Uçak Gövdeleri-Metal Yorgunluğu-Frame ve Stringer’ler

Uçak Gövdeleri-Metal Yorgunluğu-Frame ve Stringer’ler

Geçtiğimiz hafta söz verdiğim gibi bu hafta yine uçakların yapılarını inceleyen teknik içerikli bir konuyu sizlerle beraber ele almak istiyorum. Daha öncede belirttiğim gibi konulara çok detaylı olarak girmeden, her meslek grubundan okuyucularımızın sıkılmadan okuyacağı şekilde yazmaya çalışıyorum. Şu ana kadar, konuları seçmemde yardımcı olan Sefa Bey’in özellikle havacılığa ilgi duyan gençlere de kaynak olmasını istediği konuları ele aldım. Kendisinin bundan sonrada önerdiği konuları yazmaya devam edeceğim fakat siz okuyucularımın istediği konular varsa, onları da bana yorum atarak iletirseniz, bilgim çerçevesinde elimden geldiği kadar burada sizlerle paylaşacağım.

Bu hafta uçakların gövdelerini kısaca ele almak istiyorum. Temel görevi yolcu ve yükü taşımak, binlerce metre yükseklikte yolcuları o yükseklikteki atmosfer şartlarından korumak olan gövdenin, ayrıca tüm kanatların birleşme noktası olarak büyük kuvvetlere karşı dayanıklı yapıya sahip olması gerekiyor.

En çok kullanılan gövde kesitlerini kısaca gözden geçirelim.

1) Köşeli gövde kesiti


Köşeli şekilde tasarlanmış gövde kesitleri daha çok 4000 metre yüksekliğin altında uçan, basınçlı kabine ihtiyaç duyulmayan uçaklarda kullanılır. Üretim maliyetlerinin daha düşük olmasının yanı sıra, kabin içindeki hacmin gerek yolcu dağılımı gerekse yük barındırma açısından daha elverişli kullanılmasına imkan tanır.

2) Çember tarzında gövde kesiti


Atmosfer basıncının deniz seviyesine kıyasla çok daha düşük olduğu yüksekliklerde kabinin içinden dışarıya doğru çok şiddetli hava basıncı oluşur. Bu basınç, uçağın yeryüzüne inip kalkması ve gökyüzünde farklı yüksekliklerde uçması ile sürekli değişir. Köşeli gövde kesitleri olan uçaklarda, köşelerin zamanla basınç etkisine karşı zayıf noktaya dönüşmesine sebep olacağından çembere yakın geometrik tarzda kesite sahip gövdeler, basınçlı kabinlerin temelini oluşturur.
Çembere yakın tarzdaki gövde kesitleri, uçağın gövdesi etrafında oluşan hava akımının aerodinamik olarak daha elverişli akmasına da yardımcı olur.
En büyük dezavantajı, kabin hacminde kullanıma elverişli olmayan bölgelerin oluşmasıdır.

Yazımın geri kalanını, sivil havacılıkta günümüzün standardı haline dönüşen çembere yakın tarzdaki gövde kesitli olarak tasarlanmış basınçlı kabinleri oluşturan metal gövdeleri baz alarak yazacağım.

Gövdenin yapısı
Gövdenin hafif olması fakat yüksek basınca dayanıklı olması çok önemlidir. Bu sebeple ağırlıklı olarak Alüminyum alaşımlı malzemeler kullanılır. Kalınlığı 1,5 ile 2,5 mm arasında değişen, İngilizce ”Skin Panel” olarak adlandırılan bir bakıma gövdenin derisi olarak tanımlayabileceğimiz gövdenin dış yüzeyi, perçinleme, lazerle kaynaklama ve yapıştırma yöntemleri ile iskeletin üzerine döşenir. İskelet olarak tanımlayabileceğimiz yapı ise aralarında belli mesafeler bulunan ”Frame” isimli dikey çemberlerden ve bu çemberleri yatay olarak bağlayan ”Stringer” lerden oluşur.

