Havacılıkta Kompozit Malzemeler ve Hafifletme Teknolojileri

Havacılıkta kompozit malzemeler ve hafifletme teknolojileri, modern hava araçlarının yapısal ağırlığını azaltırken mekanik performansını ve yakıt verimliliğini artırmayı hedefleyen mühendislik disiplinidir. Kompozit malzemeler, iki veya daha fazla makroskobik^【1】 fazın bir araya getirilmesiyle elde edilen, bileşenlerinin hiçbirinde tek başına bulunmayan üstün özelliklere sahip yapay malzemelerdir. Havacılık sektöründe ağırlığın azaltılması, doğrudan doğruya karbon emisyonlarının düşürülmesini ve menzilin artırılmasını sağladığı için bu teknolojiler modern uçak ve uzay aracı tasarımlarının merkezinde yer almaktadır.

• Havacılığın öncülerinden Wright Kardeşler de dahil olmak üzere ilk uçaklar, doğası gereği doğal bir kompozit olan gergin kumaşlar (keten) ve çelik teller kullanılarak üretildi. Malzeme seçimi tamamen o dönemin mevcut en hafif ve esnek malzemeleri üzerinden şekillendi. Yapısal dayanımları düşüktü ve hava koşullarına karşı oldukça dayanıksızlardı.

• I. Dünya Savaşı sonrasında, duralüminyum^【2】 gibi hafif alüminyum alaşımlarının geliştirilmesiyle uçaklar tamamen metal yapılara (monokok gövde^【3】) dönüştü. II. Dünya Savaşı sırasında, 1940'ların başında cam elyafı (fiberglas) keşfedildi. İlk olarak uçakların radar kubbelerinde elektromanyetik geçirgenliği ve hafifliği nedeniyle kullanılmaya başlandı.

• 1960'ların ortalarında yüksek mukavemetli karbon fiber ve bor fiberleri geliştirildi. Bu malzemeler çelikten kat kat güçlü ancak alüminyumdan çok daha hafifti. Askeri havacılıkta ilk olarak F-14 ve F-15 gibi savaş uçaklarının kuyruk dikmeleri ve kontrol yüzeylerinde bor ve karbon fiber kompozitler ilk kez yapısal olarak denendi.1965'de DuPont tarafından geliştirilen Kevlar yüksek darbe dayanımı gerektiren bölgelerde (motor grenajları, kargo bölmeleri) yerini aldı.

Kevlar

• Kompozitler artık sadece kanatçık gibi küçük parçalarda değil, yük taşıyan ana yapısal elemanlarda kullanılmaya başlandı. Airbus A310 (1983) dikey stabilizatöründe karbon fiber kullanarak sivil havacılıkta bir ilki gerçekleştirdi. Ardından gelen Airbus A320 ailesinde kuyruk yapısının tamamı kompozit olarak üretildi. B-2 Spirit hayalet bombardıman uçağı gibi askeri projeler ise tamamen gizlilik ve hafiflik odaklı kompozit gövdelerle tasarlandı.

• Malzeme bilimindeki ilerlemeler sayesinde uçakların boş ağırlığının %50'sinden fazlasını kompozitlerin oluşturduğu bir döneme girildi. Gövdesinin ve kanatlarının %50'si karbon laminat ve sandviç yapılardan oluşan ilk ticari uçak oldu. Alüminyum tasarımlara kıyasla %20 ağırlık tasarrufu sağladı. Ağırlıkça %53 oranında gelişmiş karbon fiber takviyeli polimer kullanılarak üretildi. Bu dönemde hafifletme teknolojileri sayesinde yakıt tüketiminde %20 ila %25 arasında verimlilik artışı sağlandı.

• Geleneksel termoset (fırınlama gerektiren) reçinelerin yerini, geri dönüştürülebilen, daha hızlı üretilen ve darbe dayanımı daha yüksek olan termoplastikler (PEEK, PEKK) almaya başladı.Yapay zeka destekli yazılımlarla parçaların sadece yük taşıyan kısımlarına malzeme yerleştiriliyor (topoloji optimizasyonu). Bu tasarımlar titanyum veya yüksek dayanımlı alüminyum tozlarıyla 3D yazıcılarda basılarak, geleneksel yöntemlere göre %40-50'ye varan oranlarda hafifletiliyor.
• Drone'lar ve elektrikli dikey iniş-kalkış yapabilen (eVTOL) hava araçları, batarya ağırlıklarını dengeleyebilmek için neredeyse %100 karbon fiber gövde tasarımlarına bağımlı hale geldi.

STM'e ait VTOL bir İnsansız Hava Aracı

• İlk tamamen sentetik plastik olan Bakalit'i (Bakelite) keşfetti. Modern kompozitlerin temelini oluşturan sentetik reçine (polimer) teknolojisinin atası kabul edilir. Onun açtığı yol, daha sonra cam ve karbon fiberleri bir arada tutacak olan termoset reçinelerin gelişmesini sağlamıştır.

• Erimiş camı ince lifler haline getirerek ticari anlamda ilk cam elyafını (Fiberglas) ürettiler. II. Dünya Savaşı sırasında uçakların radar kubbesi yapılarında ve hafif iç mekan panellerinde kullanılan ilk modern kompozit malzemenin doğuşunu sağladılar.

• Dünyada kırılma mekaniği ve kompozit malzemelerin gerilme analizi denildiğinde akla gelen ilk isimlerden biridir. Lehigh Üniversitesi'nde uzun yıllar profesörlük yapmıştır.Kompozit malzemelerin en zayıf noktası, tabakaların birbirinden ayrılması (delaminasyon) ve çatlak ilerlemeleridir. Geliştirdiği çalışmalarda uçaklarda kullanılan kompozit yapıların ne kadar yüke dayanabileceğini hesaplamak için dünya genelinde havacılık mühendisleri tarafından halen temel kaynak olarak kullanılmaktadır.

• PAN (poliakrilonitril) bazlı ticari olarak üretilebilir ve yüksek mukavemetli karbon fiber üretim yöntemini geliştirdi. Bugün uçak gövdelerinde, kanatlarında ve İHA'larda kullanılan ticari karbon fiberlerin %90'ından fazlası halen William Watt'ın geliştirdiği PAN bazlı bu yöntemle üretilmektedir.

• Amerikalı efsanevi uçak tasarımcısı. Tamamen kompozit malzemelerden üretilen ve hiç yakıt ikmali yapmadan dünyanın etrafını turlayan Voyager uçağını ve ilk özel uzay aracı SpaceShipOne'ı tasarladı. Büyük havacılık şirketleri henüz yolcu uçaklarında kompozit kullanmayı denememişken, Rutan deneysel ve sivil uçak tasarımlarında kompozitlerin metale göre ne kadar radikal bir ağırlık avantajı sağladığını dünyaya kanıtlayan kişi oldu.

• ürk mühendisleri, Airbus A350 XWB uçaklarının en kritik kompozit parçalarından olan kanatçık tasarımlarını ve üretimini TUSAŞ çatısı altında gerçekleştirerek dünyaya ihraç etti. KAAN (MMU), ANKA-3, AKSUNGUR ve GÖKBEY gibi hava araçlarının gövde tasarımlarında Türk mühendisler, uçağın radarda görünürlüğünü azaltan ve gövdeyi inanılmaz derecede hafifleten karbon fiber sandviç yapıları ve ileri kürlenme (Autoclave) teknolojilerini tamamen yerli imkanlarla optimize ettiler.

TUSAŞ'a ait KAAN Milli Muharip Uçağı

• İnsansız Hava Araçları (İHA/SİHA) özelinde hafifletme teknolojilerini en agresif ve verimli şekilde uygulayan ekiptir. Bayraktar TB2, AKINCI ve KIZILELMA gibi platformlarda, gövde ağırlığını minimumda tutarak daha fazla mühimmat ve yakıt taşıyabilmek adına neredeyse %90'a yakın karbon fiber takviyeli polimer (CFRP) yapılar kullanılmıştır. Malzeme seçimi, kalıplama ve hafif sandviç panel geometrileri konusundaki pratik ve hızlı üretim çözümleri, dünya İHA literatüründe doktrin değiştirmiştir.

BAYKAR'a ait BAYRAKTAR TB2 İnsansız Hava Aracı

Havacılık ve uzay mühendisliğinde bir hava aracının ağırlığını azaltmak, sadece daha hafif bir uçak yapmak anlamına gelmez; uçağın aerodinamiğinden ekonomisine, ömründen çevresel etkilerine kadar tüm denklemi değiştiren zincirleme bir etki başlatır.

• Bir uçakta sağlanan her 1kg'lık hafifleme uçağın ömrü boyunca tonlarca yakıt tasarrufu anlamına gelir. Örneğin ticari bir yolcu uçağında ağırlığın %20 azaltılması, yakıt tüketiminde yaklaşık %10-12 civarında kalıcı bir düşüş sağlar Daha az yakıt tüketimi karbon ve azot emisyonlarının doğrudan azalmasını sağlayarak havayolu şirketlerinin yeşili koruma kurallarına ve karbon vergisi standartlarına uyumunu kolaylaştırır.

Hafifletme teknolojileri uçağın Maksimum Kalkış Ağırlığı limitleri içinde mühendislere çok değerli bir esneklik alanı açar

• Yapısal ağırlıktan kısılan her kilogram, uçağa ya daha fazla yakıt ya da daha fazla yolcu/mühimmat olarak eklenebilir. Aynı yakıt miktarıyla daha uzak kıtalara kesintisiz uçuş ve menzil artışı yapılabilir veya uçak başına daha fazla kargo taşınarak sefer başına gelir artırılır. Havada kalış süresi radikal şekilde uzar. Bir İHA'nın karbon fiber gövde sayesinde hafiflemesi onun havada 5 saat yerine 24 saat kalabilmesini veya daha ağır kameralar ve mühimmatlar taşıyabilmesini sağlar.

Korozyon ve metal yorgunluğu riskinin minimuma inmesi, uçakların hangarda kalma ve ağır bakım sürelerini uzatır. Bu da havayolu şirketleri için devasa bir işletme maliyeti avantajıdır.

Askeri havacılık özelinde hafifletme amacıyla kullanılan karbon fiber bazlı kompozitlerin radar dalgalarını emme veya iletme özellikleri, alüminyum gibi yansıtıcı metallere göre çok daha avantajlıdır. Geometrik topoloji optimizasyonu ile birleştiğinde uçağın radar kesit alanını (RCS) düşürmek çok daha kolay hale gelir. Örnek olarak BAYKAR'a ait Bayraktar KIZILELMA İnsansız Savaş Uçağını verebiliriz.

BAYKAR'a ait Bayraktar KIZILELMA İnsansız Savaş Uçağı