Uçak bileşenleri - Kanat

Tipik bir uçak için aşağıdaki yapılar tanımlanabilir:

o   kanatlar

o   uçak gövdesi

o   kuyruk

o   motor

o   iniş takımı

Kanatlar;

Tüm uçağın ağırlığını dengelemek için gerekli kaldırma kuvvetini sağlar. Aerodinamik olacak şekilde tasarlanmış, kesitine kanat adı verilen bir kutu olarak da ifade edilebilirler. Uçak havada veya karada hareket ederken kanat; üst ve alt yüzeylerinden geçen hava akımının farklı hızlarda olmasından dolayı kaldırma kuvvetini oluşturur. Kanat yüzeyleri etrafında hızlanan hava, hava süratinin daha fazla olmasından dolayı statik basıncın düşmesine neden olur. Bu nedenle, kanat etrafında bir basınç farkı oluşur. Bütün kanat boyunca basınç entegre edilerek aerodinamik momentin yanı sıra düşey ve yatay yüklerin bileşkesi hesaplanabilir. Kanatın orta düzlemine dik olan düşey yük, kaldırma kuvveti olarak adlandırılır. Uçuş yönünün tersine yönlenen yatay bileşen ise sürüklenme kuvveti olarak adlandırılır. Bu bileşen, motor tarafından oluşturulan itme kuvveti ile dengelenmelidir. Bu iki yükten oluşan aerodinamik moment, bir odak noktasında tepki gösterdiği düşünülürse, genellikle kanat genişliği çizgisine göre (chord line) ön kenarın % 25’ine denk gelir.

Kanat ve kanat yüzeyi, kanatın aerodinamik performansını belirledikleri için oldukça önemli iki parametredir. Kaldırma kuvvetinin ilkesi aşağıdaki açıklamalara dayanmaktadır.

Kanadın ön (hücum) kenarından geçen hava hızı, kanadın alt (firar) kenarından geçen hava hızına eşittir.

Kanat profilinin üst kısmından (kanadın ön kenarından arka kenarına) geçen hava, kanatın alt kısmından geçen havaya nazaran, daha uzun bir mesafeyi aynı zaman diliminde kat etmesi gerektiğinden, daha hızlı yol alması gerektiği anlamına gelir. Bu nedenle dinamik basınç artar. (Şekil 1’de hava yoğunluğu ρ, akış hattındaki lokal hız V).

O halde, basitleştirilmiş olarak Bernoulli ilkesi statik ve dinamik basınç arasındaki miktarın sabit olduğunu söylemektedir. Bu yüzden, dinamik basınç artarken statik basınç düşer. Kanatın üst yüzeyindeki statik basıncın düşüşü daha fazla olduğu için (ve statik basınç herhangi bir yüzeye dik olduğu için) alt yüzeyinde toplamda statik basınç farkına neden olur ve üst kenar yukarıya doğru hareket eden bir kuvvete maruz kalır. Bu kuvvet kaldırma kuvveti olarak adlandırılır ve sabit bir uçuş için ağırlığı dengelemelidir.

Sonsuz sayıda uçak kanadı var denilebilir. Fakat bunlar çoğunlukla uçuş şekline dayalı olarak birkaç kategoride gruplandırılmıştır. Bu nedenle, düşük hızdaki uçuşlar (V

Yukarıdaki açıklamalar, uçağın ve etrafından geçen akımın sabit kabul edilmesine göre yapılmıştır. Bu kabul, havacılık mühendisliği tarafından kullanılan bir uygulamadır.

