Uçaklar Nasıl Uçar 4: Angle of Attack ve Lift Oluşumu

Bu yazımızda angle of attack ‘ı ve lift’in nasıl oluştuğunu anlamaya çalışacağız. Fakat yazımıza başlamadan önce bu serinin önceki yazısını okumak için Uçaklar Nasıl Uçar 3: Downwash ve Lift Kuvveti linkine tıklayabilirsiniz. Ayrıca uçaklar hakkında bazı terimlere aşina olmanız için Uçakların Terminolojisi ve Uçuşu Anlamak: Mach Sayısı, Basınç ve Pitot Tüpü ilgili yazılara göz atabilirsiniz.

Angle of Attack

Şimdi biraz da angle of attack’ı inceleyelim. Havacılıkta angle of attack, kanadın mean chord’u (kanadın ön ucu ile arka ucu arasına çizilen çizgidir) ve rüzgarın esme doğrultusu arasındaki açı olarak tanımlanır. Burada açıklamalarımız için effective angle of attack’ı kullanacağız. Effective angle of attack, kanadın sıfır lift ürettiği duruma göre tanımlanır. Okuyucuda oluşabilecek potansiyel kafa karışıklığını önlemek adına, havacılıkta kullanılan geometrik angle of attack ile burada kullandığımız effective angle of attack’ın farkının üzerinde durmalıyız. Şekil 4.1’de kavisli bir kanat, sıfır geometrik angle of attack ve sıfır effective angle of attack durumlarında gösterilmiştir. Sıfır derece geometrik angle of attack’a sahip kavisli bir kanat, havanın yönünü aşağı doğru yönlendirdiği için lift üretmektedir. Aynı kanat sıfır derece effective angle of attack’a sahip olduğunda ise havanın yönünde herhangi bir yönlendirme yapmadığı için sıfır lift oluşturmaktadır. Kanadın simetrik olması durumunda ise elbette geometrik angle of attack ile effective angle of attack aynı olacaktır.

airfoil downwash etkisi
Şekil 4.1. Geometrik ve effective angle of attack.

Bütün kanatlar için sıfır lift oluşturan bir yönelme durumu, bir angle of attack vardır. Kanadın bu sıfır lift oluşturan duruma göre oluşturacağı açı effective angle of attack olur. Eğer bir kanadı sıfır dereceden yukarı ve aşağı doğru döndürerek oluşturduğu lift miktarını ölçseydik, sonuç Şekil 4.2’de gördüğümüz grafiğe benzer olurdu. Bu çok önemli bir sonuçtur. Bu grafik kanadın oluşturduğu lift miktarının kanadın effective angle of attack’ı ile orantılı olduğunu gösterir. Bu, modern bir jet, ters uçuştaki bir uçağın kanadı veya kağıttan bir uçak gibi bütün kanatlar için doğru bir yaklaşımdır. Lift için buna benzer bir grafik, geometrik angle of attack’ın bir fonksiyonu olarak da oluşturulabilir. Fakat grafik üzerindeki çizgi farklı kanatlar için farklı olacaktır, sadece simetrik kanat için çizilen çizgi grafiğin orjininden geçecektir.

angle of attack ve lift
Şekil 4.2. Effective angel of attack – Lift grafiği.

Şekil 4.2’de görüldüğü gibi, lift ile angle of attack arasındaki ilişki kritik bir angle of attack değerinde kopar. Bu değerde iken kanat üzerindeki kuvvetler çok güçlü olmaya başlar ve hava kanattan ayrılarak kanadın üzerindeki drag’ı(havanın kanada uçuş yönünün tersi yönde uyguladığı sürükleme kuvveti) artırırken lift kaybına uğramasına neden olur. Bu kritik angle of attack değerinde kanat stall’a(kanadın uçağı kaldırmak için gerekli olan lift’i üretememesi durumu) girmeye başlar. Stall konusu daha sonra detaylı olarak ele alınacaktır.

Kanat Üzerindeki Hava Alanı

Newton’un ikinci kuralı bize lift’in, kanadın yönlendirdiği hava miktarı ile havanın hızının çarpımına eşit olduğunu söyler. Havanın dikey hızının, kanadın hızına ve angle of attack’ına orantılı olduğunu gördük. Hava miktarının nasıl hesaplandığını ise henüz konuşmadık. Bu yüzden bir görselleştirme aracı olarak, kanadın belirli bir miktar havayı yakaladığını ve yönü değişen bir hava alanı oluşturduğunu gösteren görseli benimsiyoruz (Şekil 4.3).

