Değişken Süpürme Açılı Kanatlar
Doğulu ve batılı bütün tasarımlar tarafından bir zamanlar olmazsa olmaz tasarım olarak görülen değişken süpürme açılı kanatlar bugünlere sadece geçmişten hatıra gibi görünüyor. Özellikle 1950lerden 1970lere kadar oldukça popüler olan pek çok tasarımda yer alan bu teknoloji neden sahneden birdenbire çekildi? Ne sağlayabiliyordu zamanla ne sağlayamadı? Bu soruların genel cevaplarını arayacağız.
Öncelikle bir kanadın uçlarını öne ve arkaya çekerek ne avantaj elde edebiliriz? Sabit kanatlar gibi güvenli basit ve ucuz tasarım yerine neden bu karmaşık, pahalı, daha az güvenli sistem tercih edilmiş olabilir? Tabi ki önemli avantajlar sağladığı için olmalı. Peki bu avantajlar neler? Bunun için öncelikle havanın özelliklerini iyi anlamamız gerekir.
Havanın davranışları sıkıştırılabilir ve sıkıştırılamaz olarak ayrılmaktadır. Hava sıkıştırılabilir olarak incelediğimiz transonik hızlardan sonra sesaltı hızlara nazaran çok daha farklı davranır. Bu davranışlar farklı rejimlerde uçması istenen uçaklarda farklı kanat tasarımları gerektirir. Ses altı hızlarda sıkıştırılamaz olarak incelediğimiz havada hava aracına etki eden sürüklenmeler indüklenmiş sürüklenme ve parazit sürüklenmedir. ( parazit sürüklenme tasarımın sahip olduğu şekil ve kesişimlerle ilgilidir, tasarım esnasında minimize edilmeye çalışılır kanadın açıklık oranına bağlı değildir. ) İndüklenmiş sürüklenmenin azaltılması için ses altı hızlardaki sürüklenme denklemlerinden hatırlayacağımız üzere kanadın açıklık oranının artması (Aspect Ratio) gerekmektedir. Yani ince ve uzun kanatlar daha az indüklenmiş sürüklenme ve daha verimli bir uçuş anlamına gelir. Bu yüzden en verimli sabit kanatlı tasarımlar planörlerdir. Düz, ince uzun kanatları günümüzde art arda havada kalış rekorları ile gündem olan MALE ve HALE sınıfı olarak adlandırılan İHAlarda da görmekteyiz.
Transonik hızlara çıkıldığında oluşmaya başlayan şok dalgaları hava aracında büyük sürüklenmeye sebep olur. Kanatların üzerindeki kontrol yüzeylerinin akışın gölgesinde kalarak işlevini yitirmemesi, titreşim yaratarak yapısal sıkıntılara sebebiyet vermemesi gibi sebeplerden dolayı hava aracının doğal şok konisiyle kesişmesini engelleyecek bir kanat tasarımına sahip olmasını gerekir. Dolayısıyla sürüklenmenin daha az olduğu geriye ok açılı kanatlar yüksek hızlardaki tasarımlarda olmazsa olmazdır. Bu şekle sahip kanatlar ses üstü hızlara çok daha rahat ulaşır ve bu hızlarda daha verimli bir uçuş sağlar. Bu kısa açıklamaların ardından değişken süpürme açılı kanatlara yeniden dönelim.
