Uçaklar Nasıl Uçar serimizin bu yazısında Lift verimi konusunu ele alacağız. Yazımıza başlamadan önce bu serinin önceki yazısını okumak için Drag Kuvveti linkine tıklayabilirsiniz. Ayrıca uçaklar hakkında bazı terimlere aşina olmanız için Uçakların Terminolojisi ve Mach Sayısı, Basınç ve Pitot Tüpü ilgili yazılara göz atabilirsiniz.
Bir kanadın induced power ihtiyacının sabit bir ağırlık için hızın tersi ile orantılı olarak, sabit bir hız için ise ağırlığın karesi ile orantılı olarak değiştiğini gördük. Ancak kanat tasarımının induced power gereksinimini nasıl etkilediği merak edilebilir. Başka bir deyişle, kanadın lift verimi nedir? Lift verimi, belirli bir lift miktarını üretmek için gereken induced power miktarı ile ilgilidir. Induced power ne kadar düşükse, verimlilik de o kadar yüksek olur. Bir kanadın verimini artırmanın en bariz yolu, kanat tarafından yönlendirilen hava miktarını artırmaktır. Daha fazla hava yönlendirilirse, aynı lift miktarını üretmek için havanın dikey hızı ve dolayısıyla induced power azalır. Bu ise, kanadın boyutunu artırarak mümkün olabilir.
Upwash ve Downwash’ın Verime Etkisi
Bir kanadın induced power gereksinimine bir diğer önemli katkı, upwashtan kaynaklanan ekstra yüktür. Kısaca, upwash, genel bir havacılık uçağı için kaldırma kuvvetinin yüzde 20’si düzeyinde ek bir yükü uçak kanadına yükler. Bu ek yük, en boy oranı arttıkça azalır. Bu konu, zemin etkisi bölümünde tartışılacaktır.
Bir kanadın toplam verimliliği göz önüne alındığında, parasitic power (veya parasitic drag) da dikkate alınmalıdır. Bir kanadın parasitic power miktarı, kanadın alanıyla orantılıdır. Bu nedenle, parasitic powerın hakim olduğu seyir hızları için, induced power miktarını azaltmak için kanat alanının ne kadar artırılabileceği konusunda bir sınır vardır. Özellikle daha uzun hale getirerek, kanat alanını artırmanın ek sorunları vardır. Birincisi, büyük kanatların ağır olması ve uçağın ağırlığını artırmasıdır. İkincisi, uzun kanatların yapısal olarak kısa kanatlar kadar güçlü olmamasıdır. İki kanat aynı alana sahipse, daha zayıf olsa da, daha az upwash yükü nedeniyle daha uzun olan en verimli olacaktır.
Planörler, induced powerın hakim olduğu hızlarda uçarlar. Bu nedenle yüksek performanslı planörlerin uzun kanatları vardır. Şekilde, 60: 1 süzülme oranına sahip bir planör görülmektedir. Bu, hareketsiz havada, kanadın güç sağlamak için indiği her 1 metre için 60 metre yatay olarak hareket ettiği anlamına gelir. İniş yapmadan uzun mesafeler uçması gereken deniz kuşlarının optimum verimlilik için yüksek en-boy oranına sahip kanatlara sahip olması ilginçtir.
Çoğu hızlı uçağın kanatları daha kısadır. Bunun bir istisnası, 55.000 ft (16.700 m) üzerinde 460 mil / sa (740 km / sa) hızla uçan U-2 casus uçağıdır. U-2, çalıştığı aşırı yüksek irtifalar nedeniyle uzun kanatlara sahipti. Havanın düşük yoğunluğu nedeniyle, induced power, seyir hızında önemlidir.
Verimlilik Fiziği
Şimdi liftin verimliliği ile ilgili fiziğe bakalım. Bu, helikopterlerin neden sabit kanatlı uçaklardan daha az verimli olduğunu ve tahrik sistemlerinin verimliliğini neyin etkilediğini anlamamıza yardımcı olacaktır. Dikkate alınması gereken ilk nokta, lift kuvvetini oluşturan kuvvetin, her seferinde havaya aktarılan momentumla (m*v, burada m havanın kütlesidir ve v dikey hızdır) orantılı olmasıdır. Böylece, ya daha fazla kütlenin ivmesi ya da havanın daha yüksek bir hıza çıkması, üretilen lift miktarını artıracaktır. Elbette lift, istenendir ve son üründür.
Tüketilen induced power, havaya verilen kinetik enerji miktarı (1⁄2mv2) ile orantılıdır. Belirli bir lift miktarı için tüketilen enerji en aza indirilmelidir. Yani, en az induced power için istenen lift miktarını üretmek istiyoruz. Bu nedenle, m’yi olabildiğince büyük yapmak ve v’yi olabildiğince küçültmek gerekir. Maksimum lift verimliliği için, büyük miktarda havayı olabildiğince düşük bir hızda hızlandırmak gerekir. Bu, havaya verilen en az enerji ile istenilen lift miktarını üretmeyi mümkün kılar.
Bir helikopterdeki rotorlar uçağın ağırlığına göre oldukça küçük olduğundan, ihtiyaç duyulan lift kuvvetini üretebilmek için nispeten küçük bir miktardaki havayı yüksek bir hıza (yüksek kinetik enerji) hızlandıracak şekilde çalışırlar. Bu verimsizdir. Bir uçağın neden pervanesine “asılamadığını” (pervanesini bir helikopter gibi kullanarak dik bir şekilde uçamadığını) anlamak için benzer bir argüman kullanılabilir. Motor, kanatlarla uçağı kaldırmak için yeterli güç üretiyor olsa da, pervane, gerekli lift kuvvetini tek başına üretmek için çok yüksek bir hızda çok az havayı hızlandırır.
Şekilde gösterilen Bell-Boeing V-22 Osprey tilt-rotorlu bir uçaktır ve pervanelerini bir helikopter gibi kullanabilir. Pervaneler veya prop-rotorlar, büyük miktarda havayı yönlendirerek, motorların yatay uçuş için ileri doğru döndürülmeden önce uçağın yerden dikey olarak kalkmasını sağlamak için yeterli itki üretmesini mümkün kılar.
Lift Power Gerektirir
Bazen bir kanadın lift üretmek için kanat arkasında net downwash oluşturmadan çok az powera ihtiyaç duyabileceği gibi yanlış bir kanıyla karşılaşılabilir. Bu yanlış anlamayı anlamak kolaydır. Aerodinamikteki birçok hesaplamada hesaplamalar iki boyutlu kanat profilleri ile yapılır, bunlar aslında sonsuz kanatlardır. Bu, sonsuz bir kanadın hesaplanması sonlu bir kanattan çok daha kolay olduğu için yapılır. Yönlendirilen hava miktarı alanla birlikte arttığı için, sonsuz bir kanat, kaldırma kuvveti oluşturmak için sonsuz miktarda havayı sıfır hızda yönlendirir ve bu nedenle sonsuz verimlidir. Downwashın net dikey hızı sıfırdır. sonsuz kanat, kaldırma kuvveti sağlamak için hiç powera ihtiyaç duymaz. Tabii ki, gerçek bir üç boyutlu kanat için bu durum gerçek değildir.