Uçak Kanat Tasarımları

Uçakların uçabilmesi için pek tabii ki kanat ve motor gücüne ihtiyaç vardır. Ancak burada uçağa kaldırma kuvveti veren, havada asılı kalmasını sağlayan ve ağırlığı dengeleyen ana bileşen uçak kanatları olmaktadır. Bir anda havada tüm motorların durduğunu ve güç sisteminin kapandığını düşünün. Tam da bu zamanda uçakların süzülümünü yine kanatlar yapacaktır. İşte bu sebeple bu denli önemli görevlere sahip olan uçak kanatlarının yapı ve tasarımı büyük önem taşımaktadır.

Öncelikle kanatların fonksiyonlarının neler olduğunu özetleyelim. Kanatlar üzerlerinde yakıt depolarını barındırırlar. Uçak havadayken uçağa manevra hareketi yapmayı sağlayan yine kanatlardır. Uçağın dengeli uçuşunu sağlarlar ve belirlenmiş bir irtifada tutunup düz uçuş yapabilmesi yine kanatlar sayesindedir. Öyle ki, savaş uçaklarında silah ve mühimmatlar kanat üzerinde taşınmaktadır.

Peki, farklı kanat tipleri neye göre şekillenir? Bunun cevabı oldukça detaylı bir teknik bilgisine dayanmaktadır. Ancak basit bir şekilde anlatacak olursak, farklı uçak tiplerine ve bu uçak tiplerinin kullanış amaçlarına göre belirli performans parametreleri baz alınarak farklı kanat tipleri şekillenmektedir. Kanadın nerede bulunduğundan, kanat biçimine, gövdeye takılış açısına, yatay düzlemden görünüşüne göre olmak üzere farklı tasarımlarda olabilmektedir.

Uçak kanatların şekli ve tasarımı, hatta  büyüklüğü ve gövde üzerindeki konumu uçakların hızını, dengesini, kaldırma kuvvetini ve hatta manevra kabiliyetini etkilemektedir. Bu yüzden kanatlar düz veya eğimli, ve hatta üçgen şeklinde bile olabilir.

Düz kanatlar düşük hızda yüksek kaldırma kuvveti oluşturması açısından avantajlıdır. Ancak bu kanatlar yüksek hızda hareket eden uçaklar için uygun değildir. Düz kanatlarda havanın akış yönü kanada dik olduğundan havanın oluşturduğu sürtünme kuvveti yüksektir.

Günümüzün yüksek hız performansına sahip uçakları genellikle geriye doğru eğimli kanatlar kullanmaktadır. Çünkü bu kanat tasarımında hava sürtünmesi düşük olmaktadır, böylece uçaklar daha yüksek hızlarda hareket edebilmektedir. Fakat geriye doğru eğimli kanatları olan uçaklar düşük hızlarda uçuş dengesini koruyamaz. Ticari yolcu uçaklarında ise kanat eğimi dengelidir. Bu sebeple hava sürtünmesi düşük ve düşük hızlarda uçuş dengeli olmaktadır. Geriye doğru belirgin şekilde eğimli olan kanatlar genellikle savaş uçaklarında kullanılmaktadır. Bu yüzden kanat tasarımında düşük hızlarda uçuş dengeli olmadığından, savaş uçakları havalanırken ve alçalma sırasında oldukça yüksek hızda hareket eder. Geriye doğru eğimli kanat tasarımının gelişmiş şekli delta kanat tasarımıdır. Bu da yine çoğunlukla savaş uçaklarında tercih edilmektedir.  Delta kanat tasarımı, günümüze kadar ticari hizmet vermiş olan Concorde ve Tupolev Tu-144 iki yolcu uçağında kullanılmıştır.

Kanat tasarımındaki verimlilik değerleri günümüz hava yolu şirketlerinin yöneticilerinin de ele aldığı önemli parametrelerden biridir. Her geçen yıl daha çok talep alan havacılık sektöründe yolcu sayısı arttıkça havayolu şirketleri daha az maliyetli yolları tercih etmektedirler. Yükselen taleple beraber hava yolu şirketlerinin kar marjlarını koruyabilmek için uçakların sürüş ve üretim alanlarında minimum maliyet ilkelerine uymaları gerekmektedir. Bu sebeple, havayolu üreticileri de kanat tasarımı ve imalatında iyileştirmeler yaparak bileşen ağırlıklarındaki azalmalara odaklanan bir teknolojiye yönelmektedirler.

Bildiğimiz üzere, havayolu şirketlerinin en yüksek maliyet kalemlerinden biri yakıt olmaktadır. Yakıt verimliliği maliyet tasarrufunun en önemli parçasıdır. Uçağın sürüklenişi ile tüketilen yakıt miktarı doğru orantılı olarak hareket etmektedir. Bu demektir ki, uçaktaki yüksek sürüklenme yakıt tüketimini arttıracak, doğal olarak bu da maliyetleri arttıracaktır. Bu sebeple, son dönemde uçak üretici ve tasarımcıları kanat tasarımında bunu azaltmayı önceliklendirmişlerdir.