Ses üstü uçan uçakların çağıyla beraber hava savaşlarının çehresi değişti. Sadece hava-hava değil her türden hava operasyonu için daha hızlı uçaklar tasarlandı. Ses üstü uçakların ilk örnekleri tamamen yüksek hızlarda uçması ve hız avantajını havada kullanması için tasarlanmışlardı. Fakat sonraları bu tasarımların getirdiği kısıtlamalar yüksek hıza ulaşmanın verdiği avantajın önüne geçti. Artık birbiriyle çelişen yapısal özellikler gerektiren isterler bir arada istenir oldu. Özellikle ABD’de ordu daha kısa pistlerden kalkıp inebilen, uzun süre havada kalabilen, çok uzun nakliye menziline sahip ama aynı zamanda düşük irtifada yüksek hızlarda saldırı yapabilen, yüksek irtifada 2 Machta görev yapabilen uçaklar istiyordu. Bu sayede ordu operasyon menzilini arttırarak daha geniş bir alanda etkili bir hava gücü oluşturabilecekti. Bu farklı isterlere hibrit bir çözüm sunmak için kanatların başta anlattığımız düşük ve yüksek hızlardaki yapısal özelliklerin tümüne sahip olmasına imkan veren değişken geometrili kanat tasarımı ön plana çıkıyordu. Bu kanatlar sayesinde uçak hem düşük hızlarda daha az enerji harcayarak uçabiliyor hem de yüksek hızlarda istenen performansları verebiliyordu. Aslında bu konuda eskiden beri sürdürülmüş bazıları prototip haline gelmiş projeler vardı. İkinci dünya savaşından sonra pek çok diğer proje gibi değişken süpürme açılı kanatları olan Me-P.1101 projesi Amerikan, Fransız ve İngilizler tarafından özel heyetlerce incelenmiş ve daha bitirilmemiş prototip ABD’ye gönderilmiştir. Bu bilgi birikiminin ışığında ilk olarak F-111lerin ABD ordusunda boy göstermesinden sonra kısa süre içinde Sovyetlerde Mig-23, Su-17 gibi örnekleri hemen sahaya sürdü. 1970’lerde iki taraf bu teknolojiyi bombardıman uçakları için kullandı. Günümüzde hala envanterde olan B-1, Tu-22M ve Tu-160lar bu akımın ürünleridir. Donanma içinse başlarda F-111’in donanma modeli geliştirilip denensede yapılan değişikliklerle uçak çok ağırlaştı ve buda uçakta pek çok değişikliği beraberinde getirdi, sonuç itibariyle Grumman yeni efsanevi F-14 Tomcat uçağını tasarladı.
Her ne kadar 1960-1970’lerin tasarımlarında sık tercih edilen bir tasarım olsada bu değişken süpürme açılı kanatların önemli tasarımsal sorunları vardı. Öncelikle pek çok kaynakta kanatların kıvrıldığı mekanizmaların uçağı çok ağırlaştırdığı bu durumun bu tasarımın sonunu getirdiği iddia edilsede çok daha derin sorunlar vardır. Farklı uçuş rejimlerine uyum sağlayan kanat bu ağırlık götürüsünü (ki çok fazla değil) tazmin edebilmektedir. Yani mekanizmanın getirdiği ağırlığın oluşturduğu sorun ihmal edilebilir düzeydedir. Mekanizma ile ilgili esas sorun bakım ve idame sorunudur. Uçuşun güvenli bir şekilde sürdürülebilmesi için her uçuş sonrası hareketli parça ve ona bağlı pek çok kablo, yağ hortumu, yakıt hortumu uzun uzun kontrol edilip bakım yapılmaktadır. Mekanizmanın burç, rulman bakımına ek olarak kanatlarda depolanan yakıtlar için kıvrılabilen borular kullanılmıştır. Sadece yakıt borusu değil kontrol yüzeyi eyleyicilerine giden ve tahliye için gelen pek çok hidrolik hortumu ve kabloda aynı şekilde kanadın hareketiyle kıvrılmaktadır ki bu da kolay deforme olması anlamına gelir. Bu durum özellikle donanma gibi operasyon hazırlık süresinin çok az olması istenen uçağın sabit durması gereken sürenin kısıtlı olduğu yerlerde hiç istenmeyen bir durumdur. Oldukça fazla ekipman ve deneyimli personel ihityacını getirir.
Özellikle pilotların hiç sevmediği bir başka sorun ise uçağın kanatlarının kıvrılması esnasında aerodinamik merkez ile ağırlık merkezi arasındaki mesafenin iyice artması sonucu uçağın dönüş çapının iyice artmasıdır. Bu durum çevik ve kıvrak olmanız gereken it dalaşları sırasında pilotları hem yüksek hız hem daha kıvrak bir uçak isterini büyük oranda sınırlamaktadır. Biraz daha ayrıntılı açıklamak gerekirse görece düşük hızlarda seyretmeniz için uygun pozisyon olan öne doğru kıvrık pozisyonda aerodinamik merkez ile ağırlık merkezi arasındaki mesafe görece daha hızlı ve atik olmanızın beklendiği geriye kıvrık durumda iyice artıyor sonuç itibariyle burun ağırlaşıyordu. Dönüş çapı önemli ölçüde artıyordu. Top Gun filmindeki sahnelerde T-38 lerden daha çevik görünümü verilmeye çalışılsada böyle olmadığını herkes biliyordu. Neyse ki F-14 bu kadar yakın bir hava hava savaşı için tasarlanmadı. Bugün bile büyük bir hayranlıkla andığımız kendine özgü efsanevi 150+ km menzilli AIM-54 Phoenix füzelerinden taşıyordu. Çok güçlü radarı sayesinde düşmanını daha çok ilerden avlamak üzere tasarlandığından anlattığımız dönüş çapı kısıtlaması önemini nispeten yitiriyordu. Ayrıca yine mühendisler bu durumu öngörerek kanatların geriye çekilmesi sırasında oluşan etkiyi azaltmak için “glove vanes” denilen açılabilir kanatçıklar yerleştirmişlerdir. Bu kanatçıklar kanadın arkaya doğru kıvrıldığı pozisyonda aerodinamik merkez ile ağırlık merkezi arasındaki mesafenin azalmasını bu sayede dönüş çapının azaltılmasını sağlıyordu. Ayrıca bu mesafelerin değişmesi uçakta çokça trim yapılması demek olduğundan bu açılabilir kanatçıkların trim gerekliliğinide azalttığını söyleyebiliriz.