Gövdenin maruz kaldığı kuvvetler
Uçağın gövdesi, kanatların birleşme noktası olduğu için, kanatlardan gelen tüm kuvvetleri taşımak zorundadır. Arka kanatların gövdenin kuyruğuna uyguladığı momentleri kaldırmak zorundadır. İnişlerde her ne kadarda iniş takımlarının darbe emici bir yapısı olsa da, iniş takımlarının yere teker koyması ile oluşan kuvvetleri kaldırmak zorundadır. Bunların dışında dayanıklı olması gerektiği en kritik kuvvetlerden biride kabin basıncının yarattığı kuvvettir. Kısaca kabin basıncı olarak adlandırdığımız bu basıncın sebep olduğu kuvvet, uçağın gövdesinin yeryüzünde bulunması ile örneğin 10bin metre yükseklikte uçması arasında, santimetrelerle ifade edilebilecek kadar şişmesine sebep olur. Gövde de oluşan bu esneme harekatı, metal yorgunluğunu oluşturan önemli faktörlerden biridir. Metal yorgunluğu konusunu ele almadan, kabin basıncının kısaca gövde için nasıl bir yüke dönüştüğünü ufak bir örnekle inceleyelim:
Çok basit bir fiziksel hesaplama ile uçağın gövdesinin metrekaresine içeriden dışarıya doğru ne kadar kuvvet uygulandığını hesaplayalım. Uçakların uçuş esnasında kabin içi basınçlarının, yaklaşık olarak deniz seviyesinden 2500 metre yükseklikteki basınca denk gelecek şekilde tasarlandığı için (Yeni B787 ve A350 hariç), hesaplamalarımızı, örneğin İstanbul Atatürk Havalimanı’nın bulunduğu deniz seviyesinden ortalama 50 metre yüksekliği değil de, 2500 metre yüksekliği baz alarak yapacağız.
Deniz seviyesinden 2500 metre yükseklikte yaklaşık 735 hPa yani 73’500 Pa hava basıncı olduğundan yola çıkalım. (1hPa yani 1 Hekto Pascal = 100 Pa ). Ölçüm yapacağımız uçağımız ise 10’000 metre yüksekliğe çıkacak. 10’000 metre yükselikte ise hava basıncı ortalama 280 hPa yani 28’000 Pa’dır.
Dolayısı ile kabin içinde 73’500 Pa basınç varken dışarıda 28’000 Pa basınç vardır ve gövdenin duvarlarına en az 45’500 Pa basınç etki eder. Bunu basınç formülünü ( Basınç = Kuvvet / Alan) kullanarak gövdenin metrekaresine düşen kuvvet olarak hesaplarsak ortaya metrekare başına etki eden 45’500 N gibi dehşet bir kuvvet çıkar. 45’500 N kuvveti kafamızda canlandırmak için şu şekilde düşünebiliriz: Ortalama 4630 kg ağırlığında bir nesneyi yerden 1 metre kaldırmak için ihtiyacımız olan kuvvettir. Teoretik olarak 10 bin metre yükseklikte gövdenin metrekaresine 4,5 ton ağırlığı kaldıracak kuvvetten fazla kuvvet uygulandığını hesaplamış olsak da bu rakam gerçeğe nazaran daha düşüktür. Çünkü hesaplamamızı basit şekilde tutabilmek için, uçağın etrafındaki hava akımının hızını, dolayısı ile hızlı akım içinde olan havanın daha düşük basınca sahip olduğunu, bu sebeple 10bin metrede uçan bir uçağın dış yüzeyine 28’000 Pa’dan daha düşük bir basınç etki ederek, kabin iç ve dış basınç farkının daha yüksek olduğunu katmadık.

Bu kuvvetler gövdeyi zamanla yıpratır ve uçağın havada parçalanabilecek duruma gelmesine zemin hazırlar.

