SWIFT koşarak havalanılan, yüksek performanslı bir planördür. Tasarımı deltakanadın bazı kullanışlı özellikleriyle, planörün süzülüş performansının bir kombinasyonudur. Deltakanat gibi havalanır ve iner. Yüksek hızlarda istisnai performansını hala korumaktadır. Lift/Drag oranı 25:1 'e erişmiştir. Aerodinamik kontrol ve flaplarıyla, airframe yapısına sahip bir rijit kanattır. Yaklaşık 100 lbs ağırlığı ile bir arabayla kolaylıkla taşınabilir. Bu yazı, çok hafif planörün tasarım, yapı ve uçuş testlerini özetlemektedir.
TASARIM GEÇMİŞİ
Swift farklı uzmanlıktaki 2 çalışma grubunun ve 2 projenin aynı amaçlarla biraraya gelmesini temsil eder. 1986 haziranında Brian Robbins, Craig Catto ve Eric Beckman'nın, yeni ve daha performanslı deltakanat yapımına başlamıştır. BrightStar deltakanat olarak Brian ve Eric, Craig'in yardımıyla Odyssey adlı rijit kanadı geliştirmeye başladılar. Odyssey kanadında şekillendirilmiş fiberglas, aliminyumla birlikte kevlar ve karbon fiber ve köpük omurgayı destekleyen myler yelkenbezi kullanılıyordu. İlk prototip Mart 1986'da tamamlandı. Uçuş programı ve araç tabanlı testleriyle geliştirilmesi takip eden 2 yıl boyunca devam etti. Brian Porter takım pilotu olarak 1988'de BrightStar'a katıldı ve kanadıyla 1989'da California Dunlap'ta yapılan Ulusal Deltakanat Şampiyonasında 1. lik aldı. Bu başarıya rağmen yüksek performanslı rijit kanatların gelişiminde tamamlanması gereken birçok unsur daha vardı.
BrightStar'ın güneyinde,2 saat uzaklıkta Stanford Üniversitesinde, 1985'ten beri bazı hedefleri Odyssey Projesi ile aynı olan çok yüksek performanslı bir planör üzerinde tasarım calişması yapılıyordu. Havacılık mühendisliğinden Prof.Ilan Kroo Stanford Üniversitesini başlangıç tasarımı işini ders haline getirmeleri için ikna etti. Hemen ardından da bir avuç zavallı öğrenci bir ton bilgisayar yazılımı hazırlamak ve makale yayınlamak zorunda kaldılar ve bu calisma esnasında da yeni fikirler geliştirdiler. Yapılan hesap kitabın etkileyici olmasına ve tasarımın da üzerinde en çok çalışılan ve analiz edilen planör olmasına rağmen zaman ve yapım için gereken kaynaklar kısıtlıydı ve Stanford'un SWIFT tasarımı sadece akademik bir deneyim gibi kalmıştı.
Stanford doktora öğrencilerinden biri olan Steve Morris, sonradan beşli olacakları Brian Porter ve Brian Robbin'le buluştu ve Odyssey, SWIFT ve Brian'ın annesinin pizzası hakkında tartışmak üzere Brian Robbin'le evinde toplandılar. Brian, Prof.Ilan ve Steve'nin Odyssey'in aerofil yapısını geliştirilebileceklerini, Ilan ve Steve'de deltakanadın kontrolünde ilerleme için aerodinamik kontrolleri deneyebileceğini düşünüyorlardı. Brian'ın Odyssey'den bahsetmesi ve Ilan'ın da aerodinamik tasarım seçenekleri tanımlamasıyla beraber tamamıyle radikal bir tasarımın mümkün olduğu ve Brian'ın bunu yapabileceği anlaşıldı. 4 ay sonra Aralık 1989'da Marin Country'deki küçük bir tepeden havalandı.
Resim 1 : İlk Prototip
Aerodinamik Tasarım
Boyut ve Performans Limitleri
Swift'in dizaynı, seyrüsefer süzülüşler için gerekli şartlar üstünde yapılan çalışmalarla başladı. İlan 1982 yılına hang glider magazinde yazdığı makalede, Dick Johnson tarafından ölçülen termal ve intertermal dağılımlarını baz alarak , daha uzağa yapılabilecek seyrüsefer uçuşları için ne tip bir tür planörlere ihtiyaç duyulduğunu tanımladı. Bu çalışmayla varılan sonuçlardan birisi de bu tip bir seyrüsefere ulaşabilmek için en az 15 ila 18 arasında bir süzülüş oranı ve 0.5 knot çöküş hızına sahip olmak gerekiyordu. O zamanda deltakanat pilotları tarafından sadece 100 millik uçuşlar yapılabiliyordu .Bunun da sayısı bir düzine kadardı. Buna karşın günümüzde yapılan uçuşlar 300 mile yaklaşmıştır. Uçuş mesafesini kısıtlayan faktörlerden biri de deltakanadın hızıdır. Karşılaşılan kaliteli termallerin ısınma saatleriyle sınırlı , ortalama seyrüsefer hızının 20 kts'dan az olması ve bunun yanında 100 mil uçuş için 5 saate ihtiyaç duyulması nedeniyle uzun seyrüsefer uçuşları için gereken, iyi bir süzülüş oranına ve bunun yanında rüzgarüstü ve çöküş koşulları altında diğer termale daha hızlı uluşmak için daha hızlı süzülüş oranı gerekiyordu. Bu durum span genişliğini ve kanat yükü arttırılarak aşılabilirdi ancak kanadın foot launch (ayakla koşarak kalkış) tasarlanması , kanadın span genişliği ve ağırlığının daha az olmasını gerektiriyordu. Reno'da yapılan uçuşlardan elde edilen Johnson verilerinin ve barograf kayıtları üzerinde yapılan çalışmaların geliştirilmesiyle , gerekli performansa sahip footlaunch ile havalanacak kanada hemen hemen ulaşıldı. Aşağıda gösterilmiş performans rakamları ve kriterler saptandı ve kanat geometrisinin tanımlanması için çalışmalara başlandı.
Foot-Launch kanat için hedef performans 1. Minimum çöküş oranı 100 feet yarıçaplı dönüşlerde : 200 ft/dk 2. Maksimum L/D : 20:1 3. 60 kts'da L/D oranı : 15:1 4. Stol hızı : Güvenli kalkış ve inişler için mevcut kanatlar kadar stol hızı . 5. Ağırlık : 90 Ibs'den daha az. 6. Düşük hızlarda güvenli uçuşlar için istisnai bir kanat kontrolü.
4. Kriter geniş flap kullanımıyla mümkündü, kanat alanı 120 ila 140 sq.ft olarak planlanmıştı. Ancak bu tip bir yapıyla 3 nolu kriterdeki amaçlanan L/D oranına ulaşmak çok zordu. Benzersiz bir aerodinamik şekle ihtiyaç vardı. Arzu edilen performansa ulaşmak için düşük sürüklenmeye sahip bir aerofil ve son derece temiz bir kokpit tasarımı gerekiyordu. Hafif kanatlar için özellikle yüksek hızlarda , aerodinamik yapının önemi şekil 2'deki çöküş oranı polar verisi gösterilmiştir. Aşağıdaki tabloda ayrıca SWIFT için beklenen çöküş oranı ve diğer kanatlarla karşılaştırılması yapılmakta ve performans değerlerinin deltakanat sınıfının üstünde olduğu açıkça görülmektedir. 60 kts üstü hızlarda, popüler Schweizer 1-26 planörü ile karşılaştırılması da grafikte gösterilmiştir.
