Yıllardır, uçak tasarımcıları ve uçak mühendisleri, hava araçlarının güvenli, ekonomik, hızlı ve insan gereksinimlerini karşılayacak tasarımlarını geliştirmek için çaba harcamaktadırlar. Hava araçları, belirli görevlere uygun çeşitli tipte ve şekillerde üretilmişlerdir. Ancak performansları her zaman istenen ve gereken düzeyde olmalıdır. Bir hava aracının kanadı taşıyıcı güç üretmeli, gövdesi yüke uygun olmalı, kuyruk yüzeyleri denge sağlamalı, kontrol yüzeyleri uçuş hareketlerini kontrol etmeli ve motoru ileri hareketi sağlamalıdır.
Bu tasarım parametreleri, mühendisler için referans oluşturarak gerçek kanat konumunu belirlemelerine yardımcı olur. Bu parametreler arasında motor pozisyonu, pervane kanat uzunluğu, iniş takımı pozisyonu ve bağlantı noktaları gibi önemli özellikler bulunmaktadır. Hava araçlarında kanatların gövdeye montaj yeri, montaj açısı, kanat şekilleri ve yatay stabilizatör montaj biçimi farklılık gösterir ve bu farklılıklara farklı isimler verilir.
Bu yazımda, çeşitli kanat şekillerine hızlıca bir göz atacağız. Hava araçlarının farklı kanat şekilleri kullanmasının nedeni, her tür hava aracının farklı bir amaca hizmet etmesi ve bu özelliklerin amaca uygun bir şekilde tasarlanması gerektiğindendir. Bu farklılıklar hiçbir zaman görünüm amaçlı değildir.
– Hava araçlarını kanat sayılarına göre sınıflandırmak mümkündür. Monoplane (tek kanatlı), biplane (çift kanatlı) ve threeplane (3 kanatlı) gibi farklı kanat sayılarına sahip uçaklar bulunmaktadır.
– Ayrıca kanat şekillerine göre uçak türlerini sınıflandırmak da mümkündür. Tapered Leading Edge, Tapered Trailing Edge, Double Tapered, Triangle (Delta) kanatlar gibi farklı kanat yapılarına sahip uçaklar vardır.
Bu sınıflandırmalar, hava araçlarını anlamak ve tasarlamak için mühendislere önemli bir rehber sağlar.
Plane Wing (Düz Kanat): İlk önce “düz kanatlara” yani “plane wing” tipine bakalım. “Plane wing” yapısına sahip uçakların kanatları tamamen hücum kenarı ve firar kenarı düz bir kanat yapısına sahiptir ve nadiren kullanılan kanat yapılarıdır. Ancak bu “plane” kanat yapısı, İngilizce de “Straight wing” veya “Rectangular wing” olarak da adlandırılan buna oldukça benzer ama azda olsa farklı bir kanat yapısıyla karşımıza çıkar. Bu kanat yapısı, “plane” kanattan biraz daha verimli bir kanat yapısına sahiptir.
Straight Wing” veya “Rectangular Wing (Dikdörtgen Kanat) : Hücum kenarı neredeyse hiç açılı olmayan ve basit düz bir kanat yapısına sahip olan ancak firar kenarı azda olsa bir açıya sahip “Straight wing” veya “Rectangular wing” kanatlar, özellikle Cessna 152 ve Cessna 172 gibi uçak serilerinde kullanılır. Bu kanat yapısı, havacılık tarihinde en köklü ve en yaygın olarak kullanılan kanat tiplerinden biridir ve yüksek güvenlik sağlar. Aynı zamanda, lift kuvveti açısından en fazla ve süzülme oranı açısından en iyisi olarak kabul edilir. Ancak düşük manevra kabiliyetine sahiptir ve yüksek süratlerde fazla drag üretebilir. Günümüzde, düşük hızlı bazı sivil uçaklar, eğitim uçakları, planörler ve insansız hava araçlarında kullanılmaktadır.
Variable Angle Wings (Değişken Açılı Kanatlar): Sabit kanatlı uçaklarda sağlanamayacak bir avantajı sağlayan bir özellik ise kanatların açılıp genişleyebilmesidir. Değişken açılı kanatlar, uçakların uçuş gereksinimlerine uygun olarak kanatlarını yana ve geriye doğru açıp kapatma özelliğine sahiptirler. Kalkış sırasında kanatlar yana doğru açılarak kaldırma kuvvetini artırır, hız gerektiren uçuşlarda ise kanatlar geriye doğru katlanarak ve kanat alanını küçülterek sürtünmeyi azaltırlar. Bu, düşük sürtünme direnci (low wave drag) sağlar.
Bu nedenle, değişken açılı kanatlar hem düşük hızlarda, hem yüksek hızlarda, hem de yüksek irtifada performans geçişlerini başarıyla gerçekleştirebilen çok yönlü uçaklardır ve kalkış (take-off) süreçlerinde de avantaj sağlar. Bu özellik, sabit kanatlı uçaklarda elde edilemeyen bir avantaj sunar. Aynı zamanda, uçağın kanatlarının açık ve geniş olduğu düşük hızlarda uçağın menzilini ve havada kalma süresini artırır. Çünkü daha geniş kanatlar, daha fazla süzülme oranı anlamına gelir.
Değişken açılı kanatlar özellikle F-14 gibi uçaklar için ABD Donanması için büyük bir avantajdır. Uçak gemileri üzerinde sınırlı alanda, kanatların geriye çekilmesi sayesinde daha fazla uçak konuşlandırma imkanı sağlamıştır. Bu kanat tipi 1960’ların sonlarına kadar oldukça popülerdi ve Mig-23, SU-24, F-111, F-14 ve Tornado gibi uçaklarda kullanıldı. Ancak günümüzde pek tercih edilmemektedir çünkü bu tür kanatların bir dezavantajı da vardır. Sürekli açılıp kapatıldıkları için ciddi yıpranmalara ve arızalara neden olabilirler. Kanatları açılıp kapanan bu kadar mekanizma üzerinde hareket etmek, zamanla hasara neden olabilir ve uçuş sırasında ciddi arızalara yol açabilir. Açık kalan bir kanat ve kapanan diğer kanat, uçakta asimetrik drag ve lift kuvvetleri oluşturabilir.
Sonuç olarak, değişken açılı kanatlar, uçakların performansını çeşitli uçuş koşullarına uygun olarak optimize etmelerine olanak tanır, ancak bakım ve mekanizma sorunları sebebiyle yaygınlaşmamıştır.
Significant Taper (Elmas Kanat): Bir diğer kanat yapısı olan “Significant taper,” veya “Elmas kanat” gövdeden uçlara doğru incelen bir kanat yapısına sahiptir. Günümüzde nadiren bulunan bir kanat yapısıdır. Bu kanat yapısı, yüksek hız ve ivmelenmeye oldukça olumlu bir katkısı vardır. Örneğin, F-104 veya YF-23 Black Widow gibi uçaklarda bu kanat yapısı bulunur. 1950’lerde geliştirilen F-104’ün 2 Mach hızına ulaşabilmesinde, bu kanat yapısının önemli bir etkisi vardı. Ancak bu kanat yapısı, manevra kabiliyetini olumsuz etkileyebilir, çünkü daha az sürtünme daha az kontrol anlamına gelir. Bu nedenle, F-104 ve YF-23 gibi bu kanat yapısını taşıyan uçaklar, manevra yeteneği konusunda tartışmalıdır.
Swept Wing (Geriye Ok Açılı Kanat): Basit geriye ok açılı ve çok az konikliğe sahip kanatlardan bahsedeceğiz. Bu kanat yapısı, mekanik ve aerodinamik esneklik sorunları nedeniyle nadiren kullanılan bir kanat yapısıdır. Örnek olarak MIG-19 uçağını verebiliriz. Swept yapısını açıkça görmekteyiz. Ancak kanadın kökü ile ucu arasındaki kanat genişliği, yani chord uzunluğu, çok az konikliğe sahiptir. Dolayısıyla en büyük dezavantajı, kökte oluşan kaldırma kuvveti ile uçta oluşan kaldırma kuvvetinin hemen hemen aynı olmasıdır. Ancak uçta oluşan bu kaldırma kuvvetinin büyüklüğü, uçağın ağırlık merkezine (CG) uzak olduğu için daha fazla bir yukarı-aşağı moment oluşturur, bu da kanadın ucunda yukarıya ve aşağıya doğru bükülmelere neden olur.
İşte bu bükülmeler, bu kanadın kırılmaması için çok sağlam ve sert malzemelerle yapılmasını gerektirir. Bu da uçağın ağırlık ve maliyet sorunlarını gündeme getirir. Şimdi, belirgin konikliğe sahip swept kanata, yani günümüzde ticari havayollarında kullanılan kanat modellerine geçelim.
