Süpersonik Yolcu Jetleri Geri Dönüyor >> Sesten 10 Kat Hızlı Seramik Uçak Skreemr

Dünyanın ilk ve tek süpersonik yolcu uçağı Concorde hızlı mı sanıyordunuz? Tekrar düşünün! Concorde sesten 2 kat hızlıydı. 1300 derece sıcaklığa dayalı seramikten üretilen hipersonik uçak Skreemr ise sesten tam 10 kat hızlı uçacak.

New York – Londra arasını uçakla 30 dakikaya indirmek ister misiniz? Peki, Türkiye – Avustralya arasını aktarmasız 1 saatlik uçuşa? Vizeniz varsa tabii ki isterseniz. Ancak bugüne kadar bunu yapmak mümkün değildi. Çünkü sesten 10 kat hızlı giden uçak geliştirmek çok pahalı bir süreçti.

Sıcaklık sorunu

En büyük sebebi de o kadar hızlı uçan bir uçağın yüksek irtifada seyrelen atmosfere rağmen havada yarattığı güçlü şok dalgası. Hipersonik uçaklar havayı adeta mahmuzluyor ve uçağın burnunda, kanatlarında ve jet motoru fanlarında sıkışan hava molekülleri 1300 dereceye kadar ısınıyor.

Asıl marifet yüksek sıcaklığa dayanıklı bir malzeme geliştirerek uçak gövdesini, turbofan motor kanatçıklarını ve kanatları bu malzemeden üretmek. Bugüne dek bunu yapmak imkansızdı. Ancak geçenlerde duyurulan yeni bir buluş hipersonik yolcu uçaklarını hayal ürünü olmaktan kurtardı.

 

 

Seramik uçak devri

Hipersonik uçak Skreemr’ın haberi internete düştükten kısa bir süre sonra, Californialı bilim adamları 1300 derece sıcaklığa dayalı üstün bir seramik ürettiklerini açıkladı.¹ Böylece Skreemr bir günde hayal ürünü olmaktan çıkıp 10-15 yıl içinde test uçuşu yapabilecek olan gerçek bir yolcu uçağına dönüştü.

Elbette havacılık ve uzay sektöründeki bu ani canlanmanın asıl nedeni uzaya ucuz uydu fırlatmak. Bunu roketlerle yapmaya kalktığımız zaman çok pahalıya geliyor. Ancak, uzay mekikleri gibi tekrar kullanılabilen fırlatma sistemleri bakım masrafları azaltıldığı takdirde maliyetleri de düşürüyor.

 

Roket mi, uçak mı?

Örneğin, Elon Musk’ın SpaceX şirketi dünyaya dikey iniş yaparak geri dönen ve yakıt doldurduktan sonra tekrar fırlatılabilen Falcon 9 roketlerini geliştiriyor. İngiliz ve Avustralyalılar ise roket yerine sesten 7 kat hızlı uçan roket uçaklar peşinde koşuyor. Bunlar uzaya roket gibi çıkacak ve mekik gibi iniş yapacaklar. Skreemr da roket uçak teknolojisinin yolcu uçağına uyarlanmış hali.

İlgili yazı: Küp uydularla uzaydan lazer internet

 

Küllerinden doğdu

2003 yılı süpersonik uçuşlar açısından tam bir felaketti. Yaşanan kazalar, yüksek bakım masrafları ve süpersonik uçuşların yarattığı rahatsız edici ses patlamaları nedeniyle, dünyanın ilk ve tek süpersonik yolcu uçağı olan Concorde’un uçuşları durduruldu.

Gerçi mühendisler zaman zaman Concorde’dan hızlı giden roket uçak tasarımları geliştiriyor ve bunların haberleri basında yer alıyor; ama geçenlerde duyurulan çift kanatlı sessiz süpersonik uçak tasarımı dışında sektörde 10 yıldır önemli bir gelişme yaşanmadı. Ta ki Skreemr’a kadar.

 

 

Süpersonik gelir kapısı

Bunun sebebi de uzaya uydu fırlatmanın yeni uçak tasarımı maliyetlerini karşılamak açısından yolcu uçaklarına göre çok daha kârlı olması. Sadece New York – Londra uçuşlarıyla sınırlı kalmayan Skreemr çok sayıda başkente uçarak maliyet ve finansman sorununu çözecek:

Concorde yalnızca Atlantik’in iki yakası arasında uçmak için üretilmişti. Ancak, soğuk savaşın ardından hızla gelişen Uzak Doğu ülkeleri sayesinde süpersonik hatların sayısı arttı ve böylece çok daha kârlı bir pazar ortaya çıktı. Skreemr gibi uçakların hizmet vereceği yeni hipersonik uçuş sektörü yatırımcıların iştahını kabartıyor.

