NASA’dan “yan giden” süper sessiz süpersonik uçak

Yanlış duymadınız, bu bir tekerleme değil: NASA’nın finanse ettiği yeni konsept uçak “yan gidiyor” ve böylece Concorde’un sonu olan ses patlaması sorununu da çözüyor.

Haberi NASA’nın sitesinde gördüğüm zaman, yazının başlığını “Herkes gider Mersin’e, NASA gider tersine” koymak istedim. Gerçekten de tasarım masasına göz attığımızda, NASA’nın 100 bin dolara finanse ettiği bu konseptin, yüksek hızlarda “yan yan uçtuğunu” görüyoruz. Bunun nedeni, uçak mühendislerinin gürültü yapmayan, sessiz bir süpersonik uçak geliştirmek istemesi. Bunu gerçekleştirmek şimdiye dek mümkün olmadı.

Concorde’un geri dönüşü
1976’da kullanıma giren ve ses hızının yaklaşık 2 katına ulaşan Concorde’u ve Hollywood’un Concorde kazalarını anlatan felaket filmlerini hatırlıyor musunuz? O zamanlar Concorde’a zenginlerin binmesi ve alımlı kadın yolcuların ateşli kazalarda hayatını kaybetmesi modaydı. Elbette bütün bunlar hayal ürünüydü ama bir gerçek vardı ki o da Concorde’a sadece yüksek gelirli kesimlerin binebilmesiydi.

Sesten hızlı uçan (süpersonik) Concorde pahalıydı, çünkü güçlü motorlarıyla ses hızını aşmak üzereyken, büyük şehirlerin üzerinde çok şiddetli bir ses patlamasına yol açıyordu (sonic boom). Bu da dünyadaki yerel yönetimleri ayağa kaldırarak, Concorde uçuşlarının ağırlıklı olarak Atlantik’in iki yakası arasında sınırlandırılmasına neden oldu. Bu yüzden, bilet satışları, hız itibariyle zaten yurtdışı uçuşlar için tasarlanan Concorde’un maliyetini karşılamaya yetmedi ve bilet fiyatları ucuzlamadı. Yüksek bakım masrafları, petrole zam gelmesi ve süpersonik motorların yol açtığı çevre kirliliği, 2003 yılında Concorde’un hizmetten kaldırılmasıyla sonuçlandı.

Mühendisler o zamandan beri düşük maliyetli bir süpersonik uçak geliştirmeye çalışıyorlar; çünkü Concorde, New York−Paris arasını 3,5 saate indirmişti (ileride bu pazardan yararlanan havayolu şirketleri zengin olacak). Ancak, hibrit motorlardan scramjetlere kadar birçok yeni teknoloji, mekanik problemler ve tasarım sınırlamaları nedeniyle bugüne kadar hayata geçirilemedi.

Boeing’in son scramjet test modelinin 14 Ağustos 2012’de yapılan üçüncü denemede Pasifik’e çakılmasıyla birlikte (X-51a), süpersonik veya hipersonik (Mach 5 ve daha hızlı) uçak çalışmaları da pratikte rafa kalkmış oldu.

Ancak, NASA’nın finanse ettiği yeni süpersonik uçak yüksek hızlarda yan uçuyor. Böylece ses patlamasına yol açmıyor, bakım maliyetlerini azaltıyor ve çevre kirliliğine sebep olan çok güçlü motorlar kullanma zorunluluğunu ortadan kaldırıyor.

*Melez uçak*
Yan giden süpersonik uçağın sırrı aslında bir “uçan kanat” olması. Uçan kanat, kanat şeklinde uçak demek. Havacılık tarihinin başlangıcından beri tasarım masalarını süsleyen uçan kanat konseptinde ayrı bir uçak gövdesi bulunmuyor. Bunun yerine bizzat uçan kanat, uçak gövdesi olarak kullanılıyor (Uçan kanat tasarımı 1940’ların sonunda bombardıman ve yolcu uçakları için düşünülmüştü ve 1990’larda, B-2 hayalet bombardıman uçağı olarak meyvesini verdi).

