UÇAK ELEMANLARI-TEMEL KAVRAMLAR

Dünyada birçok uçuş denemesi olsa da, motorlu uçak ile ilk uçuşu Wright kardeşler gerçekleştirmiştir. Wright kardeşler, motorlu bir uçak üretmeden önce 1900’den 1902 yılına kadar bir seri uçurtma ve planör denemeleri yaptılar. 1900 yılında uçurdukları ilk planör, ancak umduklarının yarısı kadar taşıma sağlamıştı. Takip eden yıl ürettikleri ikinci planör ise çok daha kötü sonuç vermişti. Wright kardeşler tasarladıkları 200 kanat üzerinde yaptıkları taşıma ve sürükleme hesapları ile, kendi geliştirdikleri rüzgâr tünellerini inşa ettiler.
Buldukları yeni hesaplamaları kullanarak, 1902 yılında uçuracakları üçüncü planörü inşa ettiler. Bu model öncekilerden çok daha başarılı oldu. Sonunda bu sıkı ve titiz çalışmaları, modellerini denemek için bir rüzgâr tüneli inşa etmeleri ve gerçek boyuttaki modellerinin test uçuşlarını yapmaları, sadece doğru çalışan bir hava taşıtı imal etmelerini sağlamamış, aynı zamanda tüm bu çalışmaları, uçak mühendisliğinin de gelişmesine öncülük etmiştir.

Wright kardeşler, ilk kontrol edilebilir ve motorlu uçuşu, 17 Aralık 1903’te Kuzey Karolina Kill Devil Hills’te yapmıştır. Orville Wright tarafından yapılan 12 saniye süren ve 37 metrelik olan ilk uçuş sonradan çok ünlenecek bir fotoğrafla kayıt altına alınmıştır.

Sabit kanatlı uçaklarda teçhizat hariç, yapının altı ana bölümden oluştuğu kabul edilir. Bu bölümler şu şekildedir;
• Kanat
• Gövde
• Kuyruk takımı
• Uçuş kontrol yüzeyleri
• İniş takımları
• Güç grubu (motorlar)

Uçakların boyutlarının ve hızlarının artması, uçak yapısal elemanlarına gelen gerilmelerin de artmasına neden olmuştur. Bundan dolayı uçak üzerinde kullanılacak yapısal elemanlar seçilirken, bu elemanların hangi gerilmelere maruz kaldıkları bilinmelidir. Yapısal elemanlara etki eden başlıca gerilmeler aşağıdaki gibidir:

• Çekme Gerilmesi
• Basma Gerilmesi
• Kayma Gerilmesi
• Eğilme Gerilmesi
• Burulma Gerilmesi
• Burkulma Gerilmesi

Çekme Gerilmesi: Bir yapısal elemanı çeken ve birim alana etki eden kuvvettir. Sayfa: 33, Şekil 2.3’te görüldüğü gibi, bir yapısal elemana zıt yönde uygulanan kuvvetler bu gerilmeye sebep olur. Bu gerilmeye uçaklarda verilebilecek en güzel örnek kanatlardır. Uçak yerdeyken kanat üstünde, havadayken kanat altında oluşur. Uçak yerdeyken bu gerilmenin kanat üstünde olmasının sebepleri şunlardır:
• Kanadın ağırlığı
• Kanat üzerindeki motorlar
• Kanat içerisinde depolanan yakıtın oluşturduğu ağırlık
Bu gerilme, uçak havadayken aerodinamik yüklerin etkisiyle kanat altında oluşur.

Basma Gerilmesi: Bir yapısal elemanı kısaltmaya çalışan ve birim alana etki eden kuvvettir. Sayfa: 33, Şekil 2.4’te görüldüğü gibi, bir yapısal elemana birbirine doğru uygulanan kuvvetler bu gerilmeye sebep olur. Bu gerilmeye uçaklarda verilebilecek en güzel örnek yine kanatlardır. Uçak yerdeyken kanat altında, havadayken kanat üstünde oluşur. Bu gerilmenin oluşumunda ise, çekme gerilmesinde anlatılanların tam tersi bir durum söz konusudur.

