Uçak Kanat Yapısının Tüm Bileşenleri ve Kullanılan Kompozitler

Kompozit malzemelerin kullanımının yaygınlaşmasıyla beraber, uçak kanat yapısında da sık sık kompozit kullanımı tercih ediliyor. Peki uçak kanat yapısı nedir ve hangi kompozitler tercih edilir? Bu soruların yanıtı yazının devamında.

Uçak Kanat Yapısının Özellikleri

Uçak için gerekli kaldırma kuvvetini sağlayarak ağırlığı dengeleme görevi uçaktadır. Kanatlar aerodinamik olacak şekilde tasarlanmıştır.

1. Kanat Profili

Büyük fines (taşıma/sürükleme) değerini elde edebilmek amacıyla geliştirilen ve belirlş kalınlığa sahip kanat kesitlerine profil adı verilir. Kanatta enlemesine şekilde konumlandırılırlar. Kanada şekil vermeyi ve kaplamaya gelen hava yüklerini sparlara iletmeyi amaçlarlar. Kanat profili, hücum kenarından firar kenarına kadar uzanabilir. Bunun dışında flap ya da kanatçık gibi ekipmanların konumlandırılmasına göre arka sparlara kadar uzayabilirler.

Profiller için geometrisini belirtmek amacıyla bazı terimler kullanılır:

Hücum Kenarı: Profilin dairesel kanadı, hava akışını karşılar.

Firar Kenarı: Profilin sivri kenarı, hava akımının profili terk ettiği nokta.

Veter: Hücum ve firar kenarlarını birleştiren doğru.

Sırt: Profilin üst kenarı.

Karın: Profilin alt kenarı.

Eğrilik Hattı: Vetere dik olarak çizilen doğrular, sırt ve karın arasında kalan kısmın geometrik yeri.

Maksimum Kalınlık: Sırt ve kenar noktaları arasında ve vetere dik olarak ölçülen maksimum mesafe.

Eğrilik: Eğrilik hattının verete olan mesafesi.

Hücum Kenarı Yarıçapı: Sırt ve karın bölgesine hücum kenarı yakınlarında teğet olan çemberin yarıçapı.

2. Tek ve Çok Sparlı Kanatlar

Spar boylamasına pozisyonlanır ve kanadın birincil elemanıdır. Aslında spar bir çeşit kiriştir ve asıl yük taşıyıcı görevi görürler. Genellikle veter hattına dik veya belirli bir açıda konumlanırlar. Spar sayısı, uçaktan uçağa farklılık gösterebilirler. Kanadın kaldırma kuvveti ve ve diğer yükler, kanadaspar yoluyla iletilir. Ayrıca gövde-kanat bağlantıları sparlarla oluşur. Genellikle profil, spara dik ve veter hattına paraleldir. Hava akımı, kanat hücum kenarına ve kanat alt yüzeyine basınç yapar. Böylelikle kanat üst yüzeyinde düşük basınçtan dolayı kaldırma kuvveti oluşur. Bu kaldırma kuvveti profil tarafından sparlara iletilir. Ayrıca profiller, hem kanat alt ve üst kaplamalarına şekil verir hem de destek olurlar. Kompozitin gelişmesi ve yaygınlaşmasıyla tamamı kompozitten oluşan kanatlar yapılmaya başlandı.

3. Kutu Kirişli Kanatlar

Orta ve büyük uçaklarda genellikle "BOXBEAM” tipi uçak kanat yapısı kullanılır. Bu tip kanatlarda iki spar bulunur. Bu iki sparın arasında tek veya birden fazla parçaya sahip, büyük yükler taşıyabilen kanat kaplamaları bulunur. Bu kaplamalar, hem spara paralel hem de spara dik yönde içerden çıkıntılı bir yapıda olabilir.

Kanat Gövdesinin Bağlantıları

Uçak kanat yapısında kanat gövde bağlantıları birden fazla şekilde olabilir. Bu bağlantılar, yapılış şekline ve kanadın şekline göre sınıflandırılabilir. Kanat gövde bağlantıları iki temel gruba ayrılır:

1. Ankastre

Bu tarz kanatlar gövdeye üstten, ortadan veya alttan bağlanabilirler. Dışardan bir destek parçası yoktur ve yarı monokok bir yapıdadırlar. Yükler kanattaki yapısal parçalar ve dış kaplamalar aracılığıyla taşınır. Genellikle günümüz yüksek performanslı ve yolcu uçaklarında, uçak kanat yapısında ankastre bağlantısı tercih edilir.

2. Yarı-Ankastre

Yarı-ankastre bağlantılarında kanat, kendi iç yapısal elemanları ve kanadın altından gövdeye bağlı olan destek çubuğu tarafından desteklenir. Genellikle küçük ve hafif uçaklarda ve düşük hızda uçuş yapan üstten kanatlı uçaklarda ağır yük taşımak için tasarlanan yavaş uçaklarda tercih edilir.

Uçak Kanat Yapısının Dış Görünüşü

Kanat gövdenin her iki tarafında bulunur ve tamamen simetrik yapıdadır. Genellikle ufak hücum açılarıyla gövdeye takılırlar ki buna kanat tespit açısı denir. Bununla amaçlanan, uçak yatay uçuşta olsa dahi belirli bir hücum açısı ile ekstra taşıma sağlamaktır.