Daha doğru olması açısından, yönlendirilen havanın alt kısmı, kanadın hızı ve angle of attack’ı ile tanımlanan bir dikey hıza sahiptir. Kanattan uzaklaştıkça bu dikey hız düşer ve Şekil 4’te görülen alanın en üst noktasında ise hava çok küçük bir hıza sahiptir. Karakteristik uçakların kanatları için kanadın üzerindeki hava alanının kanadın alanı ile orantılı olduğunu söylemek güzel bir yaklaşımdır. Kanadın üzerindeki etkilenen hava alanı bütün kanatlar için, Şekil 4’te görüldüğü gibi yaklaşık olarak eliptik bir şekle sahiptir. Kanadın ürettiği lift miktarı kanadın yönlendirdiği hava miktarına orantılı olduğundan, kanat alanı da kanadın ürettiği lift miktarı ile doğru orantılıdır.

scoop
Şekil 4.3. Kanat üzerindeki hava alanı (The Scoop).

Eğer böyle bir hava alanını hava içerisinde hareket ettirirseydik(yani uçak hareket ederken bu alandan sürekli olarak hava geçtiğini düşünelim), ne kadar havanın yönü değişirdi? Tabi ki, belirli bir hızda hareket eden bu hava alanının hızını iki katına çıkarırsak, yönlendirilen hava miktarı da iki katına çıkardı. Peki bunu havanın daha az yoğun olduğu bir irtifada yaparsak ne olur? Eğer havanın yoğunluğu yarıya inerse, kanat üzerindeki yönlendirilen hava miktarı da yarıya iner. Yani kanat tarafından yönlendirilen hava miktarı kanat alanı, uçağın hızı ve havanın yoğunluğu ile orantılıdır.

Sıcaklık ve nem de hava yoğunluğunu etkiler. Sıcaklıktaki artış havanın genleşmesine neden olur. Sıcaklığın 0 0C’den 35 0C’ye yükselmesi havanın yoğunluğunun %10 azalmasına neden olur. Nem de havanın yoğunluğunu düşürür, çünkü su buharı havanın kapladığı alandan %40 daha az alan kaplar.

Uçuş sırasında, angle of attack’taki normal değişimler için kanat tarafından yönlendirilen hava miktarının kanadın angle of attack’ından bağımsız olduğunu söyleyebiliriz. Ayrıca kanadın yönlendirdiği hava miktarı angle of attack’ı da etkileyen kanat üzerindeki yükten bağımsızdır.

Şekil 4.3’te gösterilen hava alanının sadece bir görselleştirme olduğunu söyledik, ancak kanadın havayı nasıl yönlendirdiğini anlamak için çok kullanışlı olduğunu söyleyebiliriz. Hatta bu görselleştirme bize lift’in hız, havanın yoğunluğu, angle of attack ve power ile arasındaki aerodinamik ilişkileri doğru anlamamızı sağladı. Bu görselleştirme üzerinden türettiğimiz bağlantılar yaklaşık değil kesindir.

Bir kanadın ne kadar hava yönledirebileceğini görmek için küçük bir hesaplama yapalım. Örnek olarak 1045 kg ağırlığındaki bir Cessna 172’yi ele alalım. Bu uçak ile 220 km/s hızda seyahat ederken, effective angle of attack değerini 5 derece, kanattaki dikey hava hızını da 18 km/s alalım. Kanadın yönlendirdiği havanın ortalama hızını bu değerin yarısı kabul edersek, Newton’un 2. kuralından yönlendirilen hava miktarını 5 ton/s olarak hesaplarız. Böylece seyahat halindeki bir Cessna 172 lift üretmek için her saniye başına ağırlığının yaklaşık 5 katı miktarındaki havayı yönlendirir. 250 ton ağırlığındaki bir Boeing 777’nin ne kadar hava yönlendirdiğini düşün.

boeing 777
Şekil 4.4. Boeing 777.

Peki bu hava alanı ne kadar büyük? Eğer hesap yaparken kolaylık sağlamak açısından bu alanı dörtgen olarak alırsak, kanat genişliğine eşit olan kenar 14,6 m ile kanadın yukarısına doğru uzanan 7,3 m yüksekliğinde bir kenar olur. Bu gerçekten çok fazla miktarda hava demektir. Havanın deniz seviyesindeki yoğunluğunun 1 kg/m3 olduğunu hatırlayalım. Şekil 4’te ima edildiği gibi lift kanadın ortasında en büyüktür. Böylece kanadın orta kısmının üzerinden 7,3 m yüksekliğe kadar havanın yönlendirildiğini görürüz.