Resim 2. Performans Karşılaştırması
Konfigürasyon Çalışmaları
İstisnai durumlar dışında ,kanat performansı temel olarak kanadın span genişliği, alanı ve aerodinamik yapısıyla belirlenir. Biçim seçimi ise, kanat, geleneksel, kanard yapı veya kuyruksuz olmadıkça, kontrol kalitesi, paketleme, üretilebilirlik ve taşınabilirliği vs. gibi konulara dayanır. SWIFT'in geliştirilmesinde mümkün olabilen birçok biçim düşünüldü. Sonuçlarda kanard ve geleneksel planör tasarımı ile kuyruksuz tasarım arasında küçük bir miktar performans artışı görüldü. Bununla beraber geleneksel tasarım ise ,kısa kuyruk yapısından gelen, iniş ve kalkış becerisi gerektiriyordu. Kanard tasarımların yön stabilitesi zayıf, performansı ise kısa birleşimli (short coupling) tasarıma yakındı.
Kuyruksuz tasarım ise statik dengeli, kompakt ve hafifti. Kuyruksuz hava araçlarının bilinen bu dezavantajları, dikkatlice çalışılmış 3 boyutlu kanat tasarımı ile azaltıldı. kıvrım, inceltme ve bükülmüş formların kombinasyonuyla, geleneksel aerofil kesitlere göre , kullanılabilir negatif pitch momenti ile daha iyi bir aerodinami sağlandı. Trim yüzeylerinden biri olan ve span genişliğinin %45'ini oluşturan geniş flaplarla daha yüksek kaldırış sağlandı. Pitch trim sağlayan iç flap yüzeyi ise kanada ismini verdi. Swept Wing with Inboard Flap for Trim. Yani SWIFT.
Resim 3. SWIFT Planı
Stabilite ve Kontrol
38 ft'lik span genişliğindeki bir kanatla uçmayı deneyen herhangi biri kanat kontrolünün çok katı olduğunu görür. İyi bir kontrol olmadan bu performansın kullanımı pek mümkün olmaz. Foot launch kanatlarda kontrolün geliştirilmesi, bu projedeki temel amaçlardan biriydi. SWIFT'in birçok özelliği ile , stabilite ve kontrol gelişimi sağlandı. Kanat uçlarındaki kordo mesafesi, pitchi düşürmeyi sağlayarak kanadın dinamik stabilitesini ve kanadın ekstrem şartlarda devrilme tehlikesini azalttı. Bunun yanında kullanılan elevonlar ile özellikle düşük hızlardaki kontrol arttırıldı. Stol karaktersitiği de orta seviyeli inceltme (taper), yüksek verimli bükülme (twist) ve vortex yaratıcılarla geliştirilen özellikler arasında. Kanat uçlarında bulunan dikey kanatçıklar sabit yüzeyler olup rudder fonksiyonu görmez. Kanadın span genişliğini önemli ölçüde etkileyen ancak daha da önemlisi alieronlarla birlikte iyi bir sapma (yaw) momenti üretir ve dönüş kontrolünü arttırır. Aleironlar, ağırlık kaydırmayla ulaşılamayan büyük bir dönüş (roll) kontrolü sağlar. Bu yüzeylerin , kanat uçlarındaki sabit winglet (kanat uçlarındaki dikey kanatçıklar) kombinasyonu, performans kaybı ve gecikme olmadan iyi bir dönüş(roll) ve sapma (yaw) hareketi üretir. Winglet ve aleironların boyutu kanat aerodinamiğinin bilgisayar simülasyonları ve Steve ve Ilan'ın yaptığı radyo kontrollü modelin uçuş testleriyle saptandı.
Resim 4 : Stanford üzerindeki RC Modelin Fotoğrafı
Aerofil Gelişimi
Aerofil tasarımı, özellikle SVVIFT için Stanford Üniv.'den bir grup tarafından yapıldı. İlk prototip testlerinde kontrol yüzeylerindeki küçük boşluklar ve yarattığı drag sonucu, firar kenarı inceltildi. Flap ve elevonlardaki boşluklar giderilerek aerofil tekrar tasarlandı. NASA'nın bilgisayar programı ve apple Macintosh'la yapılan, aerofil kesit analizlerini saymazsak kanat yapısı ilk prototip yapılmadan test edilmedi. Kamyonet üstünde yapılan testlerle, kanat planlanan ve beklenen şekilde çalıştı ancak tam performans için daha yapılacak şeyler vardı. Aerofil yapı aşağıdaki grafikte gösterilmiştir.
