Uçan kanat

Uçan kanat, kesin bir gövdeye sahip olmayan kuyruksuz sabit kanatlı bir uçaktır. Mürettebat, yük, yakıt ve ekipman tipik olarak ana kanat yapısının içinde yer alır, ancak uçan bir kanatta podlar, naceller, kabarcıklar, bomlar veya dikey stabilizeler gibi çeşitli küçük çıkıntılar olabilir.
Teknik olarak uçan kanatlar olmayan bileşik kanat gövdeli uçaklar (blended wing body) ve bazı ultralight uçak tasarımları zaman zaman uçan kanat olarak adlandırılabilir.
Tarih
Kuyruksuz uçaklar, en erken uçma denemelerinden bu yana denenmiştir. 1910'dan itibaren JW Dunne'nin ok açılı çift ve tek kanatlı tasarımları doğal bir stabiliteye sahipti.
Hugo Junkers, 1910'da sadece kanatlardan ibaret olan bir hava aracı konseptinin patentini aldı. Junkers, uçan kanatları makul bir yolcu yükü ve Atlantik'i düzenli hizmette geçecek kadar yakıt taşıyacak kadar büyük bir yolcu uçağı inşa etme sorununa bir çözüm olarak gördü. Uçan kanadın potansiyel olarak büyük iç hacmi ve düşük sürüklenmesinin onu bu rol için bariz bir tasarım haline getirdiğine inanıyordu. Derin bir veter hattına sahip bir kanadı, Aralık 1915'te geri kalanı geleneksel olarak inşa edilmiş tek kanatlı Junkers J 1'de denendi. 1919'da, yolcuları kalın bir kanadın içinde taşımayı amaçlayan "Dev" JG1 tasarımı üzerinde çalışmaya başladı, ancak iki yıl sonra Müttefik Havacılık Kontrol Komisyonu henüz tamamlanmamış JG1'in savaş sonrası Alman uçaklarına getirilen boyut sınırlarını aştığı için imha edilmesini emretti. Junkers, 1.000 yolcuya kadar kapasitesi olacak fütüristik uçan kanatlar tasarladı; bu tasarımların gerçekleşmeye en çok yaklaştığı nokta 1931'deki 34 koltuklu Junkers G.38 Grossflugzeug uçağıydı. G.38'in yakıt, motor ve iki yolcu kabini için büyük ve kalın bir kanadı vardı, ancak yine de mürettebatı ve ek yolcuları barındırmak için kısa bir gövde gerekiyordu.
Uçan kanat konfigürasyonu 1920'lerden itibaren, genellikle diğer kuyruksuz tasarımlarla birlikte kapsamlı bir şekilde incelenmiştir.
Sovyet Boris Ivanovich Cheranovsky, 1924'te kuyruksuz uçan kanat planörlerini test etmeye başladı ve sonunda motorlu BICh-3 BICh-3'ü üretti.
1920'lerden sonra Boris Ivanovich Cheranovsky gibi Sovyet tasarımcıları Stalin yönetiminde bağımsız ve gizli çalışmalar yaptılar. Malzemelerde ve yapım yöntemlerinde önemli atılımlarla BICh-3, BICh-14, BICh-7A gibi uçakların inşası mümkün hale geldi. Chizhevskij ve Antonov gibi tasarımcılar de zamanın popüler planörlerine benzerlikleri nedeniyle "motorlu planör" olarak adlandırılan kuyruksuz BOK-5 (Chizhevskij) ve OKA-33 (Antonov tarafından inşa edilmiş ilk uçak) gibi uçaklar tasarlayarak Komünist Parti'nin dikkatini çekti. 1932'de Cheranovsky'nin BICh-11 uçağı, 1933'te Dokuzuncu Planör Yarışmaları'nda Horten kardeşlerin H1 modeli ve Adolf Galland'ın tasarımları ile yarışıyordu, ancak bu model Berlin'deki 1936 Yaz Olimpiyatları'nda gösterilmedi. 1948'deki BICh-26, süpersonik jet uçan kanatlı uçaklar konusunda zamanının ötesindeki ilk denemelerden biriydi. Uçak ordu tarafından kabul edilmedi ve Cheranovsky'nin ölümüyle tasarım planları sona erdi.