Bu amaçla, uçak kanat tasarımında kanat ağırlığının azaltması için kompozit malzemeler kullanılmıştır. İlk olarak 1960’lı yıllarda kullanılan kompozit malzemeler üzerine son yıllarda nanomalzemeler de ilave edilmiş ve birçok inovatif yapılar geliştirilmiştir.

Üreticiler kanat tasarımlarında kanat üzerindeki hareketli parçacıklar ile de farklı çözümler üretmiş, pürüzsüz bir yolculuk deneyimi yanında maliyet avantajı da kazandırmışlardır. Özellikle son dönemin en önemli gelişmelerinden biri olan kanat uçları tasarımı sektöre yenilik getirmiştir. Büyük uçak üreticileri olan Airbus ve Boeing kanat uçlarında yukarı doğru bir uzantı biçiminde bir tasarım oluşturmuşlar, ve kanadın arkasında kalan havanın oluşturduğu girdap etkisini azaltmayı başarmışlardır. Bu girdap etkisi hava bozunumu yaratıp uçağın geçişini sarsmakta iken, kanat uçları tasarımı pürüzsüz bir uçuş seyahati sağlamıştır. Ayrıca kanat ucundaki bu değişim oldukça yakıt veririmliliği sağlamış ve böylece yakıt tüketiminde tasarruf amacı güden havayolu şirketleri için sevindirici bir haber olmuştur.

(Uçak Kanatlarının Uçları Neden Kıvrık? – Winglet)

Özetle, uçak kanatları ile ilgili farklı tasarım ve yapılar Wright kardeşlerin ilk uçuşlarından bu zamana kadar hep bir dönüşüm geçirmektedir. Gelecekte ise uçak kanatlarının nasıl bir şekilde olabileceğine dair pek çok inovatif tasarım örneklerini bilim sitelerinden görebilirsiniz. Her nasıl tasarlanırsa tasarlansın, kanat tasarımındaki asıl amacın yakıt tasarrufu ve güçlü bir aerodinamik yapı kurmak üzere olacağı hepimizin ortak kanısıdır.

Kısaca kanıt yapısını da inceledikten sonra, farklı kategorilerde kanatlar ve uçak tiplerine bakabiliriz.

Temel kanat yapısı şekilde görüldüğü üzere Rib ve Spar’lardan oluşur. Spar’lar temel yük taşıyıcılar olur iken, Rib’ler ise kanadın dış bombelerine şekil vermektedir.

Kanatlar yakıt deposudur dedik. Uçağa yakıt kanattan yüklenir. Yandaki şekilde de görüldüğü üzere, uçak kanatlarında ve gövdede konuşlandırılmış yakıt tankları bulunmaktadır. Yakıt tankları kanadın içine numaralandırılmış şekilde yerleştirilir. Buradaki yakıt tankları, sökülebilir metal, hücresel tank veya birleşik (entegral) biçimde olabilmektedir. Yakıt deposu olarak kullanılan kanatlara havacılıkta “ıslak kanat” anlamına gelen “WET WING” denir. Operasyon sırasında yakıt tanklarındaki su ve pisliklerin boşaltımı için kanat üzerinde “Drain Holes” isimli tahliye delikleri bulunmaktadır.

Kanat tasarımlarına geçtiğimizde ise kanat tasarımlarını iki şekilde ele almak mümkündür. Bunlar biraz teknik olsa da uçaklara ait fotoğraflara bakarak teknik bilgiyi pekiştirmek mümkün olacaktır. Uçaklar kanat tasarımı olarak Ankastre (cantilever) ve Yarı Ankastre (semi-cantilever) olmak üzere ayrılmaktadır. Aşağıdaki şekilde de bunların nasıl olduğunu görebilirsiniz.

Ankastre kanat tasarımında tüm yapısal mukavemet kanat içindedir ve herhangi bir dış destek olmaz. Günümüz modern uçakların büyük bir kısmı yani kullandığımız yolcu uçakları ankastre kanat tasarımına sahiptir. Yarı ankastre kanat tasarımında ise mukavemet kanat içi tasarımından ve dış destek elemanlarından elde edilir. Yarı ankastre tip kanatlar çoğunlukla küçük ve hafif uçaklarda veya düşük hızda uçan üstten kanatlı uçaklarda ya da ağır yük taşıyan yavaş uçak tasarımlarında kullanılır.

Ayrıca kanatlar gövdeye üstten, ortadan veya alttan bağlanabilir, farklı şekillerde ve yüzeylerde de olabilir. Kanat tasarım detayları oldukça teknik bir konu olduğu için buna girilmeyecektir, onun yerine görsellerden farklı tipleri gösterilecektir.

Kanadın yerleştirilmesine göre kanatlar;

Dihedral açılarına göre kanat tipleri;

Üst görünümlerine göre kanat tipleri;