Kanat Optimizasyonu
Swift'in aerodinamik tasarımının son evresinde kanat büküklüğü(tvvist), inceltmeleri(taper),flap boyutları ve saptırma oranları ve kanat alanı arasında karmaşık değiş-tokuşlar yapıldı. Bu faktörler arasında yapılan değişiklikler yüksek performans için fayda sağlarken, kanadın termal yeteneğine zarar verebilir ve stol hızını kabul edilen limitlerin üstüne çıkartabilirdi. Uzun seyrüsefer uçuşlarının bilgisayar üzerinde simülasyonu ve sayısal optimizasyon cihazı kullanılmasıyla en iyi soaring performansı için seçilen tasarımıyla, kanat üstündeki son değişiklikler tamamlandı. Bilgisayar üstünde yapılan simülasyon, termal modelleri, inter-termal çöküşü ve tasarımın kısmen tamamlanmış aerodinamik analizini içeriyordu.
Figure 5: SWIFT'in vortex ızgara modeli
Yapısal Tasarım ve İnşa
SWIFT'in yapısı, düşük ağırlık ve düşük sürüklenmeye sahip tasarımın biraraya gelmesiyle oluştu. Kanat yapısı kordo mesafesinin %25'ini kaplayan D-boru (tamamen dirsekli ve laminar akış için eksiksiz aerofil yapı) ve %75'ini oluşturan kontrol yüzeylerinden meydana geldi. Prototipler aliminyum D-Boru ve yapım süresini ve maliyetleri düşüren myler'den inşa edildi. Bu durum seri üretim versiyonlarının üretileceği kalıplara geçmeden önce tasarımı daha da iyileştirmeyi mümkün kıldı. Prototipler yaklaşık 100 pound iken (yaklaşık 50kg), seri üretimden çıkanlar Kevlar skin'leri ve grafit spar cap'leri sayesinde büyük ölçüde daha hafif olmalıydı. Swiftin taşıması gereken yük çok büyüktü. Düşük kanat yükü ve yüksek tasarım hızları yüzünden gust etkisi daha şiddetli hissedilir.Aynı zamanda FAA'in (Federal Aviation Agency) planör kriterlerine uymak için swıftin 24ft/s'lik (yaklaşık 8m/s) pozitif ve negatif dikey gust'tan VNE'ye kadar dayananım sağlaması gerekiyordu. Bu planörün maksimum hızı 60knot'un üzerinde olduğundan limit yük değeri de yaklaşık 6g'dir. Test uçuşu yapılabileceğinden emin olmak için prototiplere 5g'lik statik yük yerleştirilmişti.
Pilot kabini de tasarımda önemli noktalardan biriydi. Brian Porter'ın Voyager ve Odsyssey'deki deneyimiyle, gövde tamamen kapalı aliminyum boru kafesinden imal edildi. Pilot yerdeyken kanadı omuz kayışlarıyla kaldırıken, uçuş pozisyonunda arkaya doğru yaslanarak oturuyordu.