Hızı düşük olan ve küçük uçaklar hariç, uçaklara önden veya arkadan bakıldığında kanadın kökten uca doğru inceldiği gözlemlenir. Bu incelme lineerdir. Aynı şekilde önden arkaya bakıldığında kanat yatay konumda değildir hatta aksine yukarıya kimi zaman da aşağı doğru görünür. Yük altında eğilmiş, sarkan bir kiriş görüntüsü çizer. Ama genellikle bu sarkma yukarıya doğrudur. Gözlemlenen açı, 0-10 derece arasındadır ve buna dihedral açısı denir.

Uçak Kanat Yapısı Çeşitleri

Uçak kanat yapısı çeşitlerini hafif kanatlar ve sivil nakliye uçaklarının kanatları olarak iyi ayrı başlıkta değerlendirmek mümkündür.

1. Hafif Kanatlar

Hafif uçak kanatları spar, profil ve yüzey kaplamasından oluşur. Kullanılan spar genellikle eski uçaklarda ahşaptan, yeni uçaklarda ise metalden yapılır. Üreticinin seçimine ve kullanılan profile göre kullanılacak spar sayısı değişkenlik gösterebilir. Eğer tek spar kullanılacaksa, bu spar profilde bulunan veter hattının ortalarında yer alır. Eğer birden fazla spar kullanılacaksa biri kanadın hücum kenarında, diğeri ise kanadın yaklaşık olarak arkasında yer alır. Yankı tankları ise genellikle kanadın içindedir. Yankı tankları sökülebilir metal, hücresel tank şeklinde veya entegral şeklinde de olabilir.

2. Sivil Nakliye Uçaklarının Kanatları

Uçak kanat yapısında tercih edilen bir diğer kanat yapış çeşidi olan yolcu uçağı elemanları; spar, profil, bulkhead, kaplama plakaları ve sağlamlaştırıcı elemanlardır. Kanat yapısı, geleneksel bir kullanım olan metal alaşımlar ve bağlayıcılardan oluşabildiği gibi kompozit yapılar ve yapıştırılmış metalden de oluşabilir.

Kanat hem kendi ağırlığını, yakıt ağırlığını, kanada bağlı olan motor ağırlığını ve uçuş sırasında gelen ağırlığı taşımaktan sorumludur. Bundan dolayı kanadın yapısal mukavemeti, tüm bu yükleri taşıyabilecek sağlamlıkta olmalıdır.

Yolcu uçağı kanatlarında da bir veya birden fazla spar kullanılabilir. Ara sparlar arasında orta sparlar kullanılır ve bu orta sparlar, operasyonel yüklerin taşınmasında ana sparlara yardımcı olurlar.

Kanat uçları ise, kanat hücum ve firar kenarlarından oluşur. Hücum kenarı, kanadın havayla ilk karşılaştığı noktadır. Firar kenarı ise havanın kenarı terk ettiği noktadır. Kanat uçları kontol ve bakım yapılabilmesi için sökülebilir yapıdadırlar.

Kanat iç yapısı geniş metal kaplama ile kaplanır. Kaplama stringerlere sahiptir ve böylece amaçlanan mukavemet sağlanır. Yolcu uçaklarında uçak kanat yapısı, genellikle üç veya daha fazla asambleden oluşur. Bu asamble, sol ve sağ kanat panellerinde ve merkez kanat kısımlarındadırlar. Gövde, birçok bağlayıcı ile birleştirilir ve yapısal tamir haricinde sökülemez.

Uçak Yapımında Kullanılan Kompozitler

Günümüzde kompozit malzemeler üzerindeki çalışmalar fiber takviyeli, tane takviyeli ve tanecik takviyeli kompozit malzemeler olarak üç kategoride devam etmektedir. Kompozit malzemenin ne olduğu önemli olmaksızın, düşük elastiklik modülüne sahip matristen ve matristen 10-1000 kat fazla mukavemet gösterebilen takviye elemanından oluşur.

Takviye tanecikli kompozit malzemelerde yük matris tarafından taşınır ve tanecikler bu tanecikler sayesinde dislokasyon hareketi önlenmiş olur. Ayrıca bu tanecikler, 0,01 µm boyutunda olur. Hacim oranı ise %1-15 arasında değişir.

Tane takviyeli kompozit malzemelerde tane boyutu 1 µm’yi aşar ve hacim oranı genellikle %25’in üzerindedir. Bundan dolayı yük matris ve tanelerin iş birliğiyle taşınır. Matrisin şekil değiştirme değerinin belirli bir büyüklüğü aştığı durumlarda ise mekanik sınırlandırma etkisi görevi görürler.

Uçak kanat yapısının tasarlanmasında kompozit kullanımı tercih edilecekse dikkat edilmesi gereken iki husus vardır: Birincisi matristeki fiberin yönelme doğrultusu, ikincisi ise malzeme dizayn ederken aerodinamik koşullarına mutabık kalınmasıdır. Bu iki husus dikkate alındığında uçak ve uçak kanat tasarımında kompozit malzeme kullanılması ciddi avantaj sağlar.