Uçaklar nasıl bu kadar kolay ve çabuk havalanıyor?
Güncelleme Tarihi:
Oluşturulma Tarihi: Mayıs 06, 2006 00:00
Yoğun kentiçi trafik nedeniyle kalkmak üzere olan uçağınıza soluk soluğa yetişip koltuğunuza kendinizi bırakıyorsunuz. Uçak kapıdan ayrılıyor, motorlar hızlanıyor ve siz rahat bir soluk alıp pencereden dışarısını izliyorsunuz. Birden sizi troposfere çıkartan mekanizmanın nasıl çalıştığını merak ediyorsunuz.
Bunun yanıtı bugün tüm ticari uçaklar için "türbofan motorları"dır. Bu motorlar on yıl süren bir çalışmanın nihai ürünüdür. İlk önce türbojet’ler geliştirildi. Bu motorlar artık kullanılmıyor. Daha sonra sahneye türboprop’lar (türbo-pervaneli motorlar) çıktı. Bunlar bugün küçük uçaklarda hálá kullanılıyor.
Türbofan’ların üstünlüğü, motor yuvası içinde pervanenin yerini bir fan’ın (havayı dengeli olarak savuran araç) alması ve gelen havanın büyük oranda motorun merkezinden bypass etmesidir. Böylece içeri giren hava, fanın şeklinden dolayı sıkışarak itme sağlar.
Fizik yasaları
Bir jet motoru ünlü fizik yasalarından yararlanarak çalışır.
Newton’ın Üçüncü Hareket Yasası’na göre Ğher kuvvet için buna eşit, ters yönde bir tepki vardır- uçağın arkasından çıkan hava, uçağın hızından daha fazla olduğu için uçak ileri doğru itilir.
Fan’lar hava akımının enerjisini artırdığı için hız da artar.
En son yüksek-bypass, türbofan denilen motorlarda, içinden geçen her 1 kg hava için 6 - 8 kg hava, motorun çekirdeğinin çevresinden geçer. Bu bypass oranı ne kadar yüksek ise motor o kadar randımanlı ve sessizdir.
Bu oranı yükseltmek için bazı iyileştirmeler gerekebilir. "Motor randımanı, emisyon ve ses karışımını en ideal düzeye getirmek için bazı kritik noktalar vardır" diye konuşan Ohio’daki GE Havacılık’tan ileri teknoloji müdürü Dale Carlson, "Bugün bu kritik noktaların sayısının artırılması için çalışmalar yapılıyor" diyor.
Yakıt fiyatları sorunu
Bugün maliyet artışları karşısında zor günler yaşayan havayolu şirketleri, büyük bir hızla artan yakıt fiyatları karşısında çözüm üretmeye çabalıyor.
Pratt & Whitney Havacılık şirketinin ileri teknoloji departmanı sorumlusu Gary Roberge, "Motorun yakıt randımanını yüzde 5 oranında bile artırsak, çok büyük bir başarı elde etmiş oluruz" diye konuşuyor. Şu anda mühendisler, ağırlığı azaltmak için termoplastik motor yataklarını ve alüminyum motor parçalarını deniyor.
Ayrıca daha etkili bir yanmada ortaya çıkan yüksek sıcaklıklara dayanması için nikel alaşımlar ve seramik matriks kompozitler de test ediliyor.
Köklü değişiklikler yaratacak motor tasarımları üzerinde de çalışmalar yapılmakla birlikte, Roberge, türbofanların gelecek 10-20 yıl daha egemenliğini sürdüreceğine inanıyor.
Kaynak: Scientific American, Nisan 2006
TÜRBOFAN, dönen bir fan ile havayı içeri çeker. Hava iki akıma ayrılır. Fan, "bypass hava"sının basıncını çevre basıncının 2 katına çıkartır, hızlandırır ve arkadan bir itme yaratır. "Çekirdek hava" dönen kompresör kanatlarının arasından geçer.
Bu sırada basınç 30-40 katına ve sıcaklık yaklaşık 537 dereceye (santigrat) yükselir. Hava, yanma odasına girer ve burada yakıt ile karışarak ateşlemeyi sağlar. Aşırı olarak ısınan çıkış, türbinlere çarpar ve döndürür.
Hálá basınç altındaki egzos, giderek daralan bir çıkıştan dışarı çıkar. Bu arada daha da hızlandığı için ilave itiş sağlar. Yüksek-basınç türbini, yüksek-basınç kompresörlerini döndürür; düşük-basınç türbinleri düşük-basınç kompresörlerini ve ön fanı döndürür.
PERVANE VE JET MOTORLARI havayı geriye iterek itme sağlar. İkisinde de kanatların üzeri eğimli olduğu için, üstten geçen havanın daha uzun yol kat etmesi gerekir ve böylece kanadın düz olan altından geçen havadan daha hızlıdır. Bernoulli yasasına göre alttaki daha yavaş hava, üstteki daha hızlı havaya göre kanada daha fazla kuvvet uygular. Bu şekilde uçağı kaldırır.
