Kanat Geometrisi: Açıklık Oranı, Uç Girdapları ve Sivrilen Kanat

Önceki adımda indüklenmiş sürüklemenin kaldırmanın bedeli olduğunu ve kanat ucu girdaplarıyla ilgili olduğunu gördük. Aynı kaldırmayı daha az indüklenmiş sürüklemeyle üretmenin yolu, kanadın biçimindedir.

Kanadı tanımlayan sayılar

NASA’nın kanat geometrisi sayfasındaki tanımlarla:

• Açıklık (b): Bir kanat ucundan diğerine olan mesafe.
• Kiriş (c): Hücum kenarından firar kenarına olan mesafe. Kanat sivriliyorsa kökte ve uçta farklıdır.
• Kanat alanı (S): Kanadın üstten görünen alanı.
• Açıklık oranı (AR): AR = b² / S. Dikdörtgen bir kanatta bu, açıklığın kirişe oranına eşittir.
• Sivrilme oranı (λ): Uç kirişinin kök kirişine oranı.

Örneğin açıklığı 140 cm, kirişi 25 cm olan dikdörtgen bir kanadın alanı 35 dm², açıklık oranı 140² / 3.500 = 5,6’dır. Tipik eğitim modellerinde açıklık oranı 5–7, planörlerde 12–20 ve üzeri olabilir.

b (açıklık)DikdörtgenSivrilen (uç/kök ≈ 0,4)EliptikAR = b² / Sdüşük basınçAşağı akış (downwash)Kanat ucu girdabıKanat ucu girdabıyüksek basınçlı hava uçtan üste dolanırArkadan görünüş

Uzun ve ince kanat neden daha verimlidir?

İndüklenmiş sürükleme katsayısını hatırlayalım: Cᴅᵢ = Cʟ² / (π · e · AR). Açıklık oranı paydadadır. Diğer her şey aynıyken açıklık oranını iki katına çıkarmak, indüklenmiş sürüklemeyi yarıya indirir.

Bunun fiziksel açıklaması kanat ucu girdaplarındadır. Kanat ucunda alttaki yüksek basınçlı hava üste dolanır. Uzun ve ince bir kanatta uçlar, kanadın toplam alanına göre küçük bir bölgedir; girdabın etkilediği kısım kanadın daha küçük bir payıdır. Planörlerin, uzun menzilli uçakların ve insansız gözlem uçaklarının uzun kanatları bu yüzdendir.

Bedeli de vardır: Uzun ve ince kanat daha ağırdır, daha fazla eğilir ve yatış hareketine daha yavaş tepki verir. Akrobasi modellerinin kısa ve geniş kanatları da bu yüzdendir.

Eliptik dağılım ve sivrilen kanat

Kaldırmanın kanat boyunca nasıl dağıldığı da önemlidir. Teori, belirli bir açıklık ve kaldırma için en az indüklenmiş sürüklemenin eliptik bir kaldırma dağılımıyla elde edildiğini söyler; NASA’nın denkleminde bu durum e = 1’e karşılık gelir.

Eliptik kanat planı yapmak zordur. Neyse ki sivrilen (uca doğru daralan) bir kanat, eliptik dağılıma çok yaklaşır. Prandtl’ın taşıyıcı çizgi teorisiyle yapılan hesapta, açıklık oranı 6 olan bir kanatta:

• Dikdörtgen kanat (λ = 1): e ≈ 0,95; eliptiğe göre yaklaşık %5 fazla indüklenmiş sürükleme
• Sivrilen kanat (λ ≈ 0,4): e ≈ 0,99; fark yaklaşık %1

Kanat ucu nerede stall olur?

Kanat planı, stall’ın kanadın neresinden başlayacağını da belirler. Dikdörtgen kanatta kanat ucunda yerel kaldırma katsayısı düşüktür; stall önce köke yakın başlar. Kanatçıklar (aileron) dışarıda olduğu için stall sırasında bile etkili kalır. Bu, eğitim uçakları için istenen bir özelliktir.

Çok sivri bir kanatta ise yerel kaldırma katsayısı uca doğru artar; stall uçtan başlayabilir. Bir kanat ucu diğerinden önce stall olursa uçak o tarafa aniden yatabilir ve kanatçıklar etkisini yitirir. Bu yüzden sivrilen kanatlarda uç kesiti genellikle kökten birkaç derece daha düşük açıyla takılır (burulma, “washout”).

Kanat ucu cihazları

Kanat ucundaki dikey kanatçıklar (winglet), uç girdabını zayıflatarak indüklenmiş sürüklemeyi azaltır. NASA’nın geliştirdiği bu fikir bugün birçok yolcu uçağında kullanılıyor. Model uçaklarda da görülür; ancak etkisi kanat açıklığını biraz artırmakla benzer olabilir, bu yüzden her tasarımda kazanç sağlamaz.

Kendin dene

Kanat açıklığını, kök kirişini ve uç/kök oranını değiştirin. Mavi çubuklar kanat boyunca kaldırmayı, kesikli çizgi aynı toplam kaldırmadaki eliptik dağılımı gösterir. Uç/kök oranını 1’den 0,4’e indirin, sonra 0,2’ye: Kırmızı işaretin (stall’ın ilk başladığı yer) kökten uca doğru nasıl kaydığını izleyin.

Bir sonraki adım

Kanadın biçimini ve sürüklemeyi gördük. Bir sonraki adımda uçağın neden kendi kendine düzeldiğini, yani kararlılığı konuşacağız: Dihedral ve kuyruk bu işte nasıl rol oynar?