Tuesday, March 3, 2015

Sürat Meseleleri 2: Ses Hızı

Klasikleşmiş "ses hızını geçen F-18" resmi.
Ses hızı, havacılıkta ezber bozan bir şey bana göre. Şöyle ki; "ses", bilindiği gibi hava moleküllerinin bir anlamda "kulaktan kulağa" oynamasıyla yayılan bir dalgalar dizisinden ibaret. İçinde yayıldığı maddeye; özellikle bu maddenin sıcaklığına, yoğunluğuna ve nem oranına göre sesin hızı da değişiyor. Yani, hava içinde ilerlemesini konuşursak, şu meşhur 343 m/s (1200 km/sa civarı) rakamı ancak deniz seviyesinde ve 20 santigrad derecede bir şey ifade ediyor ses için. Yukarı çıkıldıkça hava sıcaklığı ciddî şekilde düştüğünden, hava moleküllerinin titreşme becerisi de azalıyor ve baştakinin söylediği kelimeyi biribirlerine kem küm ederek söyleyebilir hâle geliyorlar. Bu da ses hızının yükseklerde ciddî şekilde düşmesi anlamına geliyor...

Saçmalamayı bir kenara bırakırsak (daha doğrusu bırakırsam), ses konusunın başlı başına bir mühendislik dalı olacak kadar derin bir konu olduğunu unutmadan, bizi ilgilendiren kısmına değinmek isterim. Modern yolcu uçakları için belli bir yükseklikten sonra ses hızının sınırlayıcı bir faktör oluşu, bize ses hızının ölçü birimi olan Mach sayısının neden sürat göstergemizde yer aldığını açıklayacaktır zîra.

Günümüzdeki Boeing'ler, Airbus'lar, MD'ler, Learjet'ler ve diğer yolcu uçağı üreticileri "supersonik" yani sesten hızlı seyahat eden yolcu uçağı üretmemekteler. Bu tür uçakları üreten bu büyük şirketler genellikle maksimum hızları ses hızının 0.70'i ile 0.85'i arasında bulunan yolcu uçakları tasarlamaktalar. Bunun nedeni, tahmin edileceği gibi, bu süratlerde uçmanın sesten hızlı uçmaktan daha ekonomik olması; fakat bu madalyonun bir de uçuş emniyeti yüzü yok değil.

Neden?

Kanadın çevresinde düzgün şekilde 
akan hava, ses hızına yaklaştıkça
süpersonik akışlarla birlikte bozulmaya
başlıyor (separation/ayrılma).
Hava "tanecikleri" (molekülleri), biribirlerine çarparak dalgalar halinde sesi iletirler. Bu bakımdan hava esnek, sıkıştırılabilir bir madde kabul ediliyor. Doğal olarak her esnek maddenin bir esneklik (sıkıştırılma/ compressibility) sınırı var. Tıpkı sesi iletirken sıkışıp açılarak dalga oluşturdukları gibi, içlerinden bir cisim (bu durumda uçağımız) kendilerini yarıp geçerken hava molekülleri yine sıkışıp açılırlar. Cismin ses hızına yaklaşması demek, aslında etrafındaki havayı maksimuma yakın miktarda sıkıştırması demek oluyor. Belli bir süratten sonra, hava molekülleri artık eskisi gibi esneme şansı bulamayarak üstüste yığılmaya başlıyorlar. Ses hızına yaklaşan uçağın çevresinde oluşan bu yığılmalar, "şok dalgaları" adı verilen haller almaya başlıyorlar ki bunlar hem uçağın çevresinde ısınmaya, hem de büyük miktarda sürtünme artışına yol açıyor. Ayrıca, daha da tehlikelisi, yapısı değişen hava moleküllerinin kaldırma özellikleri de azaldığından, uçak kısmî olarak kaldırma kuvvetinden mahrum kalıp uçuş dengesini kaybetmeye başlayabiliyor; havada aniden anormal pozisyonlar alarak kontrol kaybı, hattâ yapısal hasar yaşaması riskiyle karşı karşıya kalabiliyor. Bu durumlarda uçakta hissedilen sarsıntılara "mach buffet", yani Mach sarsıntısı deniyor; Mach sarsıntısının başlamak üzere olduğu sürate de "Critical Mach Number", yani "Kritik Mach Hızı" deniyor.
A320'nin PFD ekranı nasıl berbat edilir?!?!

Deniz seviyesine yakın irtifalarda, standart atmosfer şartlarında saatte 1000 km.'nin üzerinde olan ses hızı, bu irtifalarda zaten yavaş uçan yolcu uçakları için sorun yaratmazken, özellikle 30000'li feet'lerin (10000 metre'lerin) üzerine çıkıldığında ciddî şekilde düştüğünden, bu irtifalarda uçulan hızlar da yüksek olduğundan uçakların ses hızına tehlikeli şekilde yaklaşmaları riski artıyor. Bu yüzden, belli irtifalara kadar sabit TAS (geçen hafta açıklamaya çalıştığımız "gerçek hava hızı") ile tırmanan bir uçak, bu irtifalara gelindikten sonra, düşmekte olan ses hızıyla kendi uçuş hızı arasındaki farkı korumak için süratini belli bir "Mach hızına" (ses hızını 1.0 kabul ederek yüzdelik olarak ifade edilen hız birimi. Örneğin 0.85 Mach, ses hızının yüzde 85'i anlamına geliyor) göre ayarlamak zorunda. Airbus 320'nin uçuş sistemi FMGC, uçak tırmanıştayken "geçişme irtifası" diye çevirmeye çalıştığım "crossover altitude"'adlı belli bir irtifaya ulaştığında (ki bu irtifa 300 knot'lık tırmanış hızının 0.78 Mach'a eşitlendiği irtifa oluyor) uçuş süratini otomatik olarak 0.78 Mach'a ayarlıyor; sürat göstergesine de knot birimine ek olarak Mach hızını ekliyor.

Tabii alçalışta da mantık tam tersi: sabit Mach hızıyla alçalmaya başlayan uçak, "geçişme irtifası"'nı geçtikten sonra ses hızının yüzdesini kovalamayı bırakıp sabit bir "gerçek hava hızı" ile alçalışına devam etmek zorunda. Aksi takdirde, yani sabit Mach hızını korumaya devam ederse, aşağılarda daha yüksek olan ses hızına yetişebilmek için kendi hızını aşırı artıracak ve yine yapısal hasar tehlikesiyle karşılaşacak. Zîra bir uçuşumda alçalış sırasında, otomatik olarak Mach modunu terkedip Speed (sürat) moduna geçmeyen uçağımız sağ olsun, bir ara 6500 fpm'le alçalmakta olduğumuzu amber renge dönüşmüş göstergemizden okumuştum (normalde rengi yeşildir). Ne yaptık, mach/speed düğmesine bastık ve uçağın alçalışını yavaşlattığından emin olduk. İşe yaramasaydı, kontrollü olarak düz uçuşa geçerek yavaşlamayı temin ederdik.

SR-71 Blackbird: Neden en güzel uçaklar
öldürmek amaçlı yapılanlardan çıkar acaba?...
Bu da, sürat meselelerini pilotlar açısından açıklayan bir diğer parametremiz. Süpersonik uçaklar, yani ses hızına ulaşmadan önceki o sancılı sürat bandını aşabilen uçaklar, birden bire son derece azalmış bir sürtünme kuvvetine karşı uçmaya başlarlar. Ne var ki, bu süratlerde havanın kaldırma kuvveti de önemli ölçüde azaldığından uçağın irtifa kaybetmesini önleyebilmek için daha fazla itiş gücü gerekiyor. Bu da, azalan sürtünme sayesinde tasarruf edilen yakıtın, bu süratte gereken fazladan itiş gücü yüzünden yeniden yükselmesine neden oluyor.

Tabutta Röveşata

Yüksek irtifalarda süratle ilgili bir dert daha var: stall sürati. Yine düşük irtifalarda oldukça aşağılarda olan, uçağın uçabileceği minimum sürat anlamına da gelen stall hızı; altına düşüldüğünde uçağın kanatlarından akan havanın bozularak havada kalabilecek kadar kaldırma kuvveti üretememesi yüzünden stall'a girdiği, yani düştüğü sürat olarak tanımlanır. Yüksek irtifalarda hava moleküllerinin yoğunluğu da azaldığı, yani hava seyrekleştiği için; uçak deniz seviyesindeki kadar düşük süratlerde havada tutunabilmeyi ancak rüyasında görebilmektedir. Diğer bir deyişle, uçabileceği minimum sürat, yani stall sürati ciddî oranda yükselmiş, neredeyse uçağın normal uçuş süratine yaklaşmıştır. Aşağıdan kendisini sıkıştıran stall hızından kurtulmak isteyen uçağımız, motorlarına yüklenerek süratini artırmak ister; ama yukarıda da enikonu düşmüş olan ses hızı, kritik Mach hızıyla kendisini sıkıştırmaktadır. Ne yavaşlayabilen, ne de hızlanabilen uçağımız, iki limit sürat arasında sıkışıp kalmıştır ve an itibarıyla bir türbülansa yakalanmamak için dua etmektedir. Bu duruma "coffin corner", yani (ilkel çevirimden dolayı af buyrun) "tabutta sıkışıp kalmak" deniyor. Artık uçağımızın alçalmaktan başka çaresi yoktur. "Coffin Corner" her uçak için mümkün; ama aerodinamik yapısına göre her uçak buna farklı irtifalarda maruz kalıyor. Jilet kanatlı bir F-104'ün, bir yolcu jetiyle aynı irtifada stall'a girmesini doğal olarak bekleyemeyiz.
Solda başka bir uçağın hız göstergesi.

Üstten ve alttan limit hızların biribirine nasıl
yaklaştığına dikkat...

V for Vendetta!

Teorik olarak ve uçuş sırasında bilgisayar yardımıyla anında hesaplanabilseler de, yukarıda özetlemeye çalıştığım sürat limitleri hesaplama hataları, hava şartlarında olabilecek anî değişiklikler gibi nedenler yüzünden yerlerinden "kımıldayabiliyorlar". Bu yüzden en mantıklısının limitlere çok yaklaşmamak olduğunu düşünen uçak üreticileri, bu tür değişebilir süratlere karşı kendi uçak limitlerini koymuş durumdalar. Tıpkı hava şartlarından kaynaklanan limitler gibi çeşitli faktörlerle değişebilen bu üretici tavsiyesi süratler için sabit rakamlar vermek yerine V süratleri (V-speeds) adı verilen bir dizi sembolik isim kullanılıyor. Her bir uçak için onlarca farklı V sürati var ve bunların bazıları hem uçuş bilgisayarı hem de pilotlar tarafından uçuş öncesinde ve sırasında hesaplanıyor.

Bunlar da önümüzdeki Salı'nın konusu olsun...

***

Ek: Teşekkür

Geçen haftaki keyifli sohbet için Ezgi ve Çağdaş'a bol bol teşekkürler. Kahve için de ayrıca teşekkür ederim.


13 comments:

  1. Güzel yazılarınız için teşekkür eder, iyi uçuşlar dilerim.

    ReplyDelete
  2. hocam aynı konuları oxfordun faa nın sıkıcı kaynaklarından okuyup sonra sizinkilerden okumak cidden harika cok tesekurler. birde izninizle verceginiz cevabın yazınıza bir ek mahiyetinde olacagını dusunerek bir soru sormak istiyorum; bu mach süratinin ground speedle ya da ses hızının ground speedle baglantısınedir ?

    ReplyDelete
    Replies
    1. İlginize teşekkür ederim. Mach hızı kabaca TAS (Gerçek Hava Hızı)/ Ses hızı ile hesaplanıyor, bildiğim kadarıyla; diğer bir deyişle, yanlış ifade edersem lütfen düzeltiniz, Mach TAS'ın ve ilgili şartlardaki ses hızının bir fonksiyonu. Ground speed yani yer hızı ise TAS ile kafa/kuyruk rüzgârının bir fonksiyonu. Eğer elimizde bir rüzgâr değeri varsa tabii Mach formülündeki TAS'ın yerine Groundspeed -/+ rüzgar bileşeni'ni koyabilirmişiz gibi duruyor; ama havacılıkta bu tür hesaplamaları manuel yapacaksak tablolar veya şablonlar (E6B vs.) ile yapıyoruz. Şahsen ben Mach üzerinden doğrudan Groundspeed hesaplatan bir tablo görmedim. Ayrıca, kullanım amacı olarak da Mach ve Groundspeed biribirinden farklı parametreler. Örneğin düz uçan bir uçağın yer hızı, alçalmakta ya da yükselmekte olan bir başka uçağa göre nispeten daha az olacaktır. Oysa ki tırmanışta hava hızlarınızın tamamı (IAS, CAS, TAS) azalma eğilimi göstereceğinden Mach da (değişen irtifa faktörünü hesaba katmazsak) azalacak; alçalış sırasında bu sefer artan hava hızlarına bağlı olarak artacaktır.

      Velhasıl, Mach'tan Groundspeed hesaplamak için bence en doğru yol önce TAS'ı, oradan rüzgar faktörünü ekleyerek ya da çıkararak Groundspeed'i hesaplamak olacaktır.

      Malumunuz, benim ifadelerim pek mühendisçe değil. Eğer hatalı ya da eksik anlattıysam düzeltmenizden memnun olurum.

      Selamlar.