Lift’in popüler tanımı ve daha basit şekliyle lift’in matematiksel açıklaması, kanadın hava üzerindeki etkisini sadece yüzeyinin çok yakınında ele alır. Bu ise lift’in az miktarda hava içeren çok lokal bir etki olduğu izlenimini verir. Bir kanadın ürettiği lift miktarı ve etkilenen hava miktarı ile ilgili yaptığımız küçük hesaplama, bunun doğru olmadığını gösterir. Lift üretiminde büyük miktarda hava vardır.

Bu büyük miktarda yönlendirilmiş hava, bir çift kanatlı uçağın alt kanadının üst kanadın ürettiği lift’e müdahale etmesine neden olur. Alt kanat tarafından yönlendirilen hava, üst kanadın altındaki hava basıncını azaltır. Bu, üst kanadın lift’ini ve verimliliğini azaltır. Bu nedenle, birçok çift kanatlı uçakta, üst kanat alt kanattan biraz ileriye taşınır veya en azından üst kanadın orta kısmı, bu etkiyi azaltmak için ileri doğru hareket ettirilir.

Şimdi Bütün Bildiklerimizi Bir Araya Getirelim

Artık bir kanadın ürettiği lift’in, kanadın yönlendirdiği hava miktarı ve havanın dikey hızının çarpımı ile orantılı olduğunu biliyoruz. Kanadın yönlendirdiği hava miktarı ise kanadın hızı ve havanın yoğunluğu ile orantılıdır. Aşağı doğru yönlenen havanın dikey hızı ise angle of attack ve kanadın hızı ile orantılıdır. Bu bilgiler ile uçuş esnasında lift’in nasıl ayarlandığını anlayabiliriz.

İlk örneğimiz olarak, 2g’lik bir dönüşe geçen uçağın kanadındaki artan yüke ne olduğuna bakalım. Böyle bir dönüşte kanatlardaki yük iki katına çıktı. Uçağın hızının sabit tutulacağını varsayarsak, artan yükü telafi etmek için aşağı yönlendirilen havanın dikey hızı iki katına çıkarılmalıdır. Angle of attack’ı iki katına çıkarmak bunu telafi eder.

açı ve g karşılaştırması
Şekil 4.4. Açı değerine göre g değerinin değişimi.

Şimdi ise irtifasını değiştirmeden düz uçuş yapan bir uçak hızını iki katına çıkarırsa ne olur? Pilot angle of attack’ı sabit tutarsa, aşağı yönlendirilen havanın hem miktarı hem de dikey hızı iki katına çıkardı. Böylece lift 4 katına çıkar. Uçağın ağırlığı değişmediğinden, artan lift uçağın irtifasının hızla artırmasına neden olur. Bu nedenle, sabit bir lift sağlamak ve yönlendirilen havanın dikey hızını azaltmak için angle of attack azaltılmalıdır. Bir uçağın hızı %10 artırılırsa, kanadın üst kısmındaki etkilenen hava miktarı %10 artacaktır. Bu nedenle, aşağı doğru yönlendirilen havanın dikey hızında %10’luk bir azalma sağlamak için angle of attack’ın azaltılması gerekecektir. Böylece kanadın ürettiği lift sabit kalır.

Son bir örnek olarak, daha yüksek irtifaya çıkan bir uçağın durumunu ele alalım. Havanın yoğunluğu azalır ve böylece aynı hız için yönlendirilen hava miktarı azalır. Sabit bir lift sağlamak ve yönlendirilen havadaki bu azalmayı telafi etmek için angle of attack arttırılır. Havanın yoğunluğu %10 azalırsa bunu telafi etmek için aşağı yönlendirilen havanın dikey hızı aynı %10 oranında artar. Bunu sağlamak için angle of attack yeterli miktarda artırılır.

Artık uçağın lift miktarını, yük, hız ve yükseklik değişikliği durumunda nasıl ayarladığını anlıyoruz. Bir uçağın uçuşunu anlamanın bir sonraki adımı power ve drag konusudur. Sonraki yazımızda Power konusunu inceleyerek anlamaya çalışacağız. Devam yazısı için Uçaklar Nasıl Uçar 5: Power Eğrisi linkine tıklayabilirsiniz.

Yazar: Osman Veysel Özdemir

Necmettin Erbakan Üniversitesi Uçak Mühendisliği bölümünden 2019'da mezun oldu. Sivas Bilim ve Teknoloji Üniversitesi Savunma Teknolojileri alanında yüksek lisans yapıyor. Mühendisliğin, dersleri yüksek notlarla geçmekten ibaret olmadığını ve gerekirse aynı dersin 3 kez alınabileceğini savunan adam. Ayrıca bilgisayarlara ve kodlamaya dair özel bir ilgisi var. "İman varsa imkan vardır." #NecmettinErbakan #AbbasibnFirnas #%0.7 #AGD #AeronauticalEngineer #UçakMühendisi

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir