3.2. Kanat

Bu kısmın amacı birçok uçakta bulunan kanat dizayn ve yapı çeşitlerinin tanıtılmasıdır.

Uçaklarda uçağı havaya kaldıran ve havada tutan en önemli yapı kanattır. Kanat hem kendini hem de uçağın tamamının ağırlığını havada taşıdığı gibi yatış, flaplarla yavaşlama gibi çeşitli farklı kuvvetlerle aldığı işler yapar. Örneğin bir yatış kumandasıyla kanatçıklar kanadı havada burkmak, kıvırmak ister. Kanada motor bağlı ise bağlantı yerlerinde çok büyük kuvvetler uygular, sarsıntılar, titreşimler olur, motorların dönmesinden dolayı burkma kuvvetleri oluşur. Havadaki girdapları kanadın ucunu aşağı yukarı (büyük uçaklarda birkaç metreye kadar) sallar. Eğer kanatlar belirli bir miktar esnek olmasaydı bütün o hava karışıkları sarsıntı olarak uçağın gövdesine yolculara aktarılacaktı. Dolayısıyla kanatlar kara araçlarındaki amortisörlerin işini de yaparlar. Kanat gövde bağlantıları bu devamlı değişen yükler nedeniyle metal yorgunluğu (fatique) ile karşı karşıya kalırlar. Bu nedenlerle genellikle uçak kanatları yarı-monokok yapıya sahiptir ve kanada gelen yükleri iç yapılar taşır.

Kanatların başka yaygın bir görevi de içlerinin yakıt deposu olarak kullanılmasıdır. Yakıt depoları ya yekpare olarak içine monte edilir ya da tüm birleşme yerleri sıvı conta ile sızdırmaz yapılıp içine yakıt doldurulur (integral fuel tank). Bu tip kanatlara "ıslak kanat" anlamında "WET WING" de denir. Yakıt depolarının içindeki pompa, boru, vana gibi ekipmanlara ulaşabilmek için de kanadın alt ve üst yüzeylerinde sökülebilir kapaklar olur. Yakıt depolarındaki su ve pislikleri boşaltmak için de "Drain Holes" isimli tahliye delikleri vardır. Hücum kenarı ve firar kenarında bulunan hareketli uçuş kontrol yüzeylerinin menteşeleri ve hareket verme mekanizmaları ile bunların pilot kabinine olan bağlantıları da kanat içinde yer alır. Tipik bir kanat şekil 26'da gösterilmiştir.

3.2.1. Kanat Yapısının Temel Özellikleri

Yarı monokok kanatlarda Sparlar kanatların ana taşıyıcı elemanıdır. Sparlar kanatta bir veya iki adet olup gövdeye dik veya açılı olarak birleşir. Sparlar genellikle ("I", "T", "Z", "[", "H", " ]", "U", "L") şeklinde olurlar. Sparları esnemelerde, eğilmelerde güçlendirmek için "flanş (flange)" olarak isimlendirilen kanadın alt ve üst yüzey kaplamasına paralel yüzeyler arasına "Stiffener" denilen destek plakaları perçinlenir. Bunlar burkularak deforme olmayı önler. Kanat kaplamasının deforme olmasını önlemek için de spara paralel "Stringer" isimli profil parçalar kanat sacına destek olurlar. Kanadın dış hava akışına uygun şeklini vermek ve bu akımın oluşturduğu basınca, kuvvetlere direnç göstermek için genellikle sparlara dik olarak kanat kesiti şeklindeki profiller kullanılır. Ağırlıklarını azaltmak için sparlarda , profillerde büyük flanşlı delikler açılır ve bu yolla hafifletilir. Bazı uçaklarda sparlar gövdenin altından veya üstünden bir bütün olarak geçerler. Bu durumda kanat parçalıdır. Kanadın içinde sparlara bağlı olarak profiller, stringer'ler, hücum ve firar kenarlarında former (şekil verici profiller) kullanılır. Üst ve alt kaplama sacı üzerine binen yük ve gerilmeleri profillere, stringerlere, former ve sparlara dağıtır ve aktarırlar. Sparlar da kendilerine gelen yükleri (yerde iniş takımlarından gelen yükleri de) gövdeye aktarırlar.

3.2.1.1. Kanat Profili

Kanada şekil vermek için ve kaplamaya gelen hava yüklerini sparlara iletmek için kullanılan kanadın enlemesine elemanlarıdır. Profiller hücum kenarından firar kenarına kadar uzanabilir. Yada flap veya kanatçık gibi elemanlara göre arka spara kadar uzayabilir. Tipik metal profiller şekil 27'de gösterilmiştir.