1988 yılında meydana gelen sebebi metal yorgunluğu olan Aloha Airlines kazası

Bu sebeple periyodik olarak, bakımlarda gövdenin yapısının yıpranmalara, mikroskobik alanda çatlamalara ve yırtılmalarına karşı kontrolleri yapılır.

Metal yorgunluğu
İlk önce metal yorgunluğunu kısaca tanımlayayım: Bir metalin, maruz kaldığı kuvvetler, bu kuvvetlerin değişimi ve etkileri (titreşim gibi), değişken hava ısısı ve hatta UV-Işınlarının etkisi nedeniyle zamanla yıpranması, yapısında çatlakların oluşması ve gerektiği dayanıklılığa sahip olmaktan çıkmasıdır. Bu sebeple, uçağın gövdesinin basınç değişimi sebebiyle esnemesi, kabin basıncının kendisi, inişlerde yere teker koyma anında ortaya çıkan kuvvetler, taksi yaparken asfaltın bozuk olmasından kaynaklanan darbeler, titreşimler vb., gövdenin zamanla yıpranmasına metal yorgunluğuna yol açar.
Geçmişte dünya genelinde bazı büyük kazaların nedeni olan Metal Yorgunluğu aslında teknik bakımları düzenli ve düzgün yapılan uçaklarda bir risk faktörü olmaktan çıkar. Planlama aşamasında, uçak gövdelerinin kullanım amaçları da göz önünde tutularak tasarım yapılır ve bu tasarımlar testlerle onaylanır. Örneğin bir A320 ‘nin uçuş profili bir A330’dan farklıdır. A320 günde 4 yada 5 iniş gerçekleştirirken A330 uzun mesafe uçuşlarda kullanıldığı için günde ortalama 2 iniş yapar. Bunun karşılığında gövdesi kesintisiz olarak daha uzun süre kabin basıncının yüküne maruz kalır. Uçaklara garanti olarak uçabilecekleri bir ömür biçilir ve bu zaman içinde o uçağın havada kalmasını teknisyenler sağlar. Çünkü, ortalama 20 yıl kullanım amaçlı tasarlanmış bir uçak 20 yıl içerisinde en az 2 kere D-Check dediğimiz büyük bakıma girer ve teknisyenler özellikle metal yorgunluğu tehlikesini uçağın gövdesinin her santimetre karesini kontrol ederek ortadan kaldırırlar.
Yazımı, örnek olarak A320 modelinin planlama aşamasında geçtiği testlerden birini özetleyerek bitirmek istiyorum. Gövdenin 20 yıllık kullanımı içinde ortalama 48’000 sorti (iniş ve kalkış) yapacağından yola çıkılıyorsa gövde bu hedeflenen rakamın 2,5 katı ele alınarak 120’000 sortiye denk gelecek şekilde test edilmiştir. Bu testler hızlandırılmış olarak hangarlarda yapılır, ve uçağın iç basıncı daha doğrusu kabin basıncı her iki dakikada bir, 10bin metre yüksekliğe denk gelecek şekilde yükseltilir ve düşürülür. Böylelikle kabin basıncının esnemesi olan çok önemli bir metal yorgunluğu faktörü kısa zaman içerisinde test edilmiş olur.

Not: Yazımı tamamlayıcı olarak gördüğüm ve daha önce sitemizde yayınlanan önemli bilgiyi de tavsiye ederim:
Yolcu pencereleri neden ovalimsidir.

Geri

2
Kimler Neler Demiş?

1000

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.

En Yeniler Eskiler Beğenilenler
Teknik

Bu sitedeki köşe yazarlarını beğeniyorum. Başka haber sitelerinde ne olduğu bilinmeyen kişiler yazı yazıp bilgi kirliliği oluşturuyor. Herkes kendi bildiği konuda yazsa ne kadar güzel olurdu

Faydalı bir makale

Teşekkürler Tuğrul bey çok Faysal’ı makale. Sefa beyede teşekkür ederim biz gençlerin her zaman yanında olduğu için