flap kullanımının taşıma kuvveti üzerine etkisi ve r/c

DÜŞÜK HIZLI UÇAKLARDA VE RADYO KONTROLLU MODEL UÇAKLARDA FLAP
KULLANIMININ TAŞIMA KUVVETİ ÜZERİNE ETKİSİ
Şeref ERKARA
ESHAVK 2008
ÖZET
Bu yazıda, düşük hızlı uçak ve modellerinde taşıma kuvvetinin oluşumu, basit formüle
edilmesi, , taşıma kuvvetine etki eden parametrelerin kısa analizi yapılmış ve taşıma kuvvetinin
artırılması için flap kullanmanın etkileri genel hatlarıyla anlatılmıştır.
1. GİRİŞ
Uçaklarda taşıma kuvvetinin oluşumu, aerodinamik açıdan belirli şekle sahip kanatları
yardımıyla olmaktadır. Kanatların oluşturduğu bu taşıma kuvvetinin artırılabilmesi konusu ise her
zaman araştırmacıların ilgisini çekmiştir ve çekmeye de devam edecektir.
Uçaklarda flap kullanılmasına neden ihtiyaç duyulur? Aynı soruyu bir model uçak için de
sorabiliriz.
Bu açıdan konuya yaklaştığımızda taşıma artırıcı sistem olarak
flap kullanımı,
uçaklarda ve küçük ölçekli modellerinde, etkileri ve kullanım şekilleri açısından aynı olmakla
birlikte, amaçları bakımından biraz değişiklik gösterebilmektedirler.
Düşük hızlı uçaklarda flap, belirli uzunluktaki piste en uygun şartlarda inmek, kalkmak ve
emniyeti artırmak amacıyla kullanılırken, model uçaklarda flap, bu özelliklerin yanında zamana
karşı bir yarış esnasında modelin düşük hızlarda kontrol edilerek, hedeflenen noktaya ya da bölgeye
emniyetli bir şekilde inebilmesi amacıyla da kullanılmaktadır.
Ancak konu detaylarını incelemeden önce, taşıma kuvvetini tanımak, oluşumunu ve buna
etki eden parametreleri bilmek gerekmektedir. Flap yardımıyla taşıma kuvvetinin artırılması konusu
ise yazının ilerleyen bölümlerinde detaylı olarak anlatılacaktır.
2. TAŞIMA KUVVETİ VE KATSAYISI, TAŞIMA EĞRİSİ
Uçaklarda taşıma kuvveti ( bazı kaynaklarda kaldırma kuvveti olarak tanımlanır) kanat
üzerinden geçen hava akımının alt ve üst yüzeyde yarattığı basınç farkından oluşmaktadır. Kanat
alanı boyunca bu basınç farklarının dağılımı yukarı doğru bir taşıma kuvveti yaratacaktır.
Kanada üstten veya alttan baktığımızda görünen geometrik şekli ve profili (akım yönündeki
kanat kesitine bu ad verilir), değişik uçak, planör ve modellerinde amaca uygun olarak seçilir.
Bu yazıda genel olarak taşıma kuvvetinin artırılması ile ilgili konu seçildiği için kanat ve
profil seçim kriterlerinden bahsedilmeyecektir.
Düşük hızlarda (sıkıştırılamaz akım yaklaşımı) Taşıma Kuvveti
L;
L=Cl *ρ/2*V2*S
Formülüyle verilmekte olup burada,
Cl
: Taşıma Katsayısı
ρ
: Hava Yoğunluğu
V
: Uçak Hızı
S
: Kanat Alanı
dır.
Bu basit formülde görüldüğü gibi düşük hızlarda ( bu formülün geçerli olduğu uçulan
ortamdaki ses hızının yaklaşık %30 u yani havanın sıkıştırılabilirlik sınırının başladığı hıza kadar),
taşıma kuvvetine ; hava yoğunluğu, taşıma katsayısı, hızın karesi ve kanat alanı doğrudan( çarpan
olarak) etkilemektedir. Yani bu parametrelerden birini, diğerlerini değiştirmeden artırırsanız, taşıma
kuvveti artacaktır.
Kanat alanı değişmediği sürece ve hava yoğunluğunun çok değişmediği
kabulüyle uçağın taşıma kuvveti ; hıza ve taşıma katsayısına bağlı olarak değişecektir. Hız, uçağın
sahip olduğu itki veya tepki kuvveti ( motor gücü) sayesinde kontrol edilebildiği gibi, uçağın uçuş
pozisyonuna göre ( alçalma veya yükselme )artırılıp azaltılabilir. Taşıma kuvvetinin hızın karesiyle
orantılı olması, hızın bu formüldeki önemini bir kez daha anlamamıza yardımcı olur.