Kayma Gerilmesi: Bitişik parçaların birbiri üzerinde kaymasına neden olan ve birim alana etki eden kuvvettir. Bu kuvvete kesme kuvveti adı verilir. Bu durum özellikle vida, civata ve perçinler için önem taşır. Sayfa:34, Şekil 2.5’te görüldüğü gibi, perçinle birleştirilmiş bir yapıya zıt yönde uygulanan kuvvetler bu gerilmeye sebep olur.

Perçin: Uçaklarda kullanılan en yaygın birleştirme yöntemidir. Uygulanmasının kolay olması, hafif olması ve korozyon direncinin yüksek olması perçinlerin en büyük avantajlarıdır.

Eğilme Gerilmesi: Çekme ve basma gerilmelerinin yapısal elemana bir veya daha fazla noktadan etkisiyle oluşur. Sayfa: 34, Şekil 2.6’da, bir kanat üzerinde yerde ve havada oluşan gerilmeler gösterilmektedir. Maksimum eğilme gerilmesi kanat kök kesitinde gerçekleşir.

Burulma Gerilmesi: Yapısal elemanın burulmasına neden olan kuvvettir. Örneğin, bir mil üzerine birbirinden belli uzaklıkta etki eden iki eşit ve zıt kuvvet, burulmaya neden olur. Sayfa:34, Şekil 2.7’de bu gerilmenin oluşumu görülmektedir. Uçaklarda genellikle dönen millerde ve kanat yapılarında karşımıza çıkar.

Burkulma Gerilmesi: Basınç kuvvetine maruz kalan elemanlar, basınç yükü tarafından oluşturulan yanal eğilme sonucunda göçmeye meyillidirler. Bu olaya burkulma adı verilir. Bu gerilmeye en güzel örnek iniş takımlarıdır (Sayfa:35, bk. Resim 2.1). Özellikle sert inişlerde bu gerilmeye maruz kalan iniş takımı dikmesi yanal eğilmeye bağlı olarak kırılabilir. Bahsedilen bu gerilmelerden çekme, basma ve kayma gerilmesi temel; eğilme, burulma ve burkulma gerilmeleri ise bileşik gerilmelerdir. Temel gerilmelerde yapının maruz kaldığı tek gerilme vardır. Bileşik gerilmelerde ise yapıya birden fazla gerilme aynı anda etki etmektedir. Bunların dışında bir de radyal gerilmeler vardır.

Radyal Gerilmeler: Uçaklarda buna en güzel örnek kabin iç basıncıdır. Yüksek irtifalarda uçan modern yolcu uçaklarında, uçak kabini basınçlandırılır. Bunun sebebi irtifa arttıkça hava basıncının düşmesi, dolayısıyla oksijen miktarının azalmasıdır. Bu yüzden yüksek irtifalarda yolcuların yaşayabileceği bir ortam yaratmak gerekir. Bunun yolu da uçak kabininin basınçlandırılmasıdır. Basınçlandırma sonucunda iç basınç ve dış basınç arasındaki fark ise kabinin zorlanmasına (şişmesine) sebep olur. Basınca göre kabin, şişer ya da büzülür. Bu tür gerilmelere radyal gerilmeler denir.

Uçak yapısına gelen yükler,
Bu yükler ikiye ayrılır. Bunlar aşağıdaki gibidir:
1. Yer Yükleri
2. Hava Yükleri

Yer Yükleri
Bu yükler iniş, kalkış ve taksi gibi yerdeki manevralar sırasında etki eden yüklerdir. Yer yükleri, aerodinamik kuvvetler (taşıma ve sürükleme kuvveti), ağırlık, tepkili ya da pervaneli uçaklarda çekme kuvveti, yer tepkisi, yer sürtünme kuvveti ve atalet kuvvetleridir.

