Eğer uçakla sık seyahat eden ve bu seyahatlerde uçağı alıcı gözle inceleyen biriyseniz, bazı uçakların kanatlarının ucundaki tuhaflığı eminim fark etmişsinizdir. Dışardan bakıldığında uçağı oldukça şık gösteren, balıkların yüzgeçleri ya da kuyruğunu andıran kanat ucundaki ekstra parçalardan bahsediyorum. Kimi uçaklarda oval şekilde, kimilerinde ise kanada dik bir şekilde konumlandırılan kanat ucu parçaları yani wingletleri anlatacağım bugün size. Sizce kanatların ucu sadece görsellik olsun diye mi kıvrık? Hadi başlayalım…
WINGLET NEDİR?
Winglet, uçak hareket halindeyken kanadın alt ve üst yüzeyi arasındaki basınç farkından dolayı kanat uçlarında oluşan girdapların, uçuş üzerinde oluşturduğu olumsuz etkiyi azaltma işlevine sahip olan kanadın ek bir yapısal bileşeni.
Eğer havacılık sözlüğüne bakarsanız winglet kelimesinin karşılığında bu mükemmel tanımı bulabilirsiniz. Ancak biz şimdi bu tanım üzerinden winglet yapısını anlamaya çalışalım. Kanadın ucunun neden kıvrıldığını anlayabilmek için önce bir uçağın buna neden ihtiyaç duyduğundan başlayalım…
Havacılığın temeli olarak kabul edebileceğimiz Bernoulli prensibine göre, sürtünmesiz bir akış boyunca, akışkanın hızı arttıkça basıncı azalır. Bir uçak hareket halindeyken, kanadın hücum kenarında yani ön kısmında bir akım ayrılması yaşanıyor. Kanatların uçağın gövdesine sabitlendiği açı nedeniyle de kanatların alt yüzeyinde oluşan basınç, üst yüzeyindeki basınçtan daha yüksek. Oluşan basınç farkı da uçak üzerinde bir taşıma kuvveti oluşmasına neden olarak, yer çekimi etkisini yenmesini ve uçağın yerden yükselmesini sağlıyor.
Akışkanların özelliği, yüksek basınçlı bölgeden düşük basınçlı bölgeye akma eğiliminde olmaları. Bu prensip gereğince, kanadın alt bölgesindeki yüksek basınçlı hava da üst bölgesindeki düşük basınca doğru akma eğilimi gösteriyor. Bu yüzden uçak hareket ederken kanat uçlarında kanadın altından üstüne doğru vortex dediğimiz girdaplar başka bir tabirle mini kasırgalar oluşuyor.
WINGLET NEDEN GEREKİYOR?
Kanat uçlarında oluşan girdaplar, uçuş performansını pek çok yönden olumsuz etkiliyor. Yolcular adına daha konforsuz, daha sarsıntılı bir uçuş deneyimi; havayolları adına da daha fazla yakıt tüketimi dolayısıyla da ekonomik kayıp oluşuyor. Uçağın hızını da kesen girdaplar, daha fazla yakıt tüketimine neden olması nedeniyle, uçağın daha uzağa uçmasına engel olurken; aynı zamanda daha fazla zararlı gaz emisyonu oluşturması ve gürültüyü artırması gibi nedenlerle çevresel olarak da olumsuz etkiler yaratıyor.
Uçaklar için bu kadar fazla olumsuz etkisi olan ve fizik kuralları gereği oluşmasının önüne geçilmesi imkansız olan kanat ucu girdaplarını azaltabilmek için uzmanlar iki temel çözüm önerisi buldu. Birinci yöntem sonsuz uzunlukta bir kanat üretmek; böylece kanadın alt ve üst yüzeyi arasındaki basınç farkını ortadan kaldırmaktı. Elbette teoride geçerli ama pratikte karşılığı olamayacak bir çözümdü bu.
İlgili Haber | Winglet Ne Kadar Yakıt Tasarrufu Sağlıyor?
Diğer bir çözüm ise, iki farklı basınç bölgesi arasına bir yapısal bileşen ekleyerek sorunu ortadan kaldırmaktı. 1976’da dünya genelinde yaşanan enerji krizinin kısa sürede yakıt fiyatlarını çok yükseltmesinin ardından, NASA’da görev yapan bir aerodinamik uzmanı olan Richard Whitcomb, bilimsel bir makale yayımladı. Whitcomb çalışmasında, bir kanat profiline winglet benzeri basit bir yapı eklediğindeki senaryo ile aynı kanadın açıklığının daha da artırıldığı iki ayrı versiyonunun performans karşılaştırmasını yaptı. Çalışmanın doğru sonucu verebilmesi için her iki senaryoda da kanat profiline eşit yapısal yük gelecek şekilde boyutlandırdı. Whitcomb, çalışmasının sonunda winglet eklenen kanatta sürtünmenin yaklaşık yüzde 20 oranında azaldığını ve ayrıca kanat profili üzerinde oluşan geri sürükleme-taşıma kuvveti oranının yüzde 10 civarında arttığını gösterdi. Wingletler havacılık dünyasına bu şekilde merhaba dedi. Ardından 1980’lerden bu yana, winglet isimli parçalar, uçak tasarımlarının önemli bir parçası haline geldi. Bazı eski uçakların kanatlarına ise sonradan winglet yerleştirildi.
KUŞLARDAN İLHAM ALINDI!
Kanat uçlarına monte edilen küçük aerodinamik yüzeyler olarak özetleyebileceğim wingletlerin tasarımına ilham veren ise, yüksek taşıma kuvvetine ihtiyaç duyduğunda kanat uçlarındaki tüylerini yukarı doğru kıvırdığı gözlemlenen kuşlar oldu. İyi tasarlanmış bir winglet, kanat ucunda oluşan girdabı adeta bıçak gibi yararak ortadan kaldırıyor.
Bir kanadın kanat açıklık oranı, iki kanat ucu arasındaki mesafenin, veter uzunluğuna oranını ifade ediyor. U-2 uçağı için bu oran yüksekken, F-104’ün kanat açıklık oranı düşük.
Yüksek kanat açıklık oranına sahip bir uçak aynı hızda düşük kanat açıklık oranına sahip bir uçağa göre daha uzun menzile sahip. Çünkü kanat ucu girdapları ile kaybedilen enerjiden orantılı olarak daha az etkileniyor. Ancak uzun kanatlar esnemeye daha fazla yatkın olmaları nedeniyle güçlendirilmek zorunda ki bu da uçağın ağırlığını artırıyor. İşte wingletler, kanat açıklığını artırmadan, kanat açıklık oranının etkisini artırabilmesi nedeniyle çok önemli.
Aşağıdaki resimde üç farklı popüler winglet yapısını göreceğiz. A şeklinde kanat ile kanatçık arasında açısal bir geçiş sağlayan geleneksel winglet yapısı var. B şeklinde merkezi “C1” noktası olan bir dairenin yayı yani kanatlı bir winglet. C şeklinde ise “C2” merkezli bir elipsin parçasını oluşturan eliptik winglet.
1988’de Boeing 747-400, tasarımı Şekil A’daki gibi olan geleneksel winglet ile uçan ilk yolcu uçağı oldu. Wingletli kanat yapısına sahip olan ilk yolcu uçağı ise A310-300’dü. O dönemde winglet yapısının ismi ise “Wingtip Fences” olarak adlandırılıyordu. Ticari yolcu uçakları arasında en büyük winglet yapısı Boeing 767-300ER uçaklarında kullanılıyor. Kanat ucundaki wingletlerin uzunluğu yaklaşık 3.5 metre.
AIRBUS VE BOEING’İN WINGLETLERİ!
Airbus A319 ve A320’de kanat ucunun hem alt hem üst kısmında çok küçük parçalara sahip olan wingletleri kullandı. Geniş gövdeli A330 ve A340 uçaklarında ise geleneksel yukarı kıvrık wingletler tercih edilirken A350’de eliptik winglet yapısına geçildi. Boeing ise uçaklarında geleneksel winglet yapısını kullanmayı tercih etse de, Seattle merkezli Aviation Partners şirketinin ortaya çıkardığı kavisli özel bir yapıya sahip olan “karma” winglet olarak adlandırılan yeni tasarım ise önce Boeing Business Jet’lerde ardından, Boeing 737’nin yeni jenerasyon modellerinde kullanılmaya başlandı. Boeing, 777, 747-8 ve son olarak 787 Dreamliner uçaklarında ise son derece modern bir görünüme sahip olan, bir kuşun kanatlarını andıran, kanatların zarif bir şekilde yukarıya kıvrıldığı eğimli bir yapı kullandı. Amerikalı imalatçı en yeni modeli 777X’te ise katlanabilen kanat ucu yapısını hayata geçirdi. Beklentilerin çok yüksek olduğu katlanabilir kanat ucu yapısının havacılığa ne gibi katkıları olabileceğini uçak piyasaya çıktığında hep birlikte göreceğiz.
Öte yandan Airbus wingletlerin yerine sharklet ismini verdiği bir tasarımı hayata geçirdi. Çift parçalı sharklet isimli yapıyı 2009 yılında duyuran Airbus, 30 Kasım 2011’de, sharklet yapısı ile donatılan kanada sahip ilk A320’yi gökyüzü ile buluşturdu. 5 saat süren bu uçuş sharkletlerin ayrıntılı test programının da başlangıcıydı. 2012 yılında ise sharkletli ilk A320, ilk müşterisi Air New Zealand’a teslim edildi. 2,5 metre yüksekliğindeki sharklet yapıları, yeni üretilen uçaklarda müşterilere bir opsiyon olarak sunulmaya başladı. 2015’ten itibaren ise tüm A320 NEO uçaklarında standart hale getirildi. Üst kısmı çok daha belirgin ve sivri yapıya sahip olan sharklet kanatlı uçaklarda yüzde 3,5 civarında yakıt tasarrufu sağlandığı biliniyor. Airbus’ın sharkleti ile Boeing uçaklarında kullanılmaya başlanan karma winglet yapısının birbiriyle benzerliği nedeniyle davalık olduklarını da söylemeden geçmeyelim…
1897’DE İLK KEZ BAHSEDİLDİ!
Sürtünmeyi, karbondioksit başta olmak üzere diğer zararlı gaz emisyonlarını ve gürültüyü azaltmanın, yakıttan tasarruf etmenin ve uçuş performansını artırmanın kanıtlanmış en somut yöntemi olan winglet fikrini 1897’de ortaya ilk atan ise İngiliz mühendis Frederick W. Lanchester oldu. Wright kardeşlerin ilk uçuşundan tam 6 yıl önce kanat uçlarında oluşan girdapları birer plaka ile engellenebileceğini yaptığı çalışmalarda anlatan Lanchester’ın fikrini hayata geçirmek için insanlık tarihinin yüz yıl kadar daha beklemesi gerekti. Zamanının çok ilerisinde yaşayan bütün bilim insanlarına saygılarımla…