Neden uçan kanat?
Geleneksel “düz uçuş” yöntemi sesten yavaş giden uçakların kaldırma kuvvetini artırarak, az yakıtla çok yol almalarını ve sarsıntı yaşamadan istikrarlı bir seyir sergilemelerini sağlıyor. Bunun için düşük hızlarda geniş kanat kullanmak gerekiyor. Ancak, sesten hızlı uçuşlarda geniş kanatlar sürtünmeyi artırarak uçağın fazla sarsılmasına, yakıt tüketiminin artmasına ve dolayısıyla uçuş masraflarının tavan yapmasına neden oluyor.

Melez uçak tasarımı bunu sesten yavaş giderken “ileri doğru uçan” ama sesten hızlı uçarken yan giden bir uçak geliştirerek çözmeyi hedefliyor. Uçak yan gidince, kanat alanı daralarak sürtünme kuvveti azalıyor. Bunun Türkçedeki karşılığı ise ses patlaması olmaması, gürültünün azalması, kabinin sarsılmaması ve yakıttan tasarruf edilmesidir…

Birazcık ayrıntı
Yazının başında teknik detaylara girmemek için söylemedim ama yan giden uçak tasarımının dehası tam da burada ortaya çıkıyor. Yüksek irtifada hava inceldiği için havanın kaldırma kuvveti düşüyor. Ancak, havanın sürtünme direnci de buna bağlı olarak azaldığından, uçaklar az yakıt yakarak daha hızlı gidebiliyor. Bu da alçak irtifada yüzey alanı yeterli olan ama yükseklerde havanın incelmesine bağlı olarak uçağı taşımakta yetersiz kalan küçük kanatların, yüksek hızlarda artan hava akışından yararlanarak gereken kaldırma kuvvetini sağlamasına izin veriyor. Uçaklar yüksek irtifada yavaş gitseydi, incelen hava nedeniyle, havada kalmak için Boenig 747’den daha büyük kanatlara sahip olmaları gerekirdi.

Aslında bu denkleme, yüksek irtifada yeteri kadar hava çekemediği için yüksek yanma derecelerine erişemeyen motorların, sadece yüksek hızlarda verimli çalışabildiğini de eklemek gerekiyor. Bu durumda kanat açıklığı (kanat büyüklüğü), motor gücü, sürtünme, ısınma, yakıt tüketimi arasında sıkı bir mücadele olduğunu görüyorsunuz. Kalkışta düz, süpersonik hızda ise 90 derece dönerek yan giden yeni tasarım, havacılık teknoljisinde işte bu dengeyi kurmaya çalışıyor. Miami Üniversitesi’nden Gecheng Zha, NASA’nın finansmanı ile modelini rüzgâr tünelinde teste tabi tutarak bu hayali gerçekleştirecek uçağı üretmeyi amaçlıyor.

Teknik adı: iki yönlü uçan kanat
“İki yönlü uçan kanat” nasıl oluyor da iki farklı yönde uçabiliyor? Dikkatli okurların baştan soracağını tahmin ettiğim bu detayı yazının sonuna sakladım, çünkü öncelikle, yan giden uçak ve uçan kanat kavramlarını açıklamam gerekiyordu. Şimdi asıl sorunun cevabına gelebiliriz: Resimlere dikkat ederseniz uçak yan giderken bile aslında motorların itiş yönünde uçtuğunu göreceksiniz. Tasarımcılar, uçağın uçuş yönünü değiştirmek ve yan gitmesini sağlamak için motorları da yan çevirmeyi planlıyorlar.

Aslında hiç de yanlış olmayan bir kelime oyunu yaparsak, bu devrimsel uçağın motorlarının da “kundağı motorlu olduğunu” ve bir mil üzerinde 180 derece döndüğünü söyleyebiliriz. Resimlerde motorların uçağın “sırtında” olmasının nedeni bu: Eğer motorlar geleneksel uçaklar gibi kuyrukta veya kanatların altında olsaydı, yan döndüklerinde, uçağın gövdesi motorların hava akışını kesecekti. Şimdi bütün mesele, bu uçağın gerçekten Concorde’dan ucuza mal edilebileceğini kanıtlamak.

Yazının devamında scramjet gibi yeni motor türleri ile hipersonik uçuş denemelerini ele alacağım.

http://www.nasa.gov/offices/oct/early_stage_innovation/niac/2012_phase_I_fellows_zha.html