‘’Swept-back wing’’ Türkçeleştirmek gerekirse geriye ok açılı kanat veya geriye doğru süpürülmüş kanat, hava aracına yukardan bakıldığında kanatların geriye doğru belirli bir açıyla eğimli olması durumuna verilen bir isimdir. Yüksek hızlı uçaklarda kullanılan bir kanat tipidir ve ortaya çıkış sebebi ses hızına yakın hızdaki bir hava akışının kanat profili üzerindeki davranışıdır.
Swept-back tasarımının temel sebebi şudur, bir hava aracı ses hızının altında seyir etse bile (subsonic), kanat profili üzerindeki akış, konuma göre (genelde profilin ön kısmında) süpersonik hızlara ulaşabilir. Bu durumun gözlemlendiği hız ise kritik mach sayısı (critical mach number) olarak geçer.
Bu mekanizma bir uçuş sübsonik hızda olsa bile bölgesel olarak şok dalgası oluşmasına neden olur çünkü süpersonik hızda oluşan basınç dağılımı, kanadın devamında hız düşük olduğu için ilerleyemez ve şok dalgası oluşur.
Şok dalgası ise kanat üzerindeki akışın sınır tabakasından ayrılmasına sebep olur yani taşıma azalır. Ek olarak, oluşan şok dalgası uçağın ileri hareketini engelleyen dalga sürüklemesini (wave drag) oluşturur.
Swept-back tasarımının çıkış noktası bu mekanizmadır. Kanatlara geriye doğru bir açı verilirse akışın hepsi veter hattı boyunca geçmez (chord-wise flow), bir kısmı kanat açıklığı boyunca akar ki buna span-wise flow denir. Bu sayede, akışın ayrılması geciktirilir yani daha yüksek hızlarda meydana gelir. Ancak, akışın bir kısmının span-wise olarak ayrılması taşımayı azaltır çünkü taşıma veter hattına paralel olan akış sayesinde gerçekleşir.
Swept-back tasarımının kritik mach sayısını ne kadar artırdığı, düz kanadın kritik mach sayısının, sweep açısının kosinüsüne bölümü ile bulunur. Örneğin, bir uçağın kanadında sweep açısı bulunmuyorken kritik mach sayısı 0.7 M olsun. Eğer, kanatlara 20 derece sweep açısı verilirse mach sayısı 0.7449 M olur. (0.7/cos20).
Tasarımın Keşfi
Swept-back tasarımı ilk olarak, bir Alman uçağı olan ‘’Messerschmitt Me 163’’ uçağında görülmüştür. Daha sonra, 1430 adet üretilen ‘’Me-262’’ uçaklarında kullanılmıştır.
Amerika’nın bu konfigürasyona geçme süreci ise birkaç P-38 uçağının düşmesi ile başlamıştır. P-38’lerden sonra üretilen F-86F uçakları ile ilk swept-back tasarımlı Amerikan uçağı üretilmiş ve uçakların düşme sorunu ortadan kaldırılmıştır. Peki bu uçakların düşmesine sebep olan ve swept-back tasarımının Amerika’da kullanımını başlatan neden neydi?
P-38 yaklaşık 0.6 mach’a çıkabilen bir uçaktı. Yatay dengeleyicisi ve kanadı aynı eksen üzerine yerleştirilmişti. Şok dalgaları nedeniyle ayrılan hava akışı kuyrukta bir taşıma kuvvetine neden oluyordu. Bu kuvvet de uçağın burnunu sürekli aşağı eğmeye çalışıyordu. Ayrıca, yüksek hızlı dalışlarda kanatlardan ayrılan akış, pilotların uçağın burnunu yükseltmek için yukarı doğru bir elevatör girdisi vermesini engelliyordu (Pilot lövyeyi kendine çekmek için yeterli kuvvet uygulayamıyordu). Bu mekanizma, kanatlardaki taşımanın azalması ile birleşince uçakların düşmesine sebep oluyordu. Daha sonra, swept-back tasarımı ile bu sorun çözüldü.
Hareketli kanat (variable sweep wing)
Swept-back tasarımından sonra, ‘’variable sweep wing’’ olarak adlandırılan kanadın geriye doğru eğim açısının değişebildiği bir tasarım ortaya çıktı. Bu tasarıma sahip uçaklar, düşük hızlarda düşük sweep açısı, yüksek hızlarda yüksek sweep açısı kullanarak verimi artırmaktadır. İlk örneği, Bell X-5 hava aracıdır. F-14, F-111, B-1, Su-24 diğer örneklerdir.