Düz levhaya nazaran daha büyük fines( taşıma/sürükleme ) değerinin elde edilebilmesi için geliştirilmiş olan belirli kalınlığa sahip kanat kesitlerine profil adı verilir. Şekil 28'de profil yapısı gösterilmiştir.

Profillerin geometrisini belirtmek için aşağıdaki terimler kullanılır

Hücum kenarı: Profilin hava akımını karşılayan dairesel kenarı.

Firar kenarı: Hava akımının profili terk ettiği sivri kenarı.

Veter: Profilin hücum ve firar kenarlarını birleştiren doğrudur.

Sırt: Profilin üst kenarıdır.

Karın: Profilin alt kenarıdır.

Eğrilik hattı: Vetere dik olarak çizilen doğruların, sırt ve karın arasında kalan kısımlarının orta noktalarının geometrik yeridir.

Maksimum kalınlık veya kalınlık: Profilin sırt ve karın noktaları arasında, vetere dik olarak ölçülen maksimum mesafedir.

Eğrilik: Eğrilik hattının veter doğrusuna olan maksimum mesafesidir.

Hücum kenarı yarıçapı: Profilin sırtına ve karnına hücum kenarı civarında teğet olan çemberin yarıçapıdır. Bu çemberin merkezi, hücum kenarından eğrilik hattına çizilen teğet üzerinde bulunur.

Profil şekilleri ve aileleri :

Profiller kendilerinden beklenen aerodinamik özelliklere göre çok çeşitli şekillerde olabilirler. Bunun nedeni de; eğrilik, kalınlık, maksimum kalınlığın yeri, hücum kenarı yarıçapı, ve firar kenarı açısı gibi geometrik faktörlerin profilin aerodinamik özelliklerini etkilemesidir. Ancak profiller şekil bakımından genellikle iki ana gruba ayrılırlar. Bunlara örnek şekil 29'da gösterilmiştir.

Eğri Profiller;

-Dışbükey Profiller,

-İçbükey Profiller,

Simetrik Profiller.

Yapısal olarak kanatlar:

Tek Sparlı Kanatlar (MONOSPAR)

Çok Sparlı Kanatlar (MULTISPAR)

Kanat Kutusu (BOX BEAM) olmak üzere üçe ayrılır.

3.2.1.2. Tek Sparlı Ve Çok Sparlı Kanatlar

Adından anlaşılacağı üzere tek sparlı olan kanat tek spara ve çok sparlı olan kanat birden fazla spara sahiptir. Kanat sparı kanadın boylamasına olan birincil elemanıdır. Genel olarak tüm kanatlarda asıl yük taşıyıcı yapısal eleman "Spar" olarak isimlendirilen bir çeşit kiriştir. Sparlar veter hattına dik veya belirli bir açıda olabilirler. Bazı kanatlarda tek olan spar sayısı uçağa göre iki veya daha fazla sayıda olabilir. Kanadın kaldırma kuvvetini ve diğer yükleri gövdeye sparlar aktarır ve gövde-kanat ana bağlantıları sparlar üzerinden olur. Profil (rib) ismindeki genellikle spara dik ve veter hattına paralel (geriye ok açılı bazı uçaklarda profiller sparlara dik olmayabilir) yapısal parçalar; hava akımının kanat hücum kenarına ve kanat alt yüzeyine yaptığı basıncı, kanat üst yüzeyinde düşük basınçtan dolayı oluşan kaldırma kuvvetini sparlara iletir. Profiller aynı zamanda kanat alt ve üst kaplamalarına şekil verir ve destek olurlar. Tamamı metal uçaklarda kanat yüzey kaplamaları, spar ve profiller metal iken kompozit teknolojisinin gelişmesi sayesinde önce yüzey kaplamaları kompozit yapılmış, daha sonra tamamı kompozit kanat yapımı başarılmıştır.

Tek kanatlı hafif bir uçağın kanadının yapısındaki sparlar şekil 30'da gösterilmiştir. Resimde gösterilen yapı metal veya ahşap kanatta aynı olabilir. Metal olan kanatta önemli parçalar alüminyum alaşımından, bağlantı çubukları veya destek kabloları çelikten yapılabilir. Ahşap kanatta, sadece sparlar veya hem spar hem profiller ahşap olabilir. Çekme gerilmelerini taşıyan kablolara çekme kabloları denir. Çekmeye karşı yükleri taşıyan kablolara ise çekme karşıtı kablolar denir.

Ahşap kanat sparları uçak kalitesine uygun dolu ahşap veya kontrplaktan yapılmalıdır. Ahşap sparlar şekil 31'deki gibi olabilir. Metal sparlar ise birçok çeşitte olabilir. Bu çeşitlerlerden bazıları şekil 32'de gösterilmiştir. Spar şekilleri ekstrüzyon ile imal edilebilir veya perçinle yada kaynakla birleştirilerek elde edilebilir.

3.2.1.3. Kutu Kirişli Kanatlar

Orta ve büyük uçaklarda yaygın olarak kullanılan "BOXBEAM" tipi kanatta hücum kenarı ve firar kenarında iki spar bulunur. Bu iki sparın arasında tek parça veya birden fazla parçalı, talaşlı üretimle yekpare olarak üzerine hem spara paralel, hem de spara dik yönde içerden çıkıntılı yekpare bir yapı ile büyük yükler taşıyabilen kanat kaplamaları bulunur. Bunlar birleşince güçlü bir kutu şeklinde yük taşıyıcı kiriş oluşur. Bu tip yapı şekil 33'te gösterilmiştir.

3.2.2. Kanat Gövde Bağlantıları

Kanadın gövdeye bağlantıları birçok tipte olabilir. Bu bağlantıların yapılmasına göre ve kanadın şekline göre sınıflandırmalar mevcuttur.

Kanatlar gövdeye bağlanma şekline göre iki ana gruba ayrılabilir

Kanat tasarımları iki çeşit olarak ele alınabilir. Ankastre(cantilever) ve yarı ankastre(semi-cantilever). Bu tipler şekil 34'te gösterilmiştir. Ankastre kanat tüm yapısal mukavemetini kanat içinde bulundurur ve herhangi bir dış desteğe ihtiyaç duymaz. Yarı ankastre kanat ise mukavemetini kanat içi dizaynından ve dış destek elemanlarından sağlar.

3.2.2.1. Yarı-Ankastre (Semi-Cantilever)

Kanadı hem kendi iç yapısal elemanları hem de kanadın altından gövdeye bağlı destek çubuğu destekler. Bu tip kanatlar genellikle küçük ve hafif uçaklarda ya da düşük hızda uçan üstten kanatlı uçaklarda, ağır yük taşımak amacıyla yapılmış yavaş uçak dizaynlarında kullanılır.

3.2.2.2. Ankastre (Cantilever)

Bu kanatlar gövdeye üstten, ortadan veya alttan bağlanabilir. Yarı monokok bir yapıya sahiptirler. Dışarıdan bir destek parçası yoktur. Tüm yükleri kanat içindeki yapısal parçalar ve kanat dış kaplamaları taşır. Günümüzdeki uçakların büyük bir bölümü bu şekilde kanatlara sahiptir. Bu çeşit kanat normalde yüksek performanslı uçaklarda ve yolcu uçaklarında bulunur.

Kanatlar gövdeye üstten, ortadan veya alttan bağlanabilir. Bu tip bağlantıların detaylarına girilmeyecektir. Kanat gövde bağlantıları şekil 35'te gösterilmiştir.

3.2.3. Kanadın Dış Görünüşü

Kanat gövdenin her iki tarafında, tamamen simetrik bir tarzda, önden veya arkadan bakıldığında, kök kesitiyle gövdeye ankastre bağlantılı, bir ucu serbest bir konsol kiriş tarzındadır. Kanatlar genellikle gövdeye ufak hücum açıları ile takılırlar. Buna kanat tespit açısı denir. Bu sayede uçak yatay uçuşta iken bile belli bir hücum açısı sayesinde ekstra taşıma sağlanır.

Küçük ve basit uçaklar, hızı düşük olanlar hariç yine önden veya arkadan bakıldığında kanadın kök kesitinden uca doğru inceldiği görülür. Bu incelme lineerdir. Hızı düşük ve küçük uçaklar hariç, yine önden arkaya doğru bakıldığında kanadın yatay konumda olmadığı, ekseriya yukarıya, bazen de aşağı doğru, sanki yük altında eğilmiş bir konsol kiriş gibi sarktığı görülür. Ancak tekrar etmek gerekir ki bu sarkma ekseriyetle yukarı doğrudur. Bu açının miktarı 0 ila 10 derece arasındadır. Buna dihedral açısı denir. Şekil 36'da dihedral açı gösterilmiştir. Uçağın spiral dengesi için lüzumlu bir açıdır.

Kanada kuş bakışı veya alttan baktığımızdaki görünüşü PLAN BİÇİMİ diye adlandırılır. Bu şeklin performansa önemli etkileri vardır. Şekil 37'de çeşitli plan biçimleri gösterilmiştir.

Düz Kanat ( Straight wing ): Dikdörtgen şekillidir. Perdövites hızları düşüktür. Yapımı kolaydır. Dezavantajları ise ağır olması, kanat ucunun geniş olması nedeniyle geri sürükleme kuvvetinin fazla olmasıdır. Yüksek hızlar için uygun değildir.

İki Taraftan Açılı Kanat ( Tapered wing ):Perdövites özellikleri düz kanat kadar iyi olmasa da diğer özellikleri düz kanattan daha iyidir.

Geriye Ok Açılı Kanat ( Sweptback wing ):Yüksek hızlarda özellikle ses hızının üstündeki uçuşlarda iyidir.

Üçgen Kanat ( Delta wing ):Geriye ok açılı kanat özellikleri ile aynı özelliklere sahiptir. Kanat yüzey alanları daha büyüktür. Dolayısıyla daha fazla taşıma elde edilebilir.

Elips Kanat ( Eliptical wing ):Birçok açıdan en verimli, en etkili, en hafif ve yapısal dayanımı en yüksek kanattır. Yapımı zor ve pahalı olduğundan yaygın olarak kullanılmamaktadır.

Öne Ok Açılı Kanat( Forward Swept ) :Düşük hızlardan ses üstü hızlara kadar olan tüm hız aralıklarında düşük geri sürükleme ile üstün manevra kabiliyeti sağlar. Yaygın kullanılmamasının nedeni kanat ucunun ani olarak esneme yapması ve oluşan kuvvetlerin kanadın burkulmasına ve kırılmasına yol açmasıdır. Buna sebep olan esnemenin engellenmesi için kanadın katı/sert yapılması gerekmektedir. Bu ise yapım zorluğu getirmekte ve maliyeti arttırmaktadır.

Gerek üstten bakıldığında uça doğru sivrilme ve gerekse önden bakıldığında keza uca doğru incelme mukavemet ve ağırlık bakımından mühimdir. Kanada, uçak yerde iken, hepside aşağı doğru olmak üzere şekil 38'de gösterilen ağırlık kuvvetleri etki eder. Bir kısmı yayılı bir kısmı münferit olan bu ağırlıklar kanadı aşağı doğru eğmeye çalışır ve eğer. Meydana gelen kesme kuvveti ve eğilme momenti uçlarda sıfır, kök kesitinde maksimumdur, arada yüklemenin şekline göre değişir. Buna göre kök kesiti en fazla zorlanan, buna karşı uç kesiti zorlanmayan bir kesittir. Bu bakımda bütün kesitlerin, özellikle uç ve kök kesitlerinin aynı kalınlık ve genişlikte yapılması gerekmez. Aksine kalınlık ve derinliğin uca doğru mümkün olduğu kadar azaltılması hem hafiflik hem de masraf bakımından tercih olunur.

Kanadın bir başka geometrik özelliği ve görünüş tarzı ok açısıdır. Uçuş hızının düşük mertebeleri için kanadın üstten görünüşü tam simetri eksenine diktir. Yani simetri düzleminin normali, kanadın kökünden ucuna doğrudur ve takriben kanadın simetri ekseni gibidir. Şekil 39'da ok açısı gösterilmiştir.

Tarif olarak ok açısı, kanadın üstten bakıldığında, veter çeyrek noktalarının veya hücum kenarından itibaren veter % 36 noktalarının geometrik yerinin, simetri düzleminin normali ile yaptığı açıdır. Yüksek hızlı, fakat subsonik uçaklarda ok açısı, hızın mertebesine göre 0 ila 36 derece arasında değişir. Süpersonik uçaklarda ise bu açı 60 ila 75 dereceyi bulur. Ok açılı kanadın nihai şekli delta kanattır.

3.2.4. Hafif Uçak Kanatları

Hafif uçak kanatları spar, profil ve yüzey kaplamasında oluşur. Genelde sparlar eski uçaklarda ahşaptan yeni uçaklarda ise metalden yapılmaktadır. Uçuş yüklerini karşılamak amacıyla üreticinin seçimine ve kullanılan profile göre bir veya daha fazla spar kullanılabilir. Tek spar kullanılacaksa bu spar profilinin veter hattının ortalarına yakın bir yere yerleştirilir. İki spar kullanılacaksa bunlardan biri kanadın hücum kenarına diğeri ise kanadın hemen hemen arkasına uçuş kontrollerinin önüne yerleştirilir. Şekil 40'ta spar yerleşimi gösterilmiştir.

