Kuşlar Esin Kaynağı: Morphing Wing

Kuşların uçuş sırasında kanat yapılarını belirli manevralar yapmak için değiştirdiklerini hepimiz gözlemlemişizdir. Bundaki amaç daha fazla uçuş verimliliği için, tüylerinin karakteristik özelliklerini ustaca kullanmak ve gerektiğinde dalışa geçerek yüzey alanını azaltacak şekilde kapatmaktır. Örneğin, bir Peregrine Şahini kanatlarını kapatarak daha hızlı bir şekilde avına ulaşabilir. Aynı şekilde uçaklar da Morphing Wing teknolojisi sayesinde kuşlara benzer şekilde uçuşunu gerçekleştirebilir ve farklı uçuş koşullarında performanslarını geliştirebilir.

Bir Peregrine Şahini, avı için dalış yaparken, açık olan kanat yapısından kapalı kanat formuna geçer[1]

Morphing Wing yani değişen, dönüşen kanatlar, uçağın aerodinamik verimini artırarak yakıt tasarrufu sağlamakta, dolayısıyla çevre kirliliğini azaltmakta etkin bir rol oynamaktadır. Dolayısıyla havayolu şirketlerinin maddi harcamalarını da önemli ölçüde etkileyeceği bilinmektedir. Bir havayolu şirketinin giderlerinin yaklaşık %50’si uzun mesafe uçuşlarının yakıt maliyetinden kaynaklanır ve bir uçağın harcadığı yakıtın %1 azaltılmasıyla yıllık $140,000 tasarruf elde edilebilir. Günümüzde pek çok uçağın aktif olarak kullanıldığı düşünüldüğünde, bir uçağın aerodinamik verimini artırmanın maddi açıdan ne kadar önemli olduğu buradan anlaşılabilir.

Geçmişte Morphing Wing

Bell X-5’in 20-60 derece kanat açıklığı aralığını gösteren hızlandırılmış fotoğraf [2]

10 Haziran 1951’de Bell X-5, uçuş sırasında kanatlarını geriye doğru kapatabilen dünyanın ilk uçağı oldu. X-5, subsonik ve transonik rejimlerde 20 ,45 ve 60 derece uçuşlarda ok açısı kabiliyetini göstermek için üretildi. X-5 ile elde edilen başarılı sonuçlar sonrasında, Grumman F-10-F ile ilk askeri kullanım da hayata geçirilmiş oldu. Bunun dışında Birleşik Devletler Donanması 2006 yılına kadar F-14 Tomcat ile değişken ok açılı kanat teknolojisinden yararlanmıştır. Tomcat’te kullanılan ve uçuş sırasında otomatik olarak 20 ile 68 derece arasında değişebilen bu kanatlar kalkış sırasında öne doğru açılarak havanın kaldırma kuvvetini artırmakta, hız gerektiren uçuşlarda geriye doğru kapanıp kanat alanını küçülterek sürtünmeyi azaltmakta ve hızı artırmaktadır. Bu da uçağa sabit kanatlı uçaklarda sağlanamayacak bir avantaj sağlamaktadır.

Çalışma prensiplerine göre Morphing Wing yapılarını sınıflandıracak olursak:

Kanat Formu Değişimleri

Değişken Kanat Açıklığı

Kanat açıklığı değiştirilerek farklı uçuş rejimlerinde, en iyi performans değerlerini yakalamak mümkündür. İniş ve kalkış mesafesinin kısaltılması, uçuş menzilinin artırılması ve yakıt verimliliği gibi avantajlara sahip olan bu yöntem, aynı zamanda savaş uçaklarında da Aspect Ratio (kanat açıklığının kanat alanına oranı) düşürülerek, yüksek manevra kabiliyeti ve yüksek hız gibi önemli avantajları beraberinde getirir.

Rus göçmen Ivan Makhonine, İkinci Dünya Savaşı sırasında Fransızlar için teleskopik kanatlı MAK 101 uçağını tasarladı. MAK 101, kanatları uzatıldığında daha stabil, daha fazla yakıt tasarruflu ve daha yavaştı. Kanat, it dalaşları ve akrobasi için de geriye doğru kapanacaktı. [3]

Değişken Veter Hattı

Konvansiyonel uçaklarda veter uzunluğu (İng. Chord Length), hücum (kanadın ön kenarı) ve firar (kanadın arka kenarı) kenarlarındaki flaplerle değiştirilir ve bunun sonucunda boşluklu ve pürüzlü bir yapı ortaya çıkar. Değişken kanatta ise bu şekilde sürükleme oluşturacak yapılar olmadığından çok daha verimli sonuçlar ortaya çıkar. Bu konuda yapılan deneysel çalışmalar ile daha iyi taşıma katsayısı (İng. Lift Coefficient) ve taşıma/sürükleme (İng. Lift to Drag Ratio) oranı elde edilir.