Almanya'da Alexander Lippisch uçan kanatlara geçmeden önce kuyruksuz uçaklar üzerinde çalıştı, Horten kardeşler 1930'larda bir dizi uçan kanat planör geliştirdi. H1 planörü 1933'te kısmi bir başarı ile uçuruldu, sonraki H2 hem planör hem de motorlu versiyonlarıyla başarıyla uçtu.
Amerika Birleşik Devletleri'nde, 1930'lardan Jack Northrop ve Cheston L. Eshelman kendi uçan kanat tasarımları üzerinde çalıştı. Uzun menzilli bir bombardıman uçağı için Northrop N-1M'in ölçekli prototipi 1940'ta uçtu.
Gerçek uçan kanatların diğer 1930'lu örnekleri arasında Fransız Charles Fauvel'in 1933'teki AV3 planörü ve 1937'de uçan ve düz bir kanatta kendi kendini dengeleyen bir kanat profiline sahip olan Amerikan Freel Flying Wing planörü bulunmaktadır.
II. Dünya Savaşı ile aerodinamik konuların yeterince anlaşılmış olması sayesinde, araştırmalar devam ederken üretim prototipleri üzerindeki çalışmalar da başlamıştı. 1942'de Northrop'un önerdiği uzun menzilli bir bombardıman uçağı için N-9M ölçekli geliştirme uçağı ilk kez uçtu. Mart 1944'teki Alman Horten Ho 229, dünyanın ilk çift jet motoru saf uçan kanadı oldu ve üretim öncesi örnekler savaşın son döneminde test edildi. 1944'te İngiliz Armstrong Whitworth AW52G, kuyruksuz uçaklar hakkında araştırmalar için bir planör test uçağıydı; daha sonra jet motorlu Armstrong Whitworth AW52 versiyonu geliştirildi.
II. Dünya Savaşı'nın son döneminde birçok Alman askeri uçak tasarımı, jet motorlu uçakların çok kısa menzilini genişletmek için önerilen bir çözüm olarak uçan kanat konseptine (veya varyasyonlarına) dayanıyordu. Bu tasarımların en ünlü örneği, ilk olarak 1944'te uçan Horten Ho 229 avcı-bombardıman uçağıydı. 1944'te motorsuz V1 prototipi ile süzülme testlerinin ardından, uçan kanadı veya Nurflügel tasarımını ikiz jet motorlarıyla birleştiren V2 (Versuch 2) prototipi test pilotu Erwin Ziller tarafından uçuruldu, ancak üçüncü uçuş testinde Junkers Jumo 004 jet motorlarından birinin arızası uçağın düşmesine ve Ziller'ın ölümüne neden oldu. Neredeyse tamamlanmış ancak hiç uçmamış üçüncü prototip "V3", Smithsonian Enstitüsü'nde restore edilmemiş bir durumda saklanmaktadır.
Savaş sonrası bazı çalışmalar devam etti. Northrop N-1M üzerindeki çalışma, 1946'da uçan ön üretim protoipleri uçacak olan YB-35 uzun menzilli bombardıman uçağına yol açtı. YB-35 ertesi yıl jet motorlarıyla donatılarak, YB-49 olarak adlandırıldı. Tasarım, konvansiyonel tasarımlara kıyasla menzilde büyük bir iyileştirme sunmadı, bir dizi teknik sorunu vardı ve üretime girmedi.
Bu esnada Türkiye'de yürütülen araştırmalar, 1948'de Türk Hava Kurumu Uçak Fabrikası'nda tasarlanan ve üretilen THK-13 prototipini ortaya çıkardı. Roy Chadwick'in İngiliz Avro Vulcan'ı için erken tasarım planları da uçan kanat tasarımlarını araştırdı.
Süpersonik çağın gelişiyle, uçan kanatların mürettebatı ve ekipmanı barındırmak için gereken kalın kanatlarına karşılık süpersonik uçuş için gereken ince bir kanatlar sebebiyle askeri açıdan uçan kanatlara olan ilgi azaldı.
Potansiyel olarak düşük radar yansıma kesitleri nedeniyle 1980'lerde uçan kanatlara olan ilgi tekrar canlandı. Hayalet uçak teknolojisi, radar dalgalarını yalnızca belirli yönlerde yansıtan şekillere dayanır, böylece radar alıcısı uçağa göre belirli bir konumda olmadığı sürece uçağın algılanmasını zorlaştırır. Uçan kanadın aerodinamik avantajları, bu tasarımın hayalet uçaklarda benimsenmesinin başlıca nedeni değildir. Bununla birlikte, modern bilgisayar kontrollü fly-by-wire sistemleri, uçan kanadın aerodinamik dezavantajlarının çoğunun en aza indirilmesini sağlayarak verimli ve etkili bir şekilde uzun menzilli bombardıman uçağı üretilebilmesini sağlar. Tüm bu etmenler, Northrop Grumman B-2 Spirit hayalet bombardıman uçağının üretilebilmesine olanak sağlamıştır.
