğu alçak basınç sebebiyle kanat yukarıya çekilir. Delta kanatlar bu girdap formunu çok yüksek hücum açılarında dahi koruyabilmektedir.
Avcı ve önleme uçakları gibi yüksek hızlarda daha fazla uçan hava araçları için delta kanatlar hemen herşeyi sunabiliyordu. 1960lara gelindiğinde dönemin en önemli avcıları Mig-21 ,F-4 ve Mirage 3 ün tamamı delta kanat tasarımıydı.
Fransa delta kanatlar konusuna oldukça fazla çalıştı. Kuyruksuz delta kanat konseptiyle Mirage III dönemin en başarılı saf delta kanatlı tasarımıydı. Yatay stabilizörü olmadığından kuyruk üzerinde oluşan sürüklenme daha azdı, kanatları vortex oluşumunu tetikleyecek şekilde tasarlanmış ve çok ince hücum kenarlarına sahipti. Delta kanadın getirdiği bütün avantajları kullanan uçak çok hızlıydı. Kolayca Mach2 ye hızlanabiliyordu. Geniş kanat alanı sayesinde yüksek hızlarda idare ve manevra kabiliyeti iyiydi. Yüksek irtifada iyi dalaşabilen avcılar enerji avantajına sahip olduklarından bu önemli bir getiriydi. Bu sebeple pek çok ülke tarafından talep gördü ve pek çok savaşta önemli başarılar elde etti. Günümüzde de Rafale ve Gripen aynı prensipleri kullanan saf delta kanat tasarımı diyebileceğimiz tasarımlardır.
Evet tahmin ettiğiniz üzere hiçbir güzel şey bedel ödemeden elde edilemiyor. Bütün bu avantajlarının yanı sıra Mirage 3 gibi saf deltalar çok uzun kalkış pistlerine ihtiyaç duyuyorlardı. Güvenli iniş hızı deniz seviyesinde 300 km/h gibi inanılmaz yüksek bir hızdı. Düşük hızlarda pilot yüksek hücum açısı vermek zorunda kaldığından çok fazla sürüklenmeye maruz kalıyor ve enerjisini boşa harcıyordu. Delta kanatların bir başka dezavantaj ise Mach sayısına bağlı olarak aerodinamik merkezin değişmesidir. Bu etki stabil bir uçuşu devam ettirebilmek için sürekli eleronlarda ve flaplarda trim yapmayı gerektirir. Pilot üzerinde önemli bir sorumluluk olan bu durum ayrıca trim yapılan kontrol yüzeyindende sürüklenme kuvvetini arttırır.
Bütün bunlardan anlaşıldığı üzere uçağı stabil ve idare edilebilir tutmak delta kanatlarda önemli bir sorundur. Buna bağlı olarak tasarımcılar kontrolü oldukça zor ve subsonik hızlardaki performansı düşük uzun pistlere ihtiyaç duyan bu tasarımlardan değişken süpürme açılı kanat konseptine geçiş yapmışlardır. Değişken süpürme açılı kanatlar farklı uçuş rejimlerine hızlı uyum sağlayabiliyor. Ve delta kanatlar kadar olmasada yüksek hızlara çıkabiliyordu. Düşük hızlarda idaresi ve manevra kabiliyeti daha iyiydi. Klasik kaldırma kuvveti ile girdap kaldırma kuvvetinin birlikte tercih kullanılabildiği melez tasarım özellikle donanma tarafından seviliyordu. Ayrıca uçak gemilerinden kalkış iniş için gerekli hızlara uygundu. Üstelik kanatlar katlanabiliyor olması dar apron alanı için bir avantajdı.( F-14 bu zamanda ortaya çıkan tasarımların en karizmatik örneğidir. ) Tabii ki değişken süpürme açılı kanatlarında önemli dezavantajları vardı daha sonra farklı bir yazıda bunları da dile getirebiliriz.
Sonrasında hikaye delta kanatlar için burda bitiyor dersek o zaman Typhoon, Rafale, Gripen, Mirage 2000, J-10 gibi tasarımlar nerden çıktı diye bir soru akla gelir. Çok doğru, çünkü delta kanatların büyük handikaplarını ortadan kaldıran ve tasarımcıları tekrardan delta kanatların yüksek performansından faydalanmasını sağlayan bir teknoloji gelişti. Uçuş Bilgisayarları ile uçuş yani fly by wire! Kanat eyleyicilerindeki ve kontrol teorisindeki gelişmeler bilgisayar teknolojisininde imkan vermesiyle tasarımcıların tasarım konusunda elini inanılmaz rahatlatan uçuş bilgisayarlarına dönüştü. Eskiden pilotun elindeki lövye kontrol yüzeylerini hareket ettiren hidrolik pistonlar direk bağlı bir valfti. Artık pilotun elindeki kumanda sadece istenen manevranın tanımlanmasında kullanılıyordu. Bundan sonrasında uçuş bilgisayarı gerekli dinamik denklemleri çözüp uçağın kontrol yüzeylerine hareketi gerçekleştirecek momenti veriyordu. Kısaca kontrol yüzeyleri ve lövye arasında artık bir bilgisayar bulunuyordu. Pilot düz uçuşta da it dalaşında da trimlerle, aerodinamik merkezin konumunuda ve hatta bazı uçaklarda ağırlık merkezinin konumunuda korumak için gerekli diğer işlemlerle uğraşmıyordu. Düşük hızlardaki idare ve kararlılık sorunlarının bu teknoloji ile çözülmesiyle kuyruksuz delta kanat tasarımları geri döndü.
Bundan sonra kuyruksuz delta kanatlarla beraber kullanılan kanart eklentisini ve tasarımda ne gibi avantajlar sağladığını inceleyeceğiz.