Taşıma katsayısı ise kanadın ve kanada ilave edilen aerodinamik şekillere sahip bazı ek
parçaların geometrilerine ve pozisyonlarına bağlı olarak değişkenlik gösteren bir parametre olarak
tanımlanır.
Bilindiği gibi uçuşun en önemli ve en kritik safhaları kalkış ve iniş safhalarıdır. Bu safhalar
model uçaklar için de geçerlidir. Uçakların havada tutunabileceği minimum hız değerleri vardır.
Bu hız değerleri pilotlar ve modelciler için çok önemlidir. Pilot emniyetli bir şekilde kalkış / iniş
hareketine devam etmeye veya vazgeçme kararını bu hız değerine göre verir. Bunun nedeni pist
uzunluğu ve modelci için istenilen bölgeye emniyetle inmek ya da kalkmaktır.
Bu durumda hızın kabul edilebilir minimum değerine karşılık, taşıma katsayısının artırılması
ihtiyacı doğmaktadır. Bu nedenle de flap denilen taşıma artırıcı sistemler kullanılmaktadır.
3. FLAP ETKİSİ
Flap uygulamaları genellikle kanadın firar ( arka ) kenarı ve kanadın gövdeye yakın
bölgelerine yapılır. Hücum kenarı (ön kısım) uygulamaları da slat adıyla anılır ve aynı amaçla
kullanılmaktadır.
Aşağıda tipik bir flap ve slat uygulaması görülmektedir.
uygulamaları uygulanış biçimi açısından çok değişik şekiller alabilir.
Flap ve slat
Asıl amaç, kanadın
kamburluk değerini artırarak taşıma katsayısını dolayısıyla taşıma kuvvetini artırmaktır.
Model uçaklarda flap uygulamalarını daha az görmekle beraber model planörlerde flap
kullanma ihtiyacı daha fazladır. Özellikle nokta inişi yapacak bir yarışma planörünün, hızını
azaltması ve kontrollü bir şekilde uçuşunun devam ettirilebilmesi, böyle bir flap uygulamasıyla
başarılabilmektedir. Flap etkisini incelemeden önce genel taşıma kuvvetine tekrar geri dönersek;
bir kanat profili, diğer parametreler değişmediği kabulüyle aerodinamik açıdan incelendiğinde
yaratacağı taşıma kuvvetinin, profilin özellikleriyle yakından ilgili olduğu anlaşılmaktadır.
Düşük hızlarda uçmak için dizayn edilen kanat profillerinin taşıma karakteristikleri bir
birine benzer olup değişik profillerin aerodinamik incelemeleri, hücum açısıyla taşıma
katsayılarının değişimleri şeklinde yapılmaktadır.
Hücum açısı: profilin veter (cord) hattıyla uçuş doğrultusu arasındaki açı olup,
Tipik bir kanat profilinin taşıma eğrisi aşağıda verilmiştir.
Şekilde simetrik bir profilin eğrisi de verilmiş olup, sıfır hücum açısında sıfır taşıma
katsayısı verdiği kolaylıkla görülmektedir
TAŞIMA
KATSAYISI
HÜCUM AÇISI
T
.
Bir diğer önemli konu, maksimum taşıma hücum açısının alabileceği değerle ilgilidir. Bu
değer genellikle 10-180 olup, düşük hızlı uçaklarda kullanılan benzer profillerde bu açı fazlaca
değişmez. Diğer bir deyişle tam dik olarak yukarı doğrultuda hareket yapan bir uçak veya model bu
uçuşunu kanadın sağladığı taşıma kuvvetiyle değil, motorunun vermiş olduğu güçle yapmaktadır.
Aynı şekilde düşük hızda uçan uçak ve modellerde kullanılan profillerle taşıma katsayısının
alabileceği en büyük değer 1,2~1,6 civarındadır.
Yukarıda anlatılan konular sade bir profil ve dolayısıyla sonsuz açıklıklı kanat için geçerli
olup ( kanat ucu etkileri göz önüne alınmayan kanat), flap uygulaması yokken elde edilebilecek
değerleri açıklamaktadır.
Flap uygulaması kanadın kamburluk değerini dolaylı olarak artırarak, taşıma eğrisinin
aşağıdaki gibi değişmesine neden olmaktadır.