Kalın bir kanat gerektirmesi sebebiyle uçan kanat kavramı en çok ses altı uçakları için uygundur. Kanadın kargo veya yolcuları taşıyabilecek kadar kalın olacağı büyük nakliye uçaklarında kullanılması konusuna ilgi duyulmaktadır. Boeing, McDonnell Douglas ve de Havilland dahil olmak üzere birçok şirket, uçan kanat yapısında yolcu uçakları üzerine önemli tasarım çalışmaları yaptı, ancak bugüne kadar hiçbiri üretime girmedi.
Tasarım
Temiz bir uçan kanat, bazen sabit kanatlı uçaklar için teoride aerodinamik olarak en verimli tasarım konfigürasyonu (en düşük sürüklenme) olarak belirtilir. Ayrıca, belirli bir kanat kalınlığı için yüksek yapısal verimlilik sunarak hafiflik ve yüksek yakıt verimliliği sağlar.
Geleneksel stabilize edici yüzeylerden ve ilişkili kontrol yüzeylerinden yoksun olduğu için, saf uçan kanat tasarımları kararsız ve kontrol edilmesi zor bir uçuş yapısı gibi doğal dezavantajlardan muzdariptir. Bu sorunları çözmek genellikle zordur; çözüme yönelik çabalar uçan kanat tasarımının düşük ağırlık ve düşük sürüklenme gibi beklenen avantajlarını azaltabilir veya hatta ortadan kaldırabilir. Ayrıca bu çözümler, ticari havacılık gibi bazı kullanımlar için yeterince güvenli olmayabilir.
Pilot, motorlar, uçuş ekipmanı ve yükün kanat bölümünün içine sığdırılması da çözülmesi zorluk çıkartan bir problemdir.
Uçan kanat tasarımı ile ilgili bilinen diğer problemler ise yunuslama ve sapma ile ilgilidir. Yunuslama sorunları, kuyruksuz uçaklar makalesinde tartışılmıştır. Sapma sorunları aşağıda tartışılmıştır.
Mühendislik tasarımı
Pilotu, motorları, yakıtı, iniş takımını ve diğer gerekli ekipmanı içerecek kadar kalın yapılmış bir kanat, geleneksel bir kanat ve uzun ince gövdeye kıyasla daha fazla ön alana sahip olacaktır. Bu durum geleneksel bir tasarıma göre daha yüksek sürtünme ve dolayısıyla daha düşük verim ile sonuçlanabilir. Bu durumda tipik olarak benimsenen çözüm, kanadı makul ölçüde ince tutmak ve daha sonra uçağa, pratik bir uçağın tüm ihtiyaçlarını karşılamak için çeşitli kabarcıklar, kanatçıklar ve naceller eklemektir.
Bu sorun, kalın bir kanadın sürüklenmesinin hızla yükseldiği ve ince kanatlar gerektiren süpersonik hızlarda daha akut hale gelir. Bugüne dek hiçbir süpersonik uçan kanat inşa edilmemiştir.
Yön kararlılığı
Herhangi bir uçağın sürekli düzeltme yapılmadan uçabilmesi için, sapma yönünde pozitif kararlılığa sahip olması gerekir.
Uçan kanatlarda verimli bir dikey stabilize veya kanatçık takmak için bir dikey kuyruk bulunmaz. Tüm kontrol yüzeyleri doğrudan kanadın arka kısmına takılmalıdır, ancak bu durum aerodinamik merkezden küçük bir moment kolu verir, bu da kontrol yüzeyinin daha verimsiz olmasına ve etkili olması için kontrol yüzeyi alanının geniş olması gerektiği anlamına gelir. Böyle büyük bir kontrol yüzeyi ağırlık ve sürükleme konusunda dezavantajlıdır ve uçan kanadın avantajlarını azaltabilir. Sorun, örneğin düşük en-boy oranına sahip bir delta kanatta olduğu gibi, kanat ok açısını arttırarak ve kanat uçlarının yakınına kanatçıklar yerleştirerek en aza indirilebilir, ancak birçok uçan kanat daha yumuşak bir ok açısına ve sonuç olarak zayıf bir stabiliteye sahiptir.