Yeri gelmişken değişken süpürme açılı kanatları olan uçaklarda trim çok önemli bir konudur. Kanadın pozisyon değiştirmesi kuvvet merkezlerini değiştirdiğinden denge bozulur ve pilotun rahat ve düzgün uçuş için trim yüzeylerine müdahale etmesi gerekir. Bu yüzden F-14 gibi uçaklarda oldukça büyük kuyruklar yer alır. Bu uçaklarda kuyruk alanı dönen kanat alanıyla doğru orantılıdır. Ne kadar büyük bir kanat öne ve geriye dönerse dengelemek için o kadar büyük bir kuyruk gerekir. Su-22 gibi öne ve geriye kıvrılan kanat alanı daha az olan uçaklarda kuyruğun çok daha küçük olduğunu görebiliriz. Kuyruktaki yüzeylerin boyutunu etkileyen bir diğer unsurda kanadın geriye çekildikten sonra nereye kadar arkaya uzandığıdır. Bu uzunluk tasarımınıza bağlı olarak çok değilse yatay ve dikey stabilizörü mümkün oldukça uzun bir gövde bağlantısıyla arkaya alarak daha küçük bir kuyruk yapabilir ve sürüklenmeyi azaltabilirsiniz. Fakat F-14 gibi kanadın neredeyse en arkaya kadar uzandığı tasarımlarda istenen uçak uzunluğunu aşmamak için (donanma için yapılan bir uçakta apronda ve hangarda daha az yer kaplaması en temel isteriniz olur.) kalan sınırlı alana kanada daha kısa mesafeden bağlı daha büyük bir kuyruk tasarlamak durumunda kalınmıştır. Elbette ki bu daha fazla sürüklenme daha verimsiz bir uçuş anlamına gelir.
Yeterince kıvrak olamayan fazlaca bakım gerektiren bu teknoloji uçuş bilgisayarlarının ortaya çıkmasıyla gerekliliğini büyük ölçüde yitirdi. Delta kanatların yeniden çokça tercih edilmesinin nedeni olan uçuş bilgisayarları değişken geometrili kanatların sonunu hazırlamış oldu. Farklı uçuş rejimlerine uyum sağlama gerekliliğini yerine getiren ve pilotun hem yüksek hızlarda hem de düşük hızlarda idaresini kolaylaştıran değişken süpürme açısı konseptinde tahmin ettiğiniz gibi pilotun levyeden verdiği komutlar direk olarak kontrol yüzeylerini hareket ettiriyordu. Uçuş bilgisayarları sayesinde uçağı idare etmenin ne kadar zor olduğunun bir önemi kalmadı. Pilotun levyeden verdiği komutlar hareketin tanımlanmasında kullanılıyor kontrol yüzeyleri bilgisayar tarafından uçuş mekaniği denklemlerinin çözülmesi sonucu belirlenen oranlarda hareket ettiriliyordu. Dolayısıyla artık kolay idare için uçağın dinamiğini değiştirmeye gerek yoktu. Bütün bu götürülerine ek olarak değişken geometrili kanatların radar dalgalarını çok yansıtan yapısı ordunun bu türden uçaklardan tamamen vazgeçmesine neden oldu.
Değişken süpürme açılı kanatları genel hatlarıyla incelemiş olduk. Yazı ileride yeni bilgiler ile güncellenecek ve sayısal örnekler kullanarak bahsedilen etkilerin somutlaştırılması sağlanacaktır. Tasarım öğelerinin sayısal verilerle desteklenmesi tasarım konusunda bir sezgi geliştirmemize yardımcı olacaktır. Yorum yapmaktan çekinmeyin.