Hava Yükleri
Hava yükleri ise, havadaki ivmeli, ivmesiz tüm uçuş ve manevralarda ve rüzgarlı hallerde uçak yapısal elemanlarının maruz kaldığı yüklerdir. Hava yükleri,  aerodinamik kuvvetler (taşıma ve sürükleme kuvveti), ağırlık, tepkili ya da pervaneli uçaklarda çekme kuvveti ve atalet kuvvetleridir.

Atalet kuvvetleri: Atalet kuvvetleri hızlanma, yavaşlama, viraj, manevra veya sağnaklardan dolayı oluşan ivmelerin sonucu ortaya çıkarlar. Bu kuvvet harekete karşı koyma kuvvetidir. 

Manevra: Bir uçağa pilotun iradesiyle yaptırılan ivmeli hareketlerin (iniş, kalkış, viraj vb.) tümüdür.

Sağnaklar: Uçağın havada rastladığı her türlü rüzgâra verilen addır. Sağnaklar uçak yapılarında hasarlara, hatta uçağın düşmesine bile sebep olabilirler. Üç çeşit sağnak vardır. Bunlar şu sekildedir:

1. Cephesel Sağnaklar
2. Termal Sağnaklar
3. Fırtına Sağnaklar

Uçak yapısal elemanlarına gelen yüklerin büyüklükleri çok önemlidir. Bu yükler yapısal elemana zarar vermeyecek büyüklükte olabildiği gibi, hafif ya da ağır hasarlara da yol açabilirler. O yüzden uçak ya da uçak yapısal elemanlarına gelen yükler, büyüklüklerine göre sınıflandırılır.
Uçak yapısal elemanlarına gelen yükleri büyüklüklerine göre sınıflandıracak olursak bunlar aşağıdaki gibidir:
1. Emniyetli Yük
2. Sınır Yük
3. Nihai Yük

Uçak dizaynında kullanılan malzemeler seçilirken, hangi bölgede hangi malzemeye ne kadarlık bir yük gelebileceği dikkate alınmalıdır. Bu bağlamda yapı malzemeleri gruplandırılmalıdır. Bu gruplandırma aşağıdaki gibidir:
1. Birincil Yapı
2. İkincil Yapı
3. Üçüncül Yapı

Birincil Yapı
Bu parçalar iniş takımları, uçuş kontrol yüzeyleri, motor bağlayıcıları ve çalışan kaplama (stressed skin) gibi uçak için birinci derecede önemli olan yapı elemanlarını kapsar. Bu elemanlarda herhangi bir hasar oluştuğu zaman uçuş güvenliği tehlikeye girer. Bu parçalar bakım manuellerinde ve çizimlerde KIRMIZI (bazen beyaz) renklerle gösterilir.
İkincil Yapı
Bu parçalar da üzerlerine yüksek yüklerin geldiği parçalardır. Ancak hasarlandıkları zaman uçuş güvenliğini etkilemezler. Örnek olarak koridorlar, radom ve iniş takımı kapakları verilebilir. Bu parçalar bakım manuellerinde ve çizimlerde SARI (bazen çizgi taramalı) renklerle gösterilir.
Üçüncül Yapı
Bu parçalar üzerlerine düşük yüklerin geldiği parçalardır. Örnek olarak kaporta (üzerine çok az yük gelen), tekerlek ısı koruyucuları ve küçük parça dirsekleri verilebilir. Bu parçalar bakım manuellerinde ve çizimlerde YEŞİL (bazen nokta taramalı) renklerle gösterilir.

Çalışan kaplama: Uçak üzerindeki yük taşıyan kaplamalara denir. Örneğin, kanat kaplamaları ve gövde kaplamaları çalışan kaplamalardır. 

Radom: Uçağın burun kısmında bulunan radom, hava radar antenlerini koruyan ve aynı zamanda da gövdeye aerodinamik düzgünlük veren bir yapısal elemandır.