Bu Kanat yapısı, belirgin koniklik içeren swept kanatlar olarak adlandırılırlar. Ticari ve askeri uçaklarda en yaygın kullanılan kanat yapısıdır. Örnek olarak Boeing 747 veya Airbus A-380 uçaklarını verebiliriz. Özellikle yüksek hızlarda, özellikle ses süratına yakın ve sesten hızlı uçuşlarda oldukça verimlidir.
Bu kanat yapısı uçağa hem önemli miktarda kaldırma kuvveti sağlar hem de manevra kabiliyeti ve yüksek hız yetenekleri kazandırır. Bu kanat tipi, SU-27, SU-35, MIG-29, F-16 ve F-35 gibi popüler uçaklarda kullanılan bir kanat yapısıdır. Ayrıca, milli muharip uçağımız olan TFX ve Hürjet gibi milli uçak projelerinde de bu kanat yapısının kullanılmaktadır.
Delta Kanatlar (Üçgen Kanatlar): Delta kanatlar, dilimize “üçgen kanat” olarak çevrilen bir kanat yapısıdır. Bu kanat yapısı, geçmişten günümüze popüler bir tasarım olup yüksek performans elde etmek için hız ve düşük kanat yüklemesi kullanır. Aslında delta kanat tasarımını klasik Swept Wing (Geriye Ok Açılı Kanat) tasarımının gelişmiş bir versiyonu olarak düşünebiliriz.
Ses hızı aşıldığında oluşan şok dalgası, kanatları etkileyen drag kuvvetini önemli ölçüde artırır. Delta kanatların genellikle sesten hızlı uçan uçaklarda tercih edilmesinin nedeni, uçağın ses hızında uçarken oluşan mach konisinin, kanat yüzey alanına daha az etki etmesidir. Çünkü, delta kanatlar mach konisi içinde kaldığından daha az stresle karşı karşıya kalır. Bu nedenle yüksek hızlar için oldukça önemli bir kanat yapısıdır.
Bir diğer avantajı, kanadın gövdeye bağlantı noktasının büyük olması, kanadın gövdeye daha sağlam bir şekilde monte edilmesini sağlar.
Delta kanatların büyük yüzey alanı, çok sayıda faydalı yük taşıma kapasitesine sahip olmalarını sağlar ve bu nedenle çok sayıda silah istasyonuna sahip uçaklara imkan tanır. Bu nedenle Eurofighter ve Rafale gibi uçaklar, günümüzün en fazla silah istasyonuna sahip uçakları olarak öne çıkar.
Ancak delta kanatların olumsuz tarafı, düşük süzülme oranına sahip olmalarıdır. Ayrıca düşük hızlarda havada tutunabilmek için yüksek AoA (Hücum Açısı) gereksinimi vardır. Örnek olarak, Mirage 2000 serisi ve Eurofighter gibi uçaklar, delta kanat yapısına sahip uçaklar arasında sayılabilir.
Forward Swept Wing (Öne Ok Açılı Kanat): Bu kanat yapısı, düşük hızlardan sesten hızlı hızlara kadar her hız aralığında düşük drag kuvveti ve üstün manevra yeteneği sağlar. Ancak bazı dezavantajları nedeniyle çok nadiren kullanılır. Özellikle planörler için bu kanat yapısı yaygın bir tercih olabilir.
Yaygın kullanılmamasının nedeni, bu kanat yapısının yüksek hızlarda ve dönüşler sırasında hava akımına daha fazla maruz kalması, kanat ucunun ani şekilde esnemesi ve oluşan kuvvetlerin kanadın bükülmesine ve kırılmasına neden olabilmesidir. Bu esnemenin engellenmesi için kanadın sert ve katı malzemelerden yapılması gerekmektedir. Bu ise yapımını zorlaştırır ve maliyeti artırır. Ayrıca, kanatları sağlamlaştırmak için ekstra ağırlık eklenmesi gerekebilir ve bu da Öne Ok Açılı Kanadın faydasından çok zarar getirebilir. Bu kanat yapısı önce Almanlar tarafından 1944 yılında Ju-287 ile, ardından ABD tarafından 1984’te X-29 ile ve daha sonra Ruslar tarafından 1997 yılında Su-47 ile denendi.
Ruslar, 2015 yılında tekrar denemeye karar verdiler ve SR-10 jet eğitim uçağını geliştirdiler. Ancak bu uçakların sadece 1-2 adet üretilerek deneysel olarak havacılık tarihine katıldığını belirtmekte fayda var.
Bu haftaki yazımı burada tamamlıyorum. Bir sonraki konumuz kanat profil yapıları olacak. Bir sonraki konuda görüşmek üzere, sağlıcakla kalın ve kendinize iyi bakın.