Veter uzunluğu değişken bir kanadın tipik gösterimi [4]

Değişken Ok Açısı

Düz ve sabit kanatlı bir uçak, subsonik hızlarda; ok açılı bir kanada sahip uçak ise transonik veya supersonik hızlarda verimli uçuş sağlar. Yüksek hızlarda daha düşük sürükleme elde etmeyi amaçlayan ok açılı kanatlar, bazı negatif durumları da beraberinde getirir. Birincisi, iniş için uzun bir piste ihtiyaç duymaları, ikincisi ise ses altı hızlarda yüksek yakıt tüketimine sahip olmalarıdır. Bu gerekçeler neticesinde, her iki durumda da etkin kullanılabilecek bir kanat gereksinimi ortaya çıkar. İşte tam bu noktada, değişken kanat yapısı farklı gereksinimlere tek bir kanat tasarımıyla yanıt verebilecek şekilde dizayn edilmiştir. Sonuç olarak, uçuş sırasında kanat açısının değiştirilmesi ile uçuşun her aşaması için optimize edilmesi ve daha yüksek performans elde edilmesi sağlanır.

Üretime giren ilk değişken ok açılı uçaktı, F-111 [5]

Değişken Veter Formu

Uçağın kanadının kamburluğunu (İng. Camber) ve veter uzunluğunu değiştirmeyi baz alan bu yöntemle, sıfır taşıma hücum açısı (İng. Zero Lift Angle of Attack), kanat profili verimliliği ve stall karakteristiği etkilenir. Sabit kanatlı bir uçakta slatlar ve flapler bulunur. Hücum kenarı ve firar kenarındaki bu yapılar kullanılarak kullanılarak, veter uzunluğu artırılır ve kamburluk formu değiştirilerek sürükleme en aza indirilebilir. Flapin boyu uzatılarak taşıma kuvveti; bununla birlikte slatın boyu da uzatılarak stall açısı artırılabilir. Şekilde görüldüğü üzere, değişken veter formunda kanat profili, kanat açıklığı boyunca kamburluk verilerek tıpkı bir aileron (Kanadın uç kısmında bulunan kontrol yüzeyidir) gibi çalışır. Bu yöntemle birlikte sürükleme azaltılacak ve yekpare bir forma sahip olduğundan, sürtünme oluşturabilecek yapılar bulunmayacaktır.

Bending’e uğrayan bir kanat profili [4]

Değişken Kanat Açıklığı Formu

Yapının kompleks olmasından dolayı en az tercih edilen değişken kanat türüdür. Yüksek ve düşük hızlarda, sürtünmenin azaltılması ve stabilitenin artırılması, hedeflenen esas parametrelerdir. Bunun yanı sıra sabit, yüksek AR’ye (Aspect Ratio) sahip kanatlar yakıt verimliliğinde avantajlı olsa da bu tarz kanatların manevra kabiliyeti azdır ve nispeten düşük seyir hızlarında kullanılır. Bunun aksine, düşük AR’li kanatlara sahip uçaklar daha hızlıdır ve daha iyi manevra kabiliyetine sahiptir ancak bu tarz uçaklar daha düşük aerodinamik verimliliğe sahiptir.

Büküme uğrayan bir kanat formu [4]

Kanat Burulması

Kanat üzerindeki lift (kaldırma kuvveti) dağılımı, kanada burulma hareketi kazandırılarak değiştirilebilir. Burulabilen kanat türü, flap, rudder ve aileron gibi kontrol yüzeylerinin neden olduğu sürtünme miktarını azaltarak aerodinamik verimliliği artıracaktır. Genellikle karmaşık ve ağır mekanizmalar gerektiren değişken ok açılı veya değişken kanat açıklığı formları gibi büyük değişikliklere gerek kalmadan bir taşıma yüzeyinin aerodinamik davranışı üzerinde önemli bir etki yaratabilir. Burulan kanat, aynı anda gust ve manevra yüklerini azaltmak, taşıma katsayısını artırmak ve konvansiyonel kontrol yüzeylerini değiştirmek gibi birden fazla görevi yerine getirebilir. NASA’da yapılan bir deneyde, burulmaya uğrayan bir kanatta başlangıç ​​durumuna göre daha büyük CL (İng. Lift Coefficient) üretildiği ve kanat burulmasının daha iyi uçuş karakteristiklerine sahip olmak için önemli bir yuvarlanma (İng. Roll) hızı oluşturduğu gözlenmiştir.