 

Hipersonik uçuş teknolojisi

Concorde’un maksimum hızı 2,04 Mach, yani saatte 2179 km. Sesten 10 kat hızlı uçan Skreemr ise bu başarısını kuyruk kısmı ördek gagasına ve kuş ibiğine benzeyen sıra dışı tasarımına borçlu (en azından teorik olarak).

Skreemr’ın normal bir yolcu uçağından farklı olarak 4 kanadı var. Bunların ikisi önde yer alıyor ve uçağın yüksek hızlarda dönüş yapmasını sağlıyor. Bu tür bir uçağın yapısı itibariyle yerden tekerleklerle kalkacağını da sanmayın. Uçak gemilerindeki gibi katapultla havaya fırlatılacak.

 

Elektromanyetik mancınıklar

Katapult ya da diğer adıyla mancınık eski çağlardan kalma bir silah. Amerikan uçak gemileri de savaş uçaklarını gemiden buharlı katapultlarla fırlatıyor. Böylece 340 metre uzunluğundaki bir gemiden sanki 2 km’lik pistte hızlanır gibi kalkış yapmak mümkün oluyor.

Ancak, yolcu uçakları avcı uçaklarından daha büyük ve ağır. Skreemr da klasik anlamda aerodinamik bir uçak değil ve bu yüzden pistten kendi gücüyle kalkmak yerine, elektromanyetik katapultlarla fırlatılacak. Bunun için de Amerikan donanmasında test edilen “ray silahı” teknolojisini kullanacak.

Elektrik akımı verilen süperiletken raylar, uçağı ileri iten elektromanyetik kaldıraç kuvveti sağlayacak. -200 derece yerine, gittikçe daha yüksek sıcaklıklarda süperiletken özelliği kazanan yeni üretim malzemeleri sayesinde ray silahları ucuzluyor. Aynı sebeple bu silahların basit bir versiyonu olan elektromanyetik katapultları da çok daha ucuza üretmek mümkün.

 

Hibrit motor

Skreemr yerden kalktıktan sonra sıvı hidrojen veya zenginleştirilmiş jet yakıtı kullanarak sesten 4 kat yüksek hıza ulaşacak (Detaylar için roket uçak Skylon yazısına bakabilirsiniz). Ancak sesten 10 kat hızlı uçmak için scramjet (mahmuz jet) motoru kullanması gerekiyor.

Çünkü yüksek hızlara ulaşmak için atmosferin seyreldiği 20 km’nin üzerine çıkmak zorundayız. Böylece sürtünme azalıyor, fakat jet motorlarındaki yakıtı yakacak olan oksijen miktarı da azalıyor. Mahmuz jetler, uçağın yüksek hızlarda havayı mızrak gibi delerek oksijen almasını sağlıyor. Düşük hızlarda ise turbofan pervaneleri havayı motorun içine çekiyor.

2015’teki tüm roket uçuşları: Uçaklar roketlerin yerini alabilir

 

Adeta sanat eseri

Tasarımcı Charles Bombardier ve konsept artisti Ray Mattison’ın eseri olan Skreemr’ın (gerçekten de böyle bir uçağa mühendislik harikası yerine sanat eseri diyebiliriz) mahmuz jet motoru, havayı içine aldıktan sonra sıkıştıracak ve yakıt deposundan motora giren hidrojeni yakacak.

Mahmuz jet teknolojisi günümüzde Amerika ve Çin tarafından test ediliyor. Bunun bir amacı da yüksek irtifada saatte 12 bin 500 km hızla uçan savaş uçakları ve nükleer başlık taşıyan hipersonik jet motorlu füzeler geliştirmek (Cruise füzelerinin torunları).

 

Süper seramik

Yukarıda belirttiğimiz gibi, bu konudaki en büyük engel, 1300 derece sıcaklıkta erimeyen ve kabindeki yolcuları kavurmayan bir uçak yapmak. Çünkü hipersonik uçaklar sesten sadece 4 kat hızlı uçsa bile alçak irtifadaki yoğun havaya sürtünerek ısınıyor. 20 km yükseğe kadar bu sorun var.

Daha yüksek irtifada ise atmosfer seyreliyor, ama bu kez de uçak sesten 10 kat hızlı gidiyor ve havaya hipersonik hızda mermi gibi çarptığı için atmosferdeki molekülleri sıkıştırarak ısınıyor. Dolayısıyla uçağın içindeki 75 yolcuyu korumak için ısıya dayanıklı malzemelerden üretilmesi gerekiyor. Bunlar aynı zamanda plastik kadar hafif ve titanyum kadar sert olacak.

 

 

Uzay mutfağı

2011’de emekli olan uzay mekikleri de atmosfere giriş sırasında seyrek havayı sıkıştırarak aşırı ısınıyordu. Çünkü göktaşlarının atmosferde buharlaşmasının asıl sebebi sürtünme değil, yarattıkları yüksek basınç ve atmosfere giren bir uzay mekiğinin de göktaşından farkı yok.