TÜRBOPROP’ta fan yerine pervane vardır. Kompresörler gelen havanın basıncını yükseltir ve yanma odasında yakıtı ve havayı ateşler; karışımı türbinlere yollayınca pervane dönmeye başlar. Egzostan çıkan hava akışından çok, itme kuvvetinin büyük bir kısmını pervane üretir.
RAMJET’te birkaç tane hareketli parça vardır. Bunlar savaş uçaklarının ve roketlerin Mach 2 ve Mach 4 hızında yol almalarını sağlar. Ayrı bir jet motoru veya roket, uçağı ses hızının üzerinde hızlandırması gerekir. Bu motor veya roket hava girişinin içindeki süpersonik havayı zorlayarak ramjeti çalıştırır. Giriş daha sonra havayı yavaşlatır. Yanma odası subsonik (ses hızının altındaki) havayı ve yakıtı ateşler ve genişleyen gaz itme sağlar. Girişteki kanatlar hava akışını değiştirmek amacıyla hareket ederek istenilen itişi sağlar.
BUNLARI BİLİYOR MUSUNUZ?
Bypass havasının oranını, motor çekirdeğinden geçen havaya göre yükseltmek, motorun randımanını artırır ve akustik gürültüyü azaltır. Fakat daha fazla bypass hava, daha büyük fan ve geri türbin gerektirir. Pratt&Whitney şu anda dişli türbofan üzerinde çalışıyor. Dişli türbofan motorunda, fanın tam arkasına bir dişli kutusu yerleştirilmiştir. Bu dişliler yüksek bypass oranına izin verirken, fanların daha sessiz ve yavaş çalışmasına olanak tanır.
Bir süpersonik yanmalı ramjet veya scramjet, bir ramjet gibi çalışır, yalnızca gelen hava ses hızının altına düşmez. Ramjetin Mac 5’ten sonra randımanı düşer, ancak scramjetler ilke olarak daha hızlı yol alırlar. NASA’nın X-43 adı verilen prototip uçağı 2004 yılının kasım ayında Mach 10 hızına ulaştı. Ancak bütçe kısıtlamaları nedeniyle çalışma yavaşlamış bulunuyor. Rusya da prototip scramjetler uçuruyor.
Türbofanlar ve türboproplar, türboşaft denilen motor sınıfına dahildir. Değişik varyasyonları askeri helikopterleri, M1 tanklarını ve yüksek-güçlü tekne pervanelerini çalıştırır. Endüstriyel gaz türbinleri, türbofan jet motorlarına benzer, fakat bypass havaları yoktur. Yüksek basınçlı egzos gazı arka uca ilave edilmiş bir türbini döndürür. Bu da bir elektrik jeneratöründeki şaftı döndürür.
Türbofan’ların üstünlüğü, motor yuvası içinde pervanenin yerini bir fan’ın (havayı dengeli olarak savuran araç) alması ve gelen havanın büyük oranda motorun merkezinden bypass etmesidir. Böylece içeri giren hava, fanın şeklinden dolayı sıkışarak itme sağlar.
Fizik yasaları
Bir jet motoru ünlü fizik yasalarından yararlanarak çalışır.
Newton’ın Üçüncü Hareket Yasası’na göre Ğher kuvvet için buna eşit, ters yönde bir tepki vardır- uçağın arkasından çıkan hava, uçağın hızından daha fazla olduğu için uçak ileri doğru itilir.
Fan’lar hava akımının enerjisini artırdığı için hız da artar.
En son yüksek-bypass, türbofan denilen motorlarda, içinden geçen her 1 kg hava için 6 - 8 kg hava, motorun çekirdeğinin çevresinden geçer. Bu bypass oranı ne kadar yüksek ise motor o kadar randımanlı ve sessizdir.
Bu oranı yükseltmek için bazı iyileştirmeler gerekebilir. "Motor randımanı, emisyon ve ses karışımını en ideal düzeye getirmek için bazı kritik noktalar vardır" diye konuşan Ohio’daki GE Havacılık’tan ileri teknoloji müdürü Dale Carlson, "Bugün bu kritik noktaların sayısının artırılması için çalışmalar yapılıyor" diyor.
Yakıt fiyatları sorunu
Bugün maliyet artışları karşısında zor günler yaşayan havayolu şirketleri, büyük bir hızla artan yakıt fiyatları karşısında çözüm üretmeye çabalıyor.
Pratt & Whitney Havacılık şirketinin ileri teknoloji departmanı sorumlusu Gary Roberge, "Motorun yakıt randımanını yüzde 5 oranında bile artırsak, çok büyük bir başarı elde etmiş oluruz" diye konuşuyor. Şu anda mühendisler, ağırlığı azaltmak için termoplastik motor yataklarını ve alüminyum motor parçalarını deniyor.
