Uçaklar Nasıl Uçar 5: Power Eğrisi

Uçaklar Nasıl Uçar serimizin bu yazısında Power konusunu ele alacağız ve Power Eğrisi ‘ni inceleyeceğiz. Bir uçağın uçuş esnasında ihtiyacı olan güç miktarı ve bunu etkileyen faktörleri inceleyeceğiz. Power terim olarak ele alındığı için yazı içerisinde kullanım olarak Türkçe karşılığı olan güç kelimesi tercih edilmemiştir. Yazımıza başlamadan önce bu serinin önceki yazısını okumak için Uçaklar Nasıl Uçar 4: Angle of Attack ve Lift Oluşumu 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.

Uçuşu anlamak için gerekli en önemli kavram power gereksinimidir. Havacılık ders kitaplarında uçağın hareket yönüne zıt bir kuvvet olan drag kavramının üzerinde çok durulurken, power kavramı fazla önemsenmezdi. Bu anlayış her ne kadar bir uçağın tasarımı açısından uygun bir yaklaşım olsa da uçağın çalışma tarzını anlamak açısından yeterli değildi.

Power birim zamanda yapılan iş miktarıdır. Uçuşla ilgili olan power aynı zamanda motor gereksinimi ve uçuş performansındaki sınırlamalar ile de ilgilidir. İki tür power gereksinimini ele alacağız. Birincisi, lift üretimi ile ilişkili olan induced power’dır. Induced power, lift üretmek için havaya aktarılan enerjinin aktarılma hızına eşittir. Bu yüzden uçuşla ilgili olarak induced kelimesini gördüğünüzde, lift aklınıza gelsin. Dikkate almamız gereken ikinci power gereksinimi ise parasitic power’dır. Parasitic power ise havanın içerisinde hareket eden uçağa olan etkisiyle ilişkilidir. Toplam power ise basitçe induced power ve parasitic power’ın toplamıdır.

Induced Power

Öncelikle uçuş sırasındaki induced power gereksinimini inceleyelim. Kanat, havayı aşağı doğru yönlendirip ivmelendirerek lift üretir. Kanat bu hareketi yapmadan önce hava durağan haldeydi. Kanat havayı yarıp geçtikten sonra ise hava aşağı doğru bir hıza sahip hale gelir, buradan şunu anlarız ki havaya kinetik enerji aktarımı olmuştur. Uçakların Terminolojisi yazısında bahsedildiği gibi, eğer kütlesi m ve hızı v olan bir mermi ateşlenirse, mermiye verilen enerji basitçe 1 ⁄ 2mv2 olur. Bu açıdan bakacak olursak induced power, enerjinin havaya aktarılma hızı olduğundan, yönlendirilen hava miktarı ile havanın hızının karesinin çarpımı induced power ile orantılıdır. (Yerdeki gözlemciye göre downwash’ın yönünün aşağı doğru olduğunu unutmayalım.) Ancak bir kanadın ürettiği lift, yönlendirilen hava miktarı ile o havanın dikey hızının çarpımı ile orantılı olduğundan, bir sadeleştirme yapabiliriz. Uçuşla ilişkili induced power, kanadın ürettiği lift ile havanın dikey hızının çarpına orantılıdır. Şimdi induced power’ın uçağın hızına olan bağımlılığına bakalım.

Şekil 5.1: Power vs Hız grafiği.

Bir uçağın hızı iki katına çıkarsa, yönlendirilen hava miktarının da iki katına çıkacağını biliyoruz. Bu nedenle hızı iki katına çıkarırken lift’i sabit tutmak istersek, angle of attack, havanın dikey hızını yarıya indirecek şekilde ayarlanmalıdır. Böylelikle lift sabittir ve downwash’ın dikey hızı yarıya indirilmiştir. Böylece, induced power yarıya inmiştir. Bu hesaplamadan ağırlığın değişmediğini varsayarsak (uçaklarda sürekli olarak yakıt tüketimi olduğu için ağırlık sürekli olarak değişir) induced power’ın 1/hız ile orantılı olarak değiştiğini görebiliriz. Induced power, Şekil 5.1’de hızın bir fonksiyonu olarak gösterilmiştir. Buradan uçağın ne kadar yavaş uçarsa, lift’i koruyabilmek için o kadar fazla power ihtiyacı olduğunu görebiliriz. Uçak uçuş sırasında yavaşladıkça, uçağın burnu tam olarak yukarı bakarken tam güçte uçana kadar gittikçe daha fazla power gereksinimi olur. Burada olan şey, uçağın hızı azaldıkça, gerekli lift’i sağlamak için daha az havaya daha fazla enerji verilmesi gerekliliğidir.

Parasitic Power

Parasitic power, havanın uçağa çarpmasından dolayı uçağın kaybettiği enerji ile ilişkilidir. Çarpışma sırasında uçağın bir hava molekülüne aktardığı ortalama enerji, çarpışma oranı ile orantılıdır. Yukarıdaki örnekteki mermiye verilen enerjide olduğu gibi, hava moleküllerine aktarılan enerji uçağın hızının karesiyle orantılıdır. Çarpışma oranı ise uçağın hızı ile orantılıdır. Uçak ne kadar hızlı giderse çarpışma oranı o kadar yüksek olur. Bu nedenle, her bir moleküle verilen enerji oranı nedeniyle hızın karesi ve çarpışma oranı nedeniyle de hız terimimiz mevcuttur. Bu bizi parasitic power’ın, hızın küpü ile orantılı olarak değiştiği sonucuna götürür. Hızın bir fonksiyonu olarak parasitic power Şekil 5.1’de gösterilmiştir.