Mekikler yüksek ısıdan korunmak için seramik karolar taşıyordu; ama bunlar bir yolcu uçağına takılacak kadar hafif, esnek ve ucuz malzemeler değildi. Ayrıca mekiklerdeki karoların her uçuştan sonra değiştirilmesi gerekiyor ve bu da masrafları artırıyordu.

 

Her şeyin bir çözümü var

California, Malibu’daki HRL Laboratuarları’nda çalışan bir grup bilim adamı, 3D printerda basılan ve 1300 derece sıcaklığa dayanan kompozit seramikler üretmeyi başardılar. Bu aslında çok zor bir iş. Çünkü 3D printerlar baskı malzemesi olarak düşük ısıda eriyen ve kolay şekil alan PLA gibi plastikler kullanıyor.

Seramik ise kahve kupalarından bildiğimiz gibi ısıya dayanıklı, ama sert bir malzeme ve sert olduğu için de 3D baskıya uygun değil. Peki, bilim adamları 3D printerla sert seramik basmayı nasıl becerdiler?

Bunun için “seramik öncesi reçine” adını verdikleri, ağdalı bala benzeyen ve 3D printerla basmaya uygun olan bir malzeme geliştirdiler. Bu malzeme ancak kuruyup sertleştikten sonra seramiğe dönüşecekti.

 

 

Reçineden nasıl seramik üretilir?

Burada çamsakızına benzeyen sıradan bir reçineden söz etmiyoruz. Endüstriyel baskı reçinesi uzun bir zincire benzeyen organik moleküllerden oluşuyor ve böylece şekilden şekle girebiliyor. Zaten bir hidrokarbon türü olan ve günümüzde petrolden üretilen plastikler de polimer içeriyor. Polimerler hem reçinenin hem de plastiklerin esnek olmasını sağlıyor.

Ancak iş sadece esnekliğe kalsaydı baskı reçinesinin çamsakızından pek farkı kalmazdı. Nitekim işin esneklik tarafını halleden bilim adamları, reçineyi 3D printera yüklediler ve stereolitografi denilen özel bir baskı tekniği kullanarak reçineyi seramik kalıplar halinde bastılar.

Aslında stereolitografi de yeni bir teknoloji değil. PC işlemcilerinin mikroskobik tellerden oluşan devreleri 30 yıldır litografi teknikleriyle basılıyor. Buradaki asıl yenilik, plastik gibi 3D printerda basılan ve sertleşince seramiğe dönüşen marifetli reçineyi üretmekti.

 

 

Reçine tavlamak

Reçine tavlamak derken reçineyi sertleştirmek ve reçineye kıvamını vermekten söz ediyoruz. Bilim adamları reçineyi iki aşamada sertleştirdiler:

Önce morötesi (UV) ışığa tutarak diş dolgusu gibi katılaşmasını sağladılar ki diş dolgularına “3D printerların halk arasında 20 yıl önce yaygınlaşan ilk formu” diyebiliriz.

Ancak bu sadece başlangıçtı. Hemen ardından reçineyi özel fırına koydular ve 982 derecede ısıtarak tümüyle kuruttular. Böylece çamsakızından farklı olarak silikon karbit tozu da içeren marifetli reçine iyice sertleşti ve 1300 derece sıcaklığa dayanıklı uzay seramiğine dönüştü.

 

 

Acele edin!

3D printer sayesinde yuvarlak uçak gövdesi gibi basılabilen uzay seramikleri, hipersonik Skreemr uçağının normalde titanyumdan üretilmesi gereken gövdesinde kullanılacak. Çünkü uzay seramikleri metal yorgunluğuna, çatlamaya ve kırılmaya karşı en az titanyum kadar dayanıklı.

Şimdi sıra Skreemr tasarımcıları ile seramik mucitlerini buluşturmakta. Çünkü zengin pilotlar ve havayolu yöneticilerinin kurduğu Club Concorde, geçenlerde yaptığı açıklamada, 2019 yılında Concorde uçuşlarına tekrar başlamak için 250 milyon dolar bütçe ayırdığını duyurdu.

 

Uzay yarışları

Doğrusu bunu yapmalarını hiç istemiyorum. Çünkü Concorde uçağı kazalara yol açan, çevreyi kirleten, gürültü yapan, yakıt tüketimini artıran ve bu nedenle de çevre kirliliği ile küresel ısınmaya yol açan 50 yıllık eski bir teknoloji.

En iyisi sessiz uçan süpersonik uçaklar geliştirmek veya Elon Musk’ın yaptığı gibi, vakum tüplerde sesten hızlı giden Hyperloop trenlere odaklanmak.

 

Hipersonik yolcu uçağı Skreemr

¹Additive manufacturing of polymer-derived ceramics. Zak C. Eckel, Chaoyin Zhou, John H. Martin, Alan J. Jacobsen, William B. Carter, Tobias A. Schaedler. Science 1 January 2016: Vol. 351 no. 6268 pp. 58-62 DOI: 10.1126/science.aad2688