Yakıt tankları normalde kanadın içine yerleştirilir. Yakıt tankları, sökülebilir metal, hücresel tank şeklinde yada birleşik(entegral) şeklinde olabilir.

Şekil 41'de ise hafif bir uçağın kanadı gösterilmektedir. İç kısımların ve yapının kontrolü ve servis yapılabilmesi için kanat üzerinde birçok delik ve kapı vardır. Şekil41'deki kanat ankastre kanat olduğundan kanat bağlantı tertibatları, bu tip yapıya etkiyen büyük yükleri karşılayacak mukavemette yapılmalıdır. Bu bağlantı elemanları A ve B detaylarında gösterilmiştir.

3.2.5. Sivil Nakliye Uçağı Kanatları

Yolcu uçağı kanatları spar, profil, bulkhead ve kaplama plakaları ile kanat boyunca uzanan sağlamlaştırıcı elemanlardan oluşur. Kanat yapısı geleneksel metal alaşımları ve bağlayıcılar yanında, metal olmayan kompozit yapılardan ve yapıştırılmış metal yapılardan oluşabilir.

Kanadın yapısal mukavemeti kendi ağırlığını, yakıt ağırlığını, kanada bağlanan motorların ağırlığını ve uçuş sırasında gelen yükleri taşıyabilecek şekilde sağlam olmalıdır.

Yolcu uçağı kanatları bir veya birden fazla spardan oluşur. Ana sparlar arasında orta sparlar kullanılır. Bu sparlar operasyonel yüklerin taşınmasında ana spara yardımcı olurlar. Ön ve arka sparlar; gövdeye bağlantı tertibatı, motor paylonları, ana iniş takımı ve kanada bağlı uçuş kumanda yüzeyleri için ana destekleyici yapıyı oluştururlar.

Kanadın ikincil yapısı ise kanat uçları, kanat hücum ve firar kenarlarından oluşur. Hücum kenarı profilleri, yapısal takviye elemanları, slat, slot ve hücum kenarı flapları için bağlantı noktalarından oluşan yapıya kanat hücum kenarı denir. Hücum kenarı kanadın havayla ilk karşılaştığı yer olarak ta tanımlanabilir. Firar kenarı havanın kanadığı terk ettiği noktadır ve flap, kanatçık gibi kumanda yüzeylerinden oluşur.

Kanat iç yapısı (spar, profil vb) geniş metal kaplama ile kaplanır. Bu kaplama kanat boyunca stringerlere sahiptir ve arzulanan yapısal mukavemetin sağlanmasını sağlarlar. Hücum ve firar kenarları kalıcı-tip bağlayıcılar ile birleştirilir. Kanat uçları kontrol ve bakım için sökülebilir yapıdadır.

Birçok yolcu uçağında kanat üç veya daha fazla sayıda büyük asambleden üretilir. Bunlar sol ve sağ kanat panelleri ile merkezi kanat kısımlarıdır. Bu kısımlar gövdeye bağlı kanat şeklini oluşturmak amacıyla kalıcı bağlayıcılar ile birbirlerine birleştirilir.

Gövde, motor paylonları, ana iniş takımı ve uçuş kontrol yüzeylerinin bağlantı tertibatları tolerans değerleri düşük yüzeye-uygun bağlayıcılar ile birleştirilir ve yapısal tamirler haricinde sökülemez. Yüzeye-uygun bağlayıcılar cıvata, pin veya perçindir fakat bunlar takılacağı delikten biraz daha büyük çapta olan bağlantı elemanlarıdır. Bunlar deliğe presle takılmalıdır. Bu sayede sıcaklık değişimi vb. gibi sebeplerle bağlayıcı ile bağlantı elemanı arasında açıklık kalmaması sağlanır. Tertibat ve bağlayıcı bu şekilde tek bir ünite olurlar. Modern jetlerin kanat yapısı, eski yolcu uçağı kanat yapısına benzemektedir fakat kullanılan birleştirme yöntemleri, kompozitler ve entegral yakıt tankları farklıdır. Yolcu uçağı kanadına örnek şekil 42'de gösterilmiştir.