      Delete
  3. Bizde çok teşekkür ederiz hocam. Verdiğiniz bilgiler ve hoş sohbetiniz Kahvelere anlam kattı tekrarını yaşamak dileği ile :)

    ReplyDelete
  4. Bizde çok teşekkür ederiz hocam. Verdiğiniz bilgiler ve hoş sohbetiniz Kahvelere anlam kattı tekrarını yaşamak dileği ile :)

    ReplyDelete
  5. Çok zevkli bi yazı olmuş, tabutta röveşata tabiri de cuk diye oturmuş:)

    ReplyDelete
  6. hocam cümleten geçmiş olsun, üzüldük.

    ReplyDelete
    Replies
    1. Eksik olmayın; hepimize geçmiş olsun. Ölen olmaması ve sadece bir yaralı olması tesellimiz.

      Delete
  7. Seçkin KurtulmuşMarch 7, 2015 at 12:44 AM

    sayın hocam bize palyeyi ogretin lutfen ogrenirsek ogrenirsek sizden ogreniriz :)

    ReplyDelete
  8. Hocam demezseniz bildiğimi paylaşırım, söz 8)

    Şaka bir yana; en iyisini uçuş hocalarımız bilir tabii ki, normalde haddime düşmez. Yine de kendi basit tecrübemi yazacağım. Bu akşama yetiştirmeye çalışırım sevgili dostum.

    ReplyDelete
  9. Seçkin KurtulmuşMarch 7, 2015 at 4:37 PM

    bir konuda benim bildigimden daha cok sey bilen kisi bildigi alanda benim hocamdir sayin hocam :) tesekur ederim ilginiz,alakaniz, ve en onemlisi olunmasi gerektigi gibi oldugunuz icin.

    ReplyDelete
  10. "Bir önceki postumda hafta içi Çarşamba-Cuma 6-9 Cumartesi Pazar 9-17 arası PPL için Teorik eğitim aldığımı söylemiştim. Bu şekilde PPL teori safhası yaklaşık olarak 1 ay sürmekte. Ardından kendinizi tamamiyle alana sokup ordan çıkmazsanız ( uçuşa gelemiyen işi çıkan adaylar oluyor ) 2 ayda tüm uçuşlarınızı yapar ve PPL inizi almış olursunuz. Modüler sistemde tüm öğrencilerin aynı zamanlarda ATPL eğitim sürecine başlaması gerekiyor. Siz bitirsenizde diğer öğrenciler bitirene kadar beklemek durumundasınız yani. Bu bekleme aşamasında PIC(Pilot in Command-Sorumlu Pilot) uçuşlarınızı uçmaya başlarsanız eğer IR(Instrument Rating) ve CPL (Commercial Pilot License) için gerekli minimumlara ulaşabilirseniz ki onlarda şu şekildedir;

    IR; 50 saat seyr-ü sefer tecrübesi gerektirir başlarken. THK da PPL safhasında en az 5 saatimiz Seyr-ü Sefer uçuşudur. IR için diğer bir unsur ise NR(Night Rating-Gece Uçuş Yetkisi)'e sahip olmanız gerekir. Yani uzaktan ATPL eğitimi başlamadan kalan 45 saati PIC olarak uçarsanız yada CPL aşaması içinde hazır olsun istiyorsanız 50 saat uçarsanız ATPL uzaktan döneminin ilk safhasının bir bölümünde NR nizide alırsanız IR aşamasına geçebilirsiniz. IR'ı tamamladığınızda ise toplamda 46:30(PPL-Checkride Dahil)+5(NR)+50(PIC)+51(IR)=152:30 saat uçmuş oluyorsunuz.

    CPL: CPL için gereksinim ise 150 saat uçmuş olmanız gerektiğidir. Ondan yukarıda 45 değil 50 saat PIC uçun dedim. CPL lisansınızı alıp ME(Multi Engine Rating) de uçarsanız uzaktan eğitim 2. yada 3. modülde toplamda 179:30 saat uçuşunuz olmuş oluyor.

    Peki ATPL Frozen alabilmek için kaç saat gerekli?
    Araştırmalarım kesin olmasada 207 saat olduğunu söylüyor yani 207-179:30= 27:30 saat daha PIC uçarsanız bitirmeye yakın lisansınızı 3 ay PPL+8-9 ay ATPL süresince yani 12 ayda bitirmiş olursunuz. ''
    kaptanim bir blogtan alinti yaptim.arkadasimiz cok guzel planlamis 12 ay gibi bir surede atpl i cebibe koymus hesaplamayla.ama bunun oluru ne derecedir sizin dusunceniz nedir bu konuda merak ettim bu yollardan gecmis birisi olarak :)

    ReplyDelete
    Replies
    1. kaynagini vermeyi unutmusum; http://salvorates.blogspot.com.tr/2014/11/atpl-haritam-asag-yukar-belli-oldu.html?m=1

      Delete