Gerçek şu ki; parasitic power’ın, uçağın hızının küpü ile orantılı olarak değişmesinin, bir uçağın, parasitic power ile sınırlı olan seyir hızında uçarken uçağın performansı üzerinde önemli etkileri vardır. Bir uçağın seyir hızını iki katına çıkarması için motorunun hacmini sekiz kat arttırması gerekir! Bu nedenle, uçakta daha büyük bir motor kullanılırsa, uçağın rate of climb(tırmanma hızı) ve dönüş hızında ciddi bir iyileşme olurken, seyir hızında ise küçük bir artış olur. Uçağın hızını önemli ölçüde arttırmak için parasitic power azaltılmalıdır. Bu açıdan katlanabilir iniş takımları, daha küçük gövde kesitli tasarımlar ve geliştirilmiş kanat tasarımı gibi tasarım özellikleri parasitic power’ı düşürebilir.

Power Eğrisi

Yukarıda belirtildiği gibi, toplam power, induced power ile parasitic power’ın toplamıdır. Şekil 5.1’deki kesiksiz çizgi hızın bir fonksiyonu olarak toplam power’ı gösterir. Düşük hızda, uçağın power gereksinimini 1/hız ile orantılı olarak induced power baskın bir şekilde belirler. Seyir hızlarında ise performans, hızın küpü ile orantılı değişen parasitic power ile sınırlıdır. Bu grafik hızın bir fonksiyonu olarak toplam power’ı gösterir ve power eğrisi olarak bilinir. Toplam power gereksiniminin arttığı düşük hızlarda uçmak, pilotların power eğrisi nin arka tarafında uçmak olarak adlandırdığı şeydir.

Şekil 5.2: İrtifaya göre Power değişimi grafiği.

Yüksek irtifalarda power eğrisi nin nasıl etkileneceğini sorabilirsiniz. Bu durum, 3000 ft ve 12.000 ft (yaklaşık 900 m ve 3600 m) irtifa değerleri için power eğrilerini gösteren Şekil 5.2’de gösterilmiştir. İrtifanın artması ile hava yoğunluğunda bir azalma olur. Bu nedenle, kanat daha az miktarda havayı yönlendirir ve lift’i koruyabilmek için angle of attack’ın arttırılması gerekir. Daha önce belirtildiği gibi, havanın yoğunluğu azaldıkça, bunu telafi etmek için angle of attack ve downwash’ın dikey hızı artırılmalıdır. Böylece, induced power artacaktır. Havanın miktarındaki yüzde 10’luk bir azalma, induced power’da yaklaşık yüzde 10’luk bir artış anlamına gelir. Power eğrisinin arka tarafında uçan bir uçak, daha yüksek bir irtifaya çıkarken daha fazla power ve daha büyük bir angle of attack ile uçmalıdır.

Bu durum parasitic power için ise tam tersidir. Hava yoğunluğundaki bir azalma, uçağın hava molekülleri ile çarpışma sayısında bir azalmaya meydana getirir ve bu nedenle parasitic power’da bir azalma olur. Bir uçak seyir hızında uçarken yani parasitic power baskınken, daha yüksek bir irtifada uçmak daha ekonomiktir. Genellikle daha yüksek bir irtifada uçmak, daha yüksek bir hızda uçmak anlamına gelmez, çünkü turboşarjsız motorlar atmosfer basıncındaki azalma dolayısıyla benzer bir miktarda power’da azalma yaşarlar. Yani, atmosferik basınç deniz seviyesinin yüzde 65’i ise, motorun maksimum power’ı da deniz seviyesi performansının yaklaşık yüzde 65’i kadardır.

Ağırlığın Induced Power’a Etkisi

Şekil 5.3: Yük miktarı ile yakıt tüketiminin değişimi.

Şimdi uçak ağırlığının induced power üzerindeki etkisini inceleyelim. İlk olarak, uçuşla ilişkili induced power, kanatların ürettiği lift miktarı ve downwash’ın dikey hızının çarpımıyla orantılı olduğunu unutmayalım. Şimdi aynı hızı koruyarak ağırlığı iki katına çıkaracak olsaydık, ihtiyaç duyulan lift’i üretebilmek için havanın dikey hızını iki katına çıkarmamız gerekecekti. Hem hava üzerine yüklenen ağırlık hem de havanın dikey hızı iki katına çıktı buna karşılık induced power 4 katına çıktı. Böylece, induced power’ın ağırlık artışının karesi olarak artar. Buradan bir uçağın ve kargosunun ağırlığının neden bu kadar önemli olduğunu anlamak kolaydır.

Şekil 5.3’te ağır bir ticari jetin ağırlığının bir fonksiyonu olarak nispi yakıt tüketimi verileri gösterilmektedir. Bu ölçümler sabit bir hızda yapılmıştır. Verilerden, brüt ağırlığı 500.000 lb (227.000 kg) ve 0,6 Mach hızında iken, power miktarının yaklaşık %40’ının induced power ve %60’ının parasitic power olduğu söylenebilir. Gerçekte ise bu uçak, induced power’ın daha düşük olacağı ve parasitic power’ın daha yüksek olacağı 0.8 Mach civarında bir hızda seyredecektir. Ne yazık ki, daha gerçekçi bir hızda, power tüketiminin ayrıntıları daha karmaşık hale geldiği için parasitic power ile induced power’ı verilere bakarak birbirinden ayırmak daha zor hale gelir.

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