Tekerlek ısı koruyucuları: Özellikle sert inişlerde ve sert frenlemelerde iniş takımı jantlarındaki yüksek sıcaklığın lastiklere ulaşmasını engelleyerek lastiklerin patlamasını önler. Jantın iç kısmını saran bu yapı çok yüksek sıcaklıklara dayanabilen bir malzemeden imal edilir.

Uçaklarda yapısal elemanların yerleştirilmesinde kolaylık sağlamak amacı ile değişik numaralandırma sistemleri kullanılır. Bunlar aşağıdaki gibidir:
1. İstasyon Numaraları
2. Bölgesel Numaralandırma

İstasyon Numaraları
İstasyon numaraları yöntemleri aşağıdaki gibidir:
• Zero Datum Line (Fuselage Station 0.00)
• Water (Ground) Line
• Buttock Line

Bölgesel numaralandırma yönteminde uçak yapısının, bölgelere ayrılacak şekilde numaralandırılması söz konusudur. Uçaktaki her bir bölge bir rakamla gösterilir. Bu rakamlar uçakta herhangi bir bölgedeki bir parçanın kolaylıkla bulunmasını sağlar. Uçak üzerindeki bölgelerin gösteriminde kullanılan rakamlar şu şekildedir:
• 100 – Gövde altı
• 200 – Gövde üstü
• 300 – Stabilizeler (Kuyruk kısmı)
• 400 – Motor bölmesi (Nacelle)
• 500 – Sol kanat
• 600 – Sağ kanat
• 700 – İniş takımları
• 800 – Kapılar

Yorulma: Bir parçaya etkiyen çevrimsel yükler (artan-azalan), elastik sınırın altında olsalar bile zamanla parçada hasara yol açabilirler. Bu olaya yorulma adı verilir.

Uçak yapılarında yorulma sonucu meydana gelen çatlakların kontrol altına alınabilmesi için tasarım yaklaşımları geliştirilmiştir.
Bu tasarım yaklaşımları aşağıdaki gibidir:
1. Emniyetli-Ömür (Safe-Life) Tasarımı
2. Emniyetli-Hasar (Fail-Safe) Tasarımı
3. Hasar Toleransı Tasarımı

Uçaklarda kullanılan malzemelerin, hafif, mukavemetli, kolay şekillendirilebilir, korozyon direnci yüksek, yorulma dayanımı yüksek, yüksek sıcaklığa maruz parçaların da sürünme dayanımlarının yüksek olması beklenir. Uçağın ana bölümlerinde kullanılan malzemeler genel olarak alüminyum alaşımları, titanyum alaşımları, paslanmaz çelikler, süperalaşımlar ve kompozit malzemelerdir.

İlk uçaklar tamamen tahtadan yapılmışlardı. Özellikle Balsa isimli ağaç çok hafiftir ve hâlâ model uçak yapımında kullanılmaktadır. Sonra tahta iskelet üzerine bez kaplamalı uçaklar ortaya çıkmıştır. Bu arada tamamı tahtadan uçaklar da yapılmıştır. Daha sonra çelik boruların birbirine kaynak edilmesiyle yapılan iskelet üzerine önceleri bez germek ve özel vernik sürmek, daha sonraları da alüminyum saç kaplama ya da fiberglass kaplama suretiyle yapılan uçaklar yaygın olarak kullanılmıştır. Alüminyum alaşımlarının gelişmesiyle, tamamen metal uçakların yapımı gerçekleşmiştir. Alüminyum alaşımları günümüz uçaklarında en çok kullanılan malzemelerdir. Bu alaşımların en büyük avantajı mukavemet/yoğunluk oranlarının yüksek olmasıdır. Ayrıca hafif ve korozyona dayanıklı olmaları da üstün özelliklerindendir. Günümüzde kullanımı oldukça yaygın bir başka malzeme ise kompozit malzemelerdir. Yüksek mukavemete sahip aynı zamanda da hafif olan bu malzemeler radom, kanat, gövde iniş takımı kapakları gibi bölgelerde kullanılmaktadır.