MIT ve NASA araştırmacıları tarafından tasarlanan esnek kanadın test versiyonu [6]

Langley Araştırma Merkezi’ndeki 3.7 metrelik düşük hızlı rüzgar tünelinde test kanadının yan perspektifi [6]

Sonuç olarak değişken kanat teknolojisi, uçak tasarımının inkar edilemez bir geleceğidir. Tıpkı farklı görevleri yerine getirmek için kanat şeklini değiştiren kuşlar gibi, “dev kuşların” etrafta dolaştığını ve kanatlarını havada sorunsuz bir şekilde dönüştürdüğünü görebileceğimiz gelecek çok da uzak olmayacak.

Kaynakça

[1]“The Morphing Wing: Birds Know Best,” Y.K. Yap, [Çevirimiçi]. Uygun: http://illumin.usc.edu/assets/submissions/738/Yap-%20The%20Morphing%20Wing.pdf.[Erişildi: 04-Tem-2020].
[2]“Bell X-5,” 26-Ocak-2016. [Çevirimiçi]. Uygun: https://www.nationalmuseum.af.mil/Visit/Museum-Exhibits/Fact-Sheets/Display/Article/195758/bell-x-5/. [Erişildi: 04-Tem-2020].
[3]Morphing Aerospace Vehicles and Structures-Wiley
[4]“A Review of Morphing Wing,” Zaini, Helmi & Ismail, Noor Iswadi, 2016. [Çevirimiçi]. Uygun:https://www.researchgate.net/publication/308647301_A_Review_of_Morphing_Wing. [Erişildi: 04-Tem-2020].
[5]“Variable-sweep wing,” Wikipedia, 02-May-2020. [Çevrimiçi]. Uygun: https://en.wikipedia.org/wiki/Variable-sweep_wing. [Erişildi: 04-Tem-2020].
[6]David L. Chandler | MIT News Office, “A new twist on airplane wing design,” MIT News, 03-Nov-2016. [Çevrimiçi]. Uygun: http://news.mit.edu/2016/morphing-airplane-wing-design-1103. [Erişildi: 04-Tem-2020].
[7]P. L. Bishay, E. Burg, A. Akinwunmi, R. Phan, and K. Sepulveda, “Development of a New Span-Morphing Wing Core Design,” Designs, vol. 3, no. 1, p. 12, 2019.
[8]A. Tabor, “Go, Go, Green Wing! Mighty Morphing Materials in Aircraft Design,” NASA, 02-Nov-2016. [Çevrimiçi]. Uygun: https://www.nasa.gov/ames/feature/go-go-green-wing-mighty-morphing-materials-in-aircraft-design. [Erişildi: 04-Tem-2020].
[9]https://dspace.lib.cranfield.ac.uk/bitstream/handle/1826/13282/A_review_of_modelling_and_analysis_of_morphing_wings-2018.pdf?sequence=4&isAllowed=y
[10]Abdulrahim, Mujahid & Lind, Rick, 2004, “Flight Testing and Response Characteristics of a Variable Gull-Wing Morphing Aircraft.” 5113. 10.2514/6.2004-5113.
[11]T. R. S. Kumar, S. Venugopal, B. Ramakrishnananda, and S. Vijay, “Aerodynamic Performance Estimation of Camber Morphing Airfoils for Small Unmanned Aerial Vehicle,” Journal of Aerospace Technology and Management Volume 12, no. 12, 2020.
[12]Tez: https://core.ac.uk/reader/48655936
[13]N. Stockton, “Shape-Shifting Wings, From Soviet War Planes to Top Gun’s Tomcat,” Wired, 03-Haziran-2017. [Çevrimiçi. Uygun: https://www.wired.com/2014/07/shape-shifting-plane-wings/. [Erişildi: 04-Tem-2020].
[14]Kapak resmi: https://static.designboom.com/wp-content/uploads/2019/07/airbus-bird-of-prey-electric-aircraft-concept-designboom-1.jpg

Düşünceleriniz Nedir?

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir