Bu yazımda uçakların yerde park halinde veya yürürlerken (taxi, kalkış ve iniş rulesi gibi) kullanmak durumunda kaldıkları fren sistemini inceleyeceğiz.
Büyük bir uçağın frenlerinin, iniş sırasında ve vazgeçilen bir kalkış durumunda uçağın hızını azaltmak ve durdurmak için büyük miktarda enerjiyi emmesi gerekir. Emilen yüksek miktardaki enerji nedeniyle, uçak frenlerinin çok güçlü ve güvenilir olması gerekir.
Bir uçağın fren sistemi nasıl çalışır?
İşlevsellik açısından, büyük bir uçağın frenleri, bir arabanın frenlerinden çok da farklı değildir. Tipik bir arabanın fren sisteminde araç, fren balataları tekerleklerin hızında dönen bir rotora (disk veya kampana) karşı bastırılarak yavaşlatılır. Sürücü fren pedalına bastığında, basınç altındaki fren hidroliği, balataları rotora doğru hareket ettiren ve tekerleğin patinaj yapmasını engelleyen bir pistona gönderilir. Hafif uçaklar da buna benzer bir sistem kullanır. Bu tip fren en çok tek plakalı disk frenler olarak bilinir.
Böyle bir fren sisteminin büyük bir uçak için kullanışlı olmamasının birkaç nedeni vardır. Birinci neden, böyle bir sistemin emdiği enerjiyi kolayca dağıtamamasıdır. Karşılaştırma için tek motorlu Cessna-172 ve Airbus A320 için basit bir hesaplama yapabiliriz. Frenler oluşan kinetik enerjiyi sürtünme nedeniyle ısıya dönüştürdüğünden, her iki uçak da yere indiğinde frenleme nedeniyle ortaya çıkan enerji ; Cessna-172’nin 700 kg kütleye ve 32 m/s iniş hızına, A320 için ise 64.000 kg kütle ve 70 m/s hıza sahip olduğunu varsayalım.
Bu verilere göre, bir Airbus A320’nin frenleri, iniş sırasında bir Cessna-172’nin neredeyse 500 katı daha fazla enerji emmelidir. Böylece, A320’nin daha iyi bir fren sistemi gerektirdiği oldukça açık olarak görülebiliyor.
Çoğu büyük uçakta frenleme kabiliyet ve verimliliğini artırmak için, “çok diskli fren” adı verilen bir fren sistemi kullanılır. Bu sistemde, aralarına stator adı verilen dönmeyen disklerin yerleştirildiği birden fazla rotorlar vardır. Statorlar bir nevi frenleme balatalarıdır. Yerde hareket halindeki uçağın statorları sabit kalırken rotorlar tekerleklerle birlikte ve eşit hızda dönerler.
Statorların en başında rotor ve statorların hareketini kontrol eden bir baskı plakası bulunmaktadır. Genel olarak bir arabada bulunan tek pistondan farklı olarak bu tip fren sisteminde çoklu piston kullanılmaktadır. Bu pistonları harekete geçirmek için uçağın ana hidrolik sistemden gelen basınçlı hidrolik kullanılır.
Frenler serbest bırakıldığında statorlar, baskı plakasına bağlı yaylı bir tertibat tarafından geriye çekilir. Fren pedallarına basıldığında yay sıkıştırılır, pedallar serbest bırakıldığında yay uzar ve baskı plakasını geriye doğru hareket ettirir. Bu geri çekilme ile statorlar rotorlardan ayrılır ve stator ile rotor sürtünmesi yani, frenleme artık mevcut değildir.
Birçok fren sisteminde, stator baskı plakasına bağlı, fren balatalarının aşınmasını ölçmek için kullanılan bir pim takılıdır. Normalde dışarıdan bakıldığında görülen pim, fren balataları aşındıkça, içeri girmeye devam eder. Uçak frene alındığında pim artık çıplak gözle görülemediğinde veya elle dokunulduğunda hissedilmediği takdirde, balataların aşınması limit değere inmiş olması nedeniyle fren ünitesinin (Brake Unit) değiştirilmesi gerekir.
Yedeklilik amacıyla, uçak frenlerine yeterli güç sağlamak için, iki veya daha fazla hidrolik sistem kullanır. Bir sistem işlevinde başarısız olursa, görevi diğeri devralabilir. Uçaklarda normal fren sistemi dışında daha ileride inceleyeceğimiz acil fren sistemleri (Emergency Braking System) de vardır.
Eski günlerde, uçakların fren sistemlerinde için çelik balatalar kullanılıyordu. Artık günümüzde karbon fren balataları kullanılmaktadır. Karbon frenler çelik olanlara göre daha hafiftir, daha fazla enerji emebilir ve aşınma yönünden daha uzun süre dayanıklıdır. Bu avantajlardan dolayı karbon frenler tercih edilmektedir.
Pilotlar frenleri nasıl çalıştırır?
Frenler normalde, dümen (rudder) pedallarının üst kısımlarına ayakla basılarak çalıştırılır. Frenler bir alternatif olarak yerde keskin bir dönüş yapmak için de kullanılabilir. Örneğin pilot uçak hareket halindeyken sağa gitmek isterse sağ fren pedalına basabilir. Bunun sonucu, sol tekerlek hareket etmeye devam ederken sağ tekerleği yavaşlatarak (veya durdurularak) uçağın sağa dönmesini sağlar.
Kayma Önleyici Sistem (Anti Skid)
İnişlerde ıslak veya kirli bir pistte fren kilitlenmesi (Wheel Lock Up) Hydroplaning dediğimiz oldukça tehlikeli bir durum yaratabilir. Frenlerin kilitlenmesi, uçağın pistten kaymasına, pistten dışarıya çıkmasına hatta kırım yaşayarak yangına yol açabilecek aşırı ısı oluşumuna neden olabilir. Bu durumu önlemek için, tekerleklerin kilitlenmesini ve dolayısı ile uçağın pilotlar tarafından kontrol edilemeyen kaymasını önleyecek bir sisteme ihtiyaç vardır.
Kayma önleyici sistem, olası bir tekerlek kilitlenmesini algıladığında frenleri serbest bırakarak kaymayı önler. Sistem, referans hız olarak adlandırılan uçağın hızını her bir tekerleğin hızıyla karşılaştırarak çalışır. Tekerlek hızı, tekerlek aksı içine takılan ve Transducer adı verilen takometre ile ölçülürken uçağın hızı, inertial verileri kullanılarak uçağın ivmesinin hesaplanmasıyla belirlenir. Bir tekerleğin dönü hızı belli bir değere düştüğünde, fren pedallarına basılı olmasına karşın, kaymayı önleyici sistem (Anti Skid System) tarafından fren bırakma (Brake Release) komutu verilir.
Otomatik frenleme (Auto Brake) sistemi
Bu sistem gerektiğinde pilot tarafından devreye sokulur. Devreye sokulduğunda, çalışması için belirli koşullar gereklidir ve bu büyük ölçüde uçağa bağlıdır. Örneğin, Airbus uçaklarında otomatik frenler sadece yer spoylerlerinin (Ground Spoilers) açılmasıyla çalıştırılır.
Otomatik frenlemenin birden fazla seviyesi vardır. Kalkışta, otomatik frenler genellikle maksimuma ayarlanır. Bu, pilotun kalkıştan vazgeçmesi durumunda maksimum frenlemenin uygulanmasını sağlayacaktır. İniş sırasında otomatik frenler pilotun tercih ettiği bir seviyeye ayarlanabilir. Islak bir pistte, pilotlar genellikle uçağı olabildiğince çabuk durdurmak için daha yüksek bir frenleme seviyesini seçerler.
Park freni ve Acil fren sistemi
Uçaklarda ayrıca, uzun süre park edildiğinde veya motorlar çalışırken uçağı yerde sabit tutmak yani, uçağın hareket etmesini önlemek için kullanılan bir park freni sistemi bulunur.
Uçak, iniş sonrası kapıya gelip park edildiğinde, park freni genellikle frensiz/kapalı konuma getirilir. Bunun nedeni, tekerleklerin ön ve arkalarına takozların (Wheel Chocks) yerleştirilmiş olmasıdır. Takozlar düzgün bir şekilde yerleştirildiğinde uçağın istem dışı yanlışlıkla yürümesini önlediğinden artık park frenine gerek yoktur. Park frenleri frensiz/kapalı tutularak rotorlar ve statorlar birbirinden uzaklaşır, aralarından hava akışı ile soğuması sağlanır.
Acil fren sistemi-Emergency Braking System
Acil Fren Sistemi ana tekerlek fren sistemini çalışamaz hale getiren ikili bir hidrolik arızası (Dual Hydraulic Failure) durumunda pilotun kullanımına açıktır. Bu amaçla uçuştan önce şarj edilmiş bir fren akümülatörü kullanılır. Pilotlar, ana fren sistemi arızalanırsa frenleri çalıştırmak için bu akümülatör basıncını kullanılır. Akümülatör yalnızca sınırlı miktarda basınç içerdiğinden, fren uygulama sayısı sınırlıdır. Çoğu zaman, yaklaşık yedi kere fren uygulaması yapılabilir.
Fren sıcaklığını ve fren ünitesinin aşınmasını kontrol etme
Önceki paragrafta vurgulandığı gibi, frenleri serin tutmak pilotlar için bir önceliktir. Soğuk frenler, özellikle vazgeçilen bir kalkış için gerekli olduklarında, sıcak frenlerden daha iyi performans gösterir. Frenlerin gerekli enerjiyi artık ememeyeceği bir sıcaklık vardır. Çok sıcak frenler ayrıca potansiyel bir yangın tehlikesidir.
İçinde hidrolik hatların da bulunduğu uçağın tekerlek yuvasına iniş takımı içeri çekilirken, bir hidrolik kaçağı meydana gelir ve hidrolik sıvısı sıcak frenlere akarsa, tekerlek yuvası yangını olası bir senaryodur. Bu nedenle, kalkışa başlamadan önce asla aşılmaması gereken bir maksimum fren sıcaklık değeri vardır. Sıcaklık limit dışı yüksek ise, frenlerin soğuması beklenir.
Öok ısınmış frenleri soğutmanın birçok yolu vardır. Bazı uçaklar, pilotlar tarafından açılabilen fren fanları (Brake Cooling Fan) ile donatılmıştır. Bu sistem, sıcak frenlerin üzerine hava üfleyerek onları soğutur. Duran bir uçağın sıcak frenlerini soğutmak için teknisyenler tarafından tekerleklere dışarıdan bağlanabilen bir yer teçhizatı olan portatif soğutma fanları da vardır.
Pilotun taxi tekniği de önemli bir rol oynar. Taxi sırasında çok fazla fren uygulaması frenlerin aşırı ısınmasına neden olabilir. Bu nedenle pilotlar, fren kullanımını mümkün olduğunca en aza indirmeye çalışırlar. Ayrıca, ters itme (Reverse Thrust) kullanımı da, güçlü tekerlek freni gereksinimini en aza indirdiği için frenlerin soğuk kalmasına yardımcı olabilir. Ayrıca uzun bir piste iniliyorsa pistin mümkün olduğunca uzun kullanılması önerilir. Bu, uçağın daha uzun pist kullanmasına neden olacak ama, aslında fren kullanımını ve ısınmasını azaltacaktır.
Karbon frenler, düşük ve yüksek sıcaklıklarda önemli ölçüde daha az aşınma eğilimindedir. Aşağıda, sıcaklığa karşı fren aşınması için Airbus tarafından yapılmış bir grafik üç ayrı fren üreticisinin fren aşınma trendini gösterir. Messier-Bugatti, Honeywell-ALS ve BF Goodrich. Grafikte görüldüğü gibi tüm frenler orta sıcaklıklarda en yüksek aşınma oranına sahiptir.
Ancak, aşınmayı azaltmak maksadıyla yüksek sıcaklıklarda frenlerin çalıştırılması önerilmez. Mümkün olduğunda, özellikle uzun dönüşlerde pilotlar, fren sıcaklıklarını düşürmek için ellerinden gelenin en iyisini yapmalıdır. Frenleri düşük sıcaklıklarda çalıştırmak hem çabuk aşınmasından tasarruf etmeye ve hem de verimliliklerini artırmaya yardımcı olur. Ayrıca, yüksek sıcaklıklar karbonun oksidasyonuna yol açar. Karbon doğal olarak havadaki oksijenle birleşerek karbondioksit oluşturur. Isı, frenlerden karbon kütlesi kaybına yol açarak fren aşınmasını artırır.
Daha önce belirttiğim gibi, fren aşınmasını azaltmak için uygun pilotaj teknikleri de kullanılabilir. Karbon frenler, fren uygulama sayısına çok duyarlıdır. Bu nedenle, taxi sırasında pilotlar, fren uygulama sayısını en aza indirmek için ellerinden gelenin en iyisini yaparlar. Bu, hızın düşük bir seviyeye düşürülene kadar tek seferlik fren uygulanarak yapılabilir. Genellikle, motorlar rölantideyken uçakların yüksek bir hıza çıkması zaman alır. Dolayısıyla pilotlar taxi yaparken uçağı yavaşlatmak isterlerse bunu bir avantaj olarak kullanabilirler.
Ayrıca şartlar uygun olduğunda uçaklar tek motorla taxi yapılabilmektedir. Bu, motorlar tarafından üretilen itme gücünü azaltır ve bu da aralıklı frenleme ihtiyacını azaltır. Diğer bir yol da inişlerde otomatik fren kullanmaktır. Bu, fren uygulama sayısını azalttığı için frenlerin aşınmasını azaltır.
Erhan İnanç
Sitenizde böyle bilgilendirici konulara daha çok yer verilmesi havacılık sevdalıları ve meraklıları için iyi olur. Teşekkürler.