Uçuş ve Araç Testleri
İlk kanat Brian Robbin'in pikabına monte edildi ve toplam kaldırma gücünün ölçümü için test cihazlarıya donatıldı. Trimi ölçebilmek için stik ve elevon pozisyonları serbest bırakıldı. Bunun yanında kanat, stolun ilk başlangıcını gözlemlemek ve vortilon pozisyonunu ayarlamak için iplik kümeleriyle kaplandı. Uçuş testleri geniş flap boşuklarıyla ve küçük süprizlerle Aralık 1989'da başladı. Eric ve Brian Porter ilk uçuşlarını, Marin Country'de 50 feetlik bir tepeden gerçekleştirdiler. Elevonların yerdeki kolay ve iyi kontrolüyle birlikte kanat hafif rüzgarlarda kolayca dönüş yaptı.SWIFT, ağır kanat yüküne rağmen, kalkışı çok zor değildi. Bikaç test süzülüşü kanadın stabil ve kontrol edilebilir olduğunu gösterdi. Bu testleri, Kuzey Kaliforniya'da Mt. Tamalpais ve Ft. Funston'da yapılan uçuşlar izledi ve kanadın performans ve kontrolü hakkında daha fazla bilgi elde edildi. İlk prototip yüksek hızlarda mükemmel süzülüşe sahipti ancak düşük hızlarda flapların saptırması (flap deflection) , iyi bir deltakanadın min. çöküşünden daha iyisini yapamadı. Dönüşlere verdiği tepki çok hızlı değildi. İlk kanadı emekliye ayırarak 2. prototipin çalışmasına başladık. Yeni kanat biraz daha geniş kontrol yüzeylerine, revize edilmiş aerofil ve iyileştirilmiş winglet kesitlerine sahipti ve kanat alanı küçük bir miktar azaltıldı. Ft. Funston'daki ilk uçuşlar, büyük bir ilerleme olduğunu gösterdi. Aşağı yukarı 10 uçuş saatinden sonra tasarım bizi oldukça mutlu etti.
Swift, esnek kanatların uçuş şartları dışında, sahil yamaçları ve gerçek seyrüsefer şartları gibi çok geniş bir uçuş şartlarında kısmen de türbülanslı koşullarda uçtu ve zevkli bir uçuş sundu. Kanat performansı ve kontrolünü değerlendirmek için, kanadı gerçek seyrüsefer alanı olan Owens Vadisine aldık. Tamamiyle kapalı pilot kabini, telsiz, oksiyen, paraşüt ve suyla birlikte 300 lbs'lik ağırlığa ulaşan SWIFT'le, 10000 feetlik Horseshoe Meadows'a geldik. Pilot 10.00 da kabine geçmesine rağmen diğer pilotların kalkış yapmasına kadar bekledi. Kanat Horseshoe Meadows şartlarına göre geç bir saat olan 11'de havalandı. Sierra'nın kuzeyi boyunca uçarken geleneksel kanatların çoğunu geride bıraktı. Sadece Bishop'un güneyinde, Eric ve SWIFT vadiden White Mountains'a geçerken 1 saat önce kalkış yapan ilk deltakanadı da geride bıraktı. Boundry Peak'de devam ederken Eric'de hipoksi belirtileri başladı. (Oksijen sisteminde tıkanıklık olduğunu daha sonra farkettik). Durumundan dolayı ve son süzülüşüne başlamak için uçuşu erken bırakmaya karar verdi. Minas'a ulaştığında ise daha 14.000 feet'deydi ve çöküş için bastırıcı aramaya başladı. Bulduğu küçük bir bastırıcıyla flapları fren gibi kullanarak aşağı çekti ve indi. İlk Owens Vadisi uçuşu SWIFT yaklaşık 140 millik bir uzaklığı katetti. Footlaunch planör hayali sonunda gerçek olmuştu.
Son Yorumlar - Gelecek Çalışma
Geldiğimiz bu noktadan nereye gideceğiz ? SWIFT'in temel aerodinamik karakteristiği yeterliliğini kanıtladı.
BrightStar planörleri, sertifikasyon ve gelecek yıl kanadın üretimini planlıyor. Bu arada biz de uçuşlara ve prototip testlerine devam edeceğiz. Daha düşük ağırlık ve min. maliyet fikriyle kanadın kompozit versiyonu üzerinde çalışacağız. SWIFT yamaç paraşütünden- esnek deltakanatlara, yüksek performanslı rijit kanatlardan-geleneksel planörlere , uçuş makinalarının bir sonraki adımı olan yeni nesil footlaunch planörlerde yol gösterici ve öncü olacağına söz veriyor.
Kaynak
Stanford University,Department of Aeronautics and Astronautics
Çeviri
: Barış Yalçınkaya , 20.12.2008
.
Etiketler
SWIFT , Rigid Wing, rijit kanat, deltakanat, yelkenkanat, kuyruksuz planör, glider, tailess glider, planör, Ilan Kroo , Eric Beckman, Brian Robbins, Steve Morris, Brian Porter