Ayrıca daha etkili bir yanmada ortaya çıkan yüksek sıcaklıklara dayanması için nikel alaşımlar ve seramik matriks kompozitler de test ediliyor.
Köklü değişiklikler yaratacak motor tasarımları üzerinde de çalışmalar yapılmakla birlikte, Roberge, türbofanların gelecek 10-20 yıl daha egemenliğini sürdüreceğine inanıyor.
Kaynak: Scientific American, Nisan 2006
TÜRBOFAN, dönen bir fan ile havayı içeri çeker. Hava iki akıma ayrılır. Fan, "bypass hava"sının basıncını çevre basıncının 2 katına çıkartır, hızlandırır ve arkadan bir itme yaratır. "Çekirdek hava" dönen kompresör kanatlarının arasından geçer.
Bu sırada basınç 30-40 katına ve sıcaklık yaklaşık 537 dereceye (santigrat) yükselir. Hava, yanma odasına girer ve burada yakıt ile karışarak ateşlemeyi sağlar. Aşırı olarak ısınan çıkış, türbinlere çarpar ve döndürür.
Hálá basınç altındaki egzos, giderek daralan bir çıkıştan dışarı çıkar. Bu arada daha da hızlandığı için ilave itiş sağlar. Yüksek-basınç türbini, yüksek-basınç kompresörlerini döndürür; düşük-basınç türbinleri düşük-basınç kompresörlerini ve ön fanı döndürür.
PERVANE VE JET MOTORLARI havayı geriye iterek itme sağlar. İkisinde de kanatların üzeri eğimli olduğu için, üstten geçen havanın daha uzun yol kat etmesi gerekir ve böylece kanadın düz olan altından geçen havadan daha hızlıdır. Bernoulli yasasına göre alttaki daha yavaş hava, üstteki daha hızlı havaya göre kanada daha fazla kuvvet uygular. Bu şekilde uçağı kaldırır.
TÜRBOPROP’ta fan yerine pervane vardır. Kompresörler gelen havanın basıncını yükseltir ve yanma odasında yakıtı ve havayı ateşler; karışımı türbinlere yollayınca pervane dönmeye başlar. Egzostan çıkan hava akışından çok, itme kuvvetinin büyük bir kısmını pervane üretir.
RAMJET’te birkaç tane hareketli parça vardır. Bunlar savaş uçaklarının ve roketlerin Mach 2 ve Mach 4 hızında yol almalarını sağlar. Ayrı bir jet motoru veya roket, uçağı ses hızının üzerinde hızlandırması gerekir. Bu motor veya roket hava girişinin içindeki süpersonik havayı zorlayarak ramjeti çalıştırır. Giriş daha sonra havayı yavaşlatır. Yanma odası subsonik (ses hızının altındaki) havayı ve yakıtı ateşler ve genişleyen gaz itme sağlar. Girişteki kanatlar hava akışını değiştirmek amacıyla hareket ederek istenilen itişi sağlar.
BUNLARI BİLİYOR MUSUNUZ?
Bypass havasının oranını, motor çekirdeğinden geçen havaya göre yükseltmek, motorun randımanını artırır ve akustik gürültüyü azaltır. Fakat daha fazla bypass hava, daha büyük fan ve geri türbin gerektirir. Pratt&Whitney şu anda dişli türbofan üzerinde çalışıyor. Dişli türbofan motorunda, fanın tam arkasına bir dişli kutusu yerleştirilmiştir. Bu dişliler yüksek bypass oranına izin verirken, fanların daha sessiz ve yavaş çalışmasına olanak tanır.
Bir süpersonik yanmalı ramjet veya scramjet, bir ramjet gibi çalışır, yalnızca gelen hava ses hızının altına düşmez. Ramjetin Mac 5’ten sonra randımanı düşer, ancak scramjetler ilke olarak daha hızlı yol alırlar. NASA’nın X-43 adı verilen prototip uçağı 2004 yılının kasım ayında Mach 10 hızına ulaştı. Ancak bütçe kısıtlamaları nedeniyle çalışma yavaşlamış bulunuyor. Rusya da prototip scramjetler uçuruyor.
Türbofanlar ve türboproplar, türboşaft denilen motor sınıfına dahildir. Değişik varyasyonları askeri helikopterleri, M1 tanklarını ve yüksek-güçlü tekne pervanelerini çalıştırır. Endüstriyel gaz türbinleri, türbofan jet motorlarına benzer, fakat bypass havaları yoktur. Yüksek basınçlı egzos gazı arka uca ilave edilmiş bir türbini döndürür. Bu da bir elektrik jeneratöründeki şaftı döndürür.