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.