Swept-back tasarımının diğer avantajları ise şunlardır:
1. Uçağa önden bakıldığında gözüken kesit alanı azaldığı için şekil sürüklemesi (form drag) azalır.
2. Kanatlardaki taşıma düz kanatlara göre daha az olduğu için indüklenmiş sürükleme (induced drag) azalır.
3. Dikey eksende dengeleme (directional stability) sağlar. Eğer swept-back tasarımına sahip bir hava aracı sağa veya sola sapma (yaw) yaparsa, sapma yönünün aksindeki kanatta taşıma artacaktır. Diyelim ki, uçak sola doğru sapma yaptı, sağ kanattaki taşıma artar dolayısıyla o kanatta induced drag da artar ve bu sürükleme kuvveti uçağı sağa doğru sapma (yaw) yapmaya zorlar. Yani uçak, kontrol yüzeylerine ek komut vermeden ilk konumuna dönmeye çalışır. Bu sayede, dengeleme sağlanır.
Dezavantajlar
1. Kanatlara geriye doğru bir eğim (sweep) vermek maksimum taşıma katsayısını azaltır. Bu da, swept-wing tasarımına sahip uçakların maksimum taşımayı elde etmek için daha yüksek hücum açılarında uçması anlamına gelir.
2. Kök kısmında başlayan span-wise akışı kanat ucuna doğru istiflenir ve kanat ucunda tutunma kaybı yaşanmasına sebep olabilir dolayısıyla aileronlar etkisiz hale gelir. Aşağıdaki görselde kanat ucundaki akışın düzensizliği gözükmektedir.
3. Kanat ucunda oluşan taşıma kuvvetleri kanat kökünde hem eğilme hem de burulma gerilmeleri oluşturur dolayısıyla daha mukavim bir yapısal gereklidir.
4. Swept-back tasarımlarında diyelim ki uçak sağa doğru sapma (yaw) yaptı. Bu durumda, sağ kanattaki basınç merkezi (CP) arkaya doğru, sol kanattaki basınç merkezi ise öne doğru kayacaktır. Bir başka ifadeyle, sol kanattaki taşıma artarken sağ kanatta azalacaktır ve uçak sağa doğru dönecektir (roll). Dolayısıyla, uçağın yanal dengesi (lateral stability) olumsuz yönde etkilenir. Bu mekanizmaya, yaw-induced roll denir.
5. Swept-back kanatların geometrisi, bir uçağın kanat uçlarını ağırlık merkezinin arkasına yerleştirir. Bu yüzden, kanat uçlarında oluşan taşıma, burun aşağı yunuslama momenti (pitch) oluşturma eğilimindedir. Bu moment uçaklardaki, trim yüzeyleri ile dengelenir. Kanat uçları stall olduğunda hem taşıma hem de oluşan yunuslama momenti hızla azalır. Momentinin kaybı, önceden dengelenmiş uçağın burnunu hızla yukarı doğru kaldırır ve hücum açısı birden artar ve ardından uçak stalla girer. Bu olay, F-100 Super Sabre uçaklarında o kadar çok yaşanmıştır ki literatüre ismi “Sabre dansı (Sabre dance)” olarak geçmiştir.
Uçaklarda, fazla span-wise akışını engellemek için çeşitli önlemler alınır. Örneğin, wing fence denilen kanadın üst kısmına yerleştirilen yapılar mevcuttur. Bu yapılar span-wise akışını veter hattına çevirerek stall olma ihtimalini azaltır. Uçaklarda, buna benzer tarzda yapılar kullanılabilir. Örnek olarak, ‘’vortex generators’’, ‘’notched leading edge’’ tasarımı, ‘’dogtooth leading edge’’ tasarımı, ‘’vortilon’’ gibi aerodinamik yüzeyler span-wise akışının oluşturabileceği stall ihtimalini engellemek için kullanılır. Bu yapıların görsellerle birlikte detaylı anlatımını başka bir yazıda ele alacağım. Peki concorde gibi delta kanat yapısına sahip hava araçları nasıl oluyor da 70° gibi yüksek sweep açısına sahipken bu tarz yapılarla önlem almıyor. Bunun nedeni, ‘’vortex lift’’ denen hücum kenarında oluşan vortexlerin, devamında oluşturduğu taşıma mekanizmasıdır.
Sonuç olarak, basit bir kanat konfigürasyonu olarak gözüken ‘’swept-back’’ tasarımının arkasında muazzam bir mühendislik gizlidir. Bu konfigürasyonun, çeşitli avantajları olduğu gibi maalesef birkaç uçak kazasından sonra anlaşılan dezavantajları da mevcuttur. Dolayısıyla, bir uçak tasarımı yapılırken tüm koşullar dikkatli şekilde düşünülmeli ve detaylı hesaplamalar yapılmalıdır.
Referanslar
- code7700.com
- https://www.boldmethod.com/learn-to-fly/aerodynamics/wing-sweep/
- http://ae.sharif.edu/~aeroeng/uploads/8470-1393-3-26.pdf
- https://en.wikipedia.org/wiki/Swept_wing
- https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/wing-sweep
- https://physics.stackexchange.com/questions/49905/what-causes-an-aircraft-to-roll-when-rudder-is-applied
- https://www.lockheedmartin.com/en-us/news/features/history/p-38.html
