Aerodinamik-katı Cisimlerin Atmosferde Yer Değiştirmesiyle Ilgili Fiziksel Olaylar

Aerodinamik-katı cisimlerin atmosferde yer değiştirmesiyle ilgili fiziksel olaylar

Aerodinamik katı cisimlerin atmosferde yer değiştirmesiyle ilgili fiziksel olayları inceleyen bilim dalıdır

Araştırmalarının amacı, hareketli cisimlere, havada ilerlemelerini kolaylaştıran, dolayısıyle itme gücünü azaltan biçimler vermektir (bu tür incelemeler, otomobil, uçak ve uzay taşıtları yapımı için zorunludur)

Aerodinamik, XIX yy sonunda Alman Otto Lilienthal ile Fransız Louis Mouillard'ın kuşların uçuşuyla ilgilenmeleriyle, planör denemeleri yapmaya başlamalarıyla ortaya çıktı Söz konusu çalışmalardan yararlanan
Clement Ader, 1890 yılında Eole adlı aracıyla 50 m' lik ilk uçuşu gerçekleştirdi Alman fizikçi Ludwig Prandtl'ın 1904'te sınır tabakalar üstünde yaptığı çalışmalar, aerodinamiğin gerçek atılımını yapmasını sağladı

Profiller çevresindeki hava akışını inceleyen ilk araştırmalar,havanın sıkıştırılamayan bir akışkan sayılabileceği varsayımına dayanıyordu İkinci Dünya savaşı sırasında bazı avcı uçaklarının dalışta 900 km/saatlik hızı asmasıyla, sesüstü hızlar için bu varsayımı yeniden gözden geçirmek zorunluluğu ortaya çıktı Kuramsal incelemeler karmaşık hesaplar gerektirdiğinden, çok geçmeden hava tünellerinde deneyler yapılmaya başlandı; böylece, maketler üstünde elde edilen sonuçları, gerçek araçlara aktarma olanağı bulundu

Söz konusu aktarma işlemi mekanik benzeşme yasalarına dayanır; ama sesaltı hızlar için Reynolds sayısına, sesüstü hızlar için (uçağın hızının ses hızına bölümü) de Mach sayısına eşit sayılarda deney yapmak gerekir Maket 1/10 oranında küçültülmüşse, sesaltı hızlar için aynı hava ağdalılığında deney hızı,gerçek hızdan 10 kat büyük olmalıdır

Gerçekten,





Sesüstü hızlar için maket deneyleri, Laval boruları da denilen (1913'te ölen İsveçli bir mühendisin adından) yakınsak-ıraksak borularla donatılmış hava tünellerinde yapılır






Mach sayısı, havanın akış hızı ile bu hava içinde sesin ulaştığı hız arasındaki v/V oranına eşittir Aşın sesüstü hızlardaysa (Mach sayısı 5'i geçtiğinde) benzeşme parametresi M'ye eşit olur Ses-ötesi hızlarda (Mach= 1 dolayında) deneylerin gerçekleştirilmesi daha güç olduğu için, aerodinamikte, sesaltı, sesötesi, sesüstü ve aşırı sesüstü hızlarda farklı olaylar ortaya çıkar

Sesaltı hızlarda (M <0,7 için), hava akış yönüne dik doğrultuda ölçülen direnç güçleri, hava hızıyla ve profil yüzeyiyle doğ
ru orantılıdır Bu güçler sistemi, bir R bileşkesi ve bir M momentiyle gösterilebilir







Hava tünelinde, bir profil çevresindeki hava akımı incelenirse, profilin ilk bölümünde ve "sınır tabaka" denilen belli bir kalınlık üstünde tabakalı bir akım gözlemlenir Söz konusu akımda, hava akıntı çizgileri birbirine koşuttur; hızlanysa, profil başında akım hızının altına düşer

"Geçiş noktası" denilen bir noktadan başlayarak, burgaçlı bir akım rejimi ortaya çıkar ve ilerlemeye karşı koyan sürtünme güçlerinin kökenini oluşturur Ayrıca, profil boyunca etki yapan statik basınçlar incelenirse, profilin üst kesiminde düşük basınçla, alt kesimindeyse yüksek basınçla karşılaşılır Söz konusu düşük basınç ile yüksek basıncın ortak etkisi, kaldırma gücünün kaynağını oluşturur
Profil üstüne hava demetinin geliş açısına göre kaldırma ve sürtünme katsayılarının aldığı değerler, genellikle "kutup eğrisi" denilen eğriler üstünde gösterilir Söz konusu eğriler üstünde, kaldırma gücünün belli bir geliş açısı ötesinde ansızın
düştüğü, sürtünmeninse büyümeyi sürdürdüğü gözlenebilir Bu olay pilotların çok iyi bildiği hava boşluğu olayıdır

Eğrinin başlangıcından teğet geçen doğrunun eğimine "profilin inceliği" denir ve değme noktasındaki geliş açısı, en ekonomik uçuş açısını gösterir Bu yüzden, sesaltı uçuşlarda çok ince kanat profilleri kullanmak yararlı olur Öte yandan, kaldırma gücü, ne kadar yüksek olursa, uçak o ölçüde düşük hızlarda uçabilir, dolayısıyle daha kısa pistlere inebilir Sınır tabakalarının üflenmesi ya da emilmesi yoluyla sağlanan üstün tutunma düzenekleri, profil boyunca burgaçlı rejimin ortaya çıkışını geciktirir ve kaldırma/sürtünme oranının yükselmesini sağlar __________________

Ses hızına yaklaşıldığında, sesötesi alanına girilir;

Hava akımı profil boyunca, akış hızına yeniden ulaşmak için, en kalın bölge yakınlarında kısa sürede hızını artırma eğilimi gösterir ve ses hızını aşabilir Ses hızını aşma olayı, kritik bir mach sayısına ulaşıldığında ortaya çıkar;

Profil inceldiği ölçüde M = 1'e yaklaşan bu sayı, genellikle M = 0,8 dolayındadır Böyle bir hız ardından bir şok dalgası doğar ve sıcaklıkları, basınçları, hızlan farklı iki bölge oluşur

Söz konusu bölgelerde dalga sürtünmesinden kaynaklanan apansız bir sürtünme artışı ortaya çıkar Hız M = I düzeyini geçtiğinde, ilk şok dalgas: profilin kuyruğuna doğru yer değiştirir ve hücum kenarının hemen önünde, ikinci bir şok dalgası doğar
Bu evrede sürtünme artarken, kaldırma gücü düşmeye başlar; ayrıca itme merkezi, profilin kuyruğuna doğru yer değiştirir M= 1,1'e yaklaşıldığında sürtünme düşer ve sesüstü eşiği bölgesinden çıkılır



Aşırı sesüstü hızlarda ( M = 5 üstünde) en önemli sorun, kinetik ısınmadır

Bu hızlarda, şok dalgaları konisinin açıklığı çok küçüktür;
Ayrıca, uçağın önünde yer alan koni yükselir
Aşırı sesüstü alanı, 80 km yükseltinin üstünde yer alır
Bu yükseltide moleküllerin ortalama serbest yolu ile sınır tabakanın kalınlığı arasındaki oranın küçüklüğü nedeniyle, hava akımı profil üstünde kayar
120 km'den sonra, serbest molekül akımı bölgesine girilir:

Bu bölge için belirlenen en iyi profil, parabol biçimindeki profildir Havanın seyrelmesi gözönüne alındığında, söz konusu yükseltide, aerodinamik yüzeylerin uygulama açısından önemi kalmaz