Kanat Profili

Belirli bir hız için toplam kaldırma kuvvetinin değeri, aşağıdaki formül kullanılarak elde edilir:

L toplam kaldırma kuvveti

ρ hava yoğunluğu

V∞ Ön kenardaki hava hızı

S  kanat bazlı print alanı

Cl kaldırma katsayısı (boyutsuz)

Aynı şekilde sürükleme kuvveti ve aerodinamik moment aşağıdaki formüller kullanılarak hesaplanır:

, 

Burada Cd kaldırma katsayısı (boyutsuz), Cm moment katsayısı ve l basınç merkezinden (momentin sıfır olduğu yerden) bileşke yükün hesaplanacağı noktaya olan uzaklıktır. Kaldırma, sürükleme ve aerodinamik moment katsayıları, basınç dağılımlarının yanı sıra kuvvet ve momentleri ölçebilen cihazlarla donatılmış ölçekli modellerde, rüzgar tüneli testleri ile elde edilir.

Aşağıdaki resimler, üç kanat profili göz önüne alındığında-mh114 - il, sa7038 - il ve e176 - il.- farklı açılar için bu katsayıların varyasyonunu göstermektedir.

Kanat Hareketleri;

Kanat üzerinde, kalkış veya iniş sırasındaki kaldırma kuvvetini arttırmak veya azaltmak için ve ayrıca uçağın boylamsal eksende dönebilmesi için hareket edebilir monteli yüzeyler bulunmaktadır.

Slat’lar kaldırma kuvvetini arttıran kanatın ön kenarı boyunca yerleştirilmiş yüzeyler iken flap’lar kanatın firar kenarının yarısı hizasına ve iç tarafına monte edilen yüzeylerdir. Kaldırma kuvvetini azaltmak için kullanılan donanıma da hava freni (air-brake)  denir. Tipik olarak, bunlar flap’ların yukarısına monte edilmiş küçük düz yüzeylerdir. Kullanıldıklarında hava akımına karşı bir duvar gibi yükselirler. Kanat firar kenarının dış tarafındaki yarı kısmında kanatçıklar bulunur ve uçağın boylamsal ekseni etrafında kontrol edilmesi için kullanılan dar hareketli yüzeylerdir. Her kanat ucuna yerleştirilen kanatçıkların ters şekilde çalışması amaçlanmıştır.

Örneğin, sağa doğru bir dönüş istendiğinde, sağ kanattaki kanatçık yukarı hareket ederken sol kanattaki kanatçık aşağı doğru hareket eder. Yukarı kalkan kanatçık mahallî kaldırma kuvvetini azaltırken,  aşağı hareket eden kanatçık kaldırma kuvvetini arttırır. Böylece ortaya çıkan fark uçağın dönmesi için gerekli momenti oluşturur. Kanat ucunda monte edilebilen kanatçık (winglet) bulunmaktadır.

Sürükleme direncini azaltarak kanat performansını arttırırlar. Sürükleme direnci, üst ve alt kanat yüzeylerinin arasındaki basınç farkından kaynaklanmaktadır. Kanat ucunda, statik basıncın yüksek olduğu alt taban, basınç düştükçe yukarıya doğru eğilim gösterir. Bu hareket, hava akışını bozarak kanat sürüklemesini arttırırken kanatın kaldırma gücünü de azaltır. İşte bu olayı önlemek için kanatçıklar takılır.

Kanat İç Yapısı;

Uçak yapısı gerçek bir sanat ürünüdür. Mümkün olduğunca hafif olmalı ve kullanılacağı son güne kadar meydana gelebilecek her türlü yüke karşı direnmelidir. Havacılık endüstrisi, ağırlık oranına göre en iyi gücü sağlayan özel malzemeleri kullanmaktadır. Bu yüzden uçaklar, güçlü, hafif, aşınmaya ve zor şartlara karşı dirençli olmalı, işletme süresince maruz kaldığı yüke dayanıklılık gösterecek iyi özelliklere sahip olmalıdır.

Kanadın içyapısı çoğunlukla kanat kirişleri (spars), nervür veya sinirlerden (ribs) ve kaplamalardan (skins) oluşur.