STALL HÜCUM AÇILARI
ARASINDAKİ FARK
NACA 4412
FLAP AÇIK
HALDE
TAŞIMA
EĞRİSİ
TAŞIMA
KATSAYISI
NACA 4412
FLAP
KAPALI
HALDE
TAŞIMA
EĞRİSİ
HÜCUM AÇISI
Görüldüğü gibi flap açılmasıyla taşıma eğrisi yukarıya doğru ötelenmiştir. Elde edilebilecek
taşıma katsayısı flap cinsine ve açılma açısına bağlı olarak artacaktır (şekildeki eğri NACA 4412
Profilinde 600 açılmış bir Split flap uygulaması için deneyler sonucu elde edilmiştir). Görüldüğü
gibi yaklaşık 80 hücum açısında flapsız elde edilebilen katsayı 1.2 iken bu değer flaplı durumda 2.5
değerine yaklaşmaktadır.
Ancak dikkat edilmesi gereken önemli bir husus, taşıma katsayısının artışı yanında
maksimum taşıma katsayısının elde edildiği hücum açısı sola doğru ötelenmiştir, yani azalmıştır.
Diğer bir deyişle uçak ya da model, daha düşük hücum açısında stall (taşıma kuvveti kaybı)
olacaktır. Bu çok önemli bir husus olup, pilotların mutlaka göz önünde tutmaları gereken bir
bilgidir.
Model uçaklarda uçağın hızı normal uçaklardaki gibi pilotun görsel olarak(uçuş
göstergeleri) her an önünde olmadığı için, belirli mesafeden takip edilen modelin daha çabuk stall
olma riski vardır ve bu modelci için oldukça önemlidir.
Flap açılmasıyla, taşıma kuvvetinin artırılması ve düşük hızda havada tutunması
hedeflenmiş olmakla beraber, sürükleme kuvvetindeki bir artıştan da bahsedebiliriz. Bu yazıda,
taşıma kuvveti ele alındığı için, sürükleme kuvvetindeki artışın uçuş performansı üzerine etkileri
konusu üzerinde durulmayacaktır.
4. SONUÇ
Uçaklarda ve küçük boyutlu modellerinde taşıma kuvveti ve bu kuvvetin artırılabilmesi
daima güncel bir konu olarak araştırmacıların ilgisini çekmiştir. Bu konuya bağlı olarak flap ve slat
uygulamaları da performansa etkileri açısından önemini korumaktadır.
Bu yazıda temel olarak düşük hızla uçan uçaklarda taşıma kuvvetinin oluşumu ve
matematiksel ifadesi özet olarak verilmiş, bu kuvvete sadece taşıma katsayısı açısından yaklaşılarak
flap etkisi kısa ve öz olarak irdelenmiştir.
Konu uçak olmakla beraber yazıda anlatılmaya çalışılan kavramlar kanadı temsil eden kanat
profil üzerinden yapılmıştır. Toplam taşıma kuvveti ise kanat açıklığı boyunca oluşur ve profil
incelemesinde, gerçek kanattaki kanat ucu etkileri göz önüne alınmaz. Bu durum genel kavramları
değiştirmeyeceği için başlangıçtaki tanımlamalar açısından bir problem yaratmaz. Ancak gerçek bir
taşıma kuvveti analizinde tüm etkenler göz önüne alınmaktadır.
Uçaklarda oluşan taşıma kuvveti, flap, slat uygulamasıyla, kanat kesit şeklinin (profil)
fonksiyonu olarak elde edilebilen taşıma katsayısını 2,3 kat artırabilmektedir. Ancak bu durumda
stall hücum açısının düşeceğini mutlaka değerlendirmek gerekecektir.
Flap ve slat uygulamaları uçak tipine ve yapılan görev tanımına göre değişebilmektedir.
Uygulanış yeri, boyutu, açılma açısı, şekli gibi çok parametreye bağlı olarak seçilebilir olması çok
geniş bir inceleme dalı yaratmaktadır.
Modelcilik açısından taşıma kuvveti ve taşıma kuvvetinin artırılması için flap kullanılması,
gerçek uçaklardaki kadar önemlidir.
Taşıma kuvvetinin bilinçli kontrol edilebilmesi için flap
uygulamasıyla elde edilen kazanımlar, emniyetli ve başarılı bir modelci için çok önemli olacaktır.
KAYNAKLAR
1. YÜKSELEN Adil Aerodinamik Ders Notları İ.T.Ü. 2006-2007
2. ANDERSON , JR. John Introduction To Flight 1978