Başka bir çözüm, kanat ucu bölümlerini önemli bir anhedral ile aşağıya doğru döndürmek, yan taraftan bakıldığında uçağın arkasına doğru dikey alanı arttırmaktır.
Hava akışı yönünde bakıldığında ok açılı bir kanadın ön alanı, hava akışına göre sapma açısına bağlıdır. Sapma, öne gelen kanadın sürüklenmesini arttırır ve arka kanadın sürüklenmesini azaltır. Yeterli geriye kanat açısı olan tasarımlarda diferansiyel sürükleme uçağı doğal olarak yeniden hizalamak için yeterlidir. Bu sürüklenme ile sapma kontrolü sistemi, erken dönem Northop uçan kanatlar modellerinde, dikey motor nacelleri (YB-35) veya küçük dikey stabilizeler (YB-49) ile birlikte kullanılmıştır..
Tamamlayıcı bir yaklaşım, geri ok açılı kanat planformu ve uygun bir kanat profili ile birlikte diferansiyel kanat bükümü (kanat kökünden kanat ucuna doğru azalan hücum açısı) kullanır. Prandtl, Pankonin ve diğerleri, 1930'ların ve 1940'larda Horten kardeşlerin uçan kanatlarında yaptıkları incelemelerde, dönüş esnasında sapma istikrarı sağlamak için kanat bükümünün önemini keşfettiler. Yunuslama kontrollerinin kanat uçlarının yakınında bulunması gerekliliği nedeniyle, yukarı hareket eden kanattaki kanatçık, kanat altındaki yüksek basınçlı hava akışını saptırdığı için dönüşü engelleyen bir sürüklenmeye neden olur. Horten kardeşler geliştirdikleri uçakların kanat tasarımında, kanat ucuna doğru azalan hücum açısı sayesinde orta kısımda daha fazla kaldırma ve uçlarda daha az kaldırma ile kanat açıklığı boyunca "çan şeklinde bir kaldırma dağılımı" tanımladı. Kaldırma kuvvetinin dış kanatçıklar tarafından arttırılması, dönüş sırasında kanadın arka (dış) kısmı için hafif bir itme vektörü oluşturur. Bu vektör esasen arka kanadın yükselmenin neden olduğu "olumsuz sapma"yı telafi etmek için öne doğru çeker. Bu konsept uygulamada başarılı olmamıştır.
Sapma kontrolü
Bazı uçan kanat tasarımlarında, herhangi bir dengeleyici kanatçık ve ilişkili kontrol dümenleri çok fazla etkiye sahip olmayacak kadar uçağın ileri kısmında yer alacaktır, bu nedenle bazen sapma kontrolü için alternatif araçlar kullanılır.
Kontrol probleminin bir çözümü diferansiyel sürüklemedir: bir kanat ucunun yakınındaki sürükleme yapay olarak arttırılarak uçağın o kanat yönünde sapmasın neden olur. Tipik yöntemler şunları içerir:
Bölünmüş kanatçıklar: Kanatçığın üst yüzeyi yukarı hareket ederken, alt yüzey aşağı hareket eder. Bir taraftaki kanatçıkları ayırmak, diferansiyel hava freni etkisi yaratarak sapmaya sebep olur.
Spoiler: Hava akışını bozmak ve sürüklemeyi artırmak için kanat üst yüzeyindeki bir spoyler kaldırılır. Bu etkiye genellikle pilot, tasarım veya uçuş bilgisayarı tarafından telafi edilmesi gereken bir kaldırma kaybı eşlik eder.
Spoileronlar. Kaldırma kuvvetini azaltmak için hareket eden bir üst yüzey spoileri (bir kanatçayı yukarı doğru saptırmaya eşdeğer şekilde), uçağın dönüş yönünde yatmasına ve uçağın uzunlamasına eksenini döndürmek için gereken sürükleme miktarının azalmasına neden olur.
Diferansiyel sürükleme yönteminin bir sonucu, uçak sık sık manevra yaparsa, sık sık sürükleme oluşturacağıdır. Bu nedenle, uçan kanatlar hareketsiz havada seyrederken en iyi durumdadır; türbulanslı havada veya rota değiştirirken uçak geleneksel bir tasarıma göre daha az verimli olabilir.