Genellikle, her iki tarafta da kanat uzunluğu boyunca 2 adet kanat kirişi bulunur. Ön kanat kirişi, kanat genişliği çizgisine (chord) göre hücum kenarından %20-%25’lik mesafede yerleştirilir. Arka kanat kirişi ise kanat genişliği çizgisine göre hücum kenarından %65-%75’lik mesafede yerleştirilir. Kanat kirişleri, kaplamayla birlikte burulma kutusunu (torsion box) oluştururlar ve adından da anlaşılabileceği gibi bu yapı Y ekseni etrafında kanat burulmalarına karşı direnç gösterir. Bu burulmaya aerodinamik moment (kanat boyunca hava basıncı dağılımı odak noktasına indirgenmiştir) ve kanat merkez çizgisine göre dıştan monte edilen motorlar, iniş takımı, silahlar, motor takati gibi kitleler neden olur.

Kanat kirişleri, X ekseni etrafında bükülürken çok iyi çalışacak şekilde inşa edilmiştir. "I" veya "C" kesitine sahiptirler ve bir gövde (spar web) tarafından birbirine bağlanmış üstte ve altta olmak üzere iki adet birleşme yüzü (flange) içerirler. Bu şekil, en düşük bir ağırlık için büyük bir atalet momenti sağlar. Üst ve alt flange’lar gerilim ve kopmresyonda iş görürken, düzlem içi kaymada yer alan gövdeler (web) eksen boyunca oluşacak yükte flange’ların birbirinden ayrılmasını engeller.

Nervürler (ribs) kanadın hava basıncında deforme olmamasını sağlamak için vardır. Bunlar ağırlıklı olarak düzlem içi kaymada (in-plane shear) görev alması için tasarlanmış çok hafif yapılardır. Ancak bazı nervürler hareketli yüzeylerin tutturulması veya motor (kanatta herhangi bir yere monte edilmişse) yerleştirmeye yarayan yük girişi olarak çalışırlar. Bunlar daha sağlam ve daha yüklüdür. Nervürler birleşme yüzeyleri veya destekler ile kaplama yüzeyine ve kanat kirişlerine bağlıdır.

Kanat kaplaması başlıca üst ve alt kaplama olarak ayrılır. Mümkün olduğunca tek parça olması istense de imalat ve montaj işlemleri kanat kaplamasının tek parça olmasını imkansız kılmaktadır. Düzlem-içi kaymada çalışırlar. Kaplama sadece birkaç milimetre olup kırılabilir bir yapıya sahiptir. Kanat kaplamasının çökmesini engellemek amacıyla 100 mm aralıkla boylamasına takviye kirişler ( stiffeners) tutturulur. Boyuna kiriş (stringers) olarak da adlandırılıp kaplama yüzeyinin sağlamlığını arttırırlar. Kesitleri "I" veya "Z" şeklinde olabileceği gibi  "omega" şeklinde de olabilir. Nervürlerin birleşme yüzleri (flanges) takviye kirişlerinin kanatın bir ucundan diğer ucuna uzanmasına izin verecek şekilde biçimlendirilir.

Kanatlar yakıt deposu olarak da çalışırlar. 2 veya 3 nervürü içine alacak şekilde ön ve arka kanat kirişlerinin arasındaki boşluk yakıt tankı olarak belirlenmiştir. Her iki kanada tonlarca yakıt alabilecek üç veya dört adet tank inşa edilebilir. Yakıt tanklarının kanada ekstra faydası vardır. Kanatlar uçuş esnasında hava basıncı nedeniyle yukarı doğru bükülme eğilimi gösterirler. Bükülme eğilimi arttıkça, içyapıdaki stres de artar. Bu nedenle, yakıt tankları ekstra ağırlıkları ile kanadın aşırı derecede bükülmesini önler.

Kanat Tipleri;

Kanat sayıları göz önüne alındığında kanatlar şu şekilde olabilir:

o   Tek kanatlı

o   Çift kanatlı

o   Üç kanatlı

Gövdedeki pozisyonuna bağlı olarak kanatlar:

Kanat şekli düşünüldüğünde: