F-104 Starfighter'ın Teknik Evrimi, Küresel Envanterleri ve Lojistik Anatomisi (Bölüm 1)

Soğuk Savaş’ın tırmanma safhasında, nükleer caydırıcılık ve yüksek irtifa önleme doktrinlerinin bir çıktısı olarak beliren F-104 Starfighter, askeri havacılıkta bir paradigma değişimini temsil eder. Lockheed tarafından geliştirilen bu platform, sadece aerodinamik sınırları yeniden tanımlamakla kalmamış; lisanslı üretim modelleri, konsorsiyum ortaklıkları ve müttefik ülkeler arasındaki yoğun ikinci el transfer trafiğiyle Soğuk Savaş’ın en büyük lojistik ve tedarik ağlarından birini kurmuştur. Türkiye ve Tayvan gibi stratejik kanatlarda yer alan ülkelerin, farklı kaynaklardan topladıkları heterojen filoları operasyonel tutma çabası, uçağın lojistik yönetim tarihini de benzersiz bir vaka çalışması hâline getirmiştir. Yazı dizimiz F-104  Starfighter uçağını hakkında derinlemesine bir bakış açısı kazandırmak istemektedir.  

1. BÖLÜM: Tarihsel İhtiyaç ve Tasarım Felsefesi

Soğuk Savaş’ın erken döneminde askeri havacılık sektörü, jet motorlarının sunduğu yüksek güç potansiyeliyle birlikte uçak tasarımlarını daha ağır, daha karmaşık ve çok rollü platformlara doğru yönlendirmiştir. Ancak Kore Savaşı (1950-1953) esnasında yaşanan hava muharebeleri, bu tasarım eğiliminin operasyonel gerçeklerle çeliştiğini ortaya koymuştur. Amerika Birleşik Devletleri Hava Kuvvetleri (USAF) pilotları, kullandıkları görece ağır ve karmaşık North American F-86 Sabre uçaklarıyla, Sovyet üretimi Mikoyan-Gurevich MiG-15'lerin üstün tırmanma, yüksek irtifa ve dikey manevra kabiliyetleri karşısında dezavantajlı duruma düşmüştür. Bu gelişmeler üzerine Lockheed firmasının efsanevi baş tasarımcısı Clarence L. "Kelly" Johnson, Kasım 1951’de Güney Kore’deki Amerikan ileri hava üslerini bizzat ziyaret ederek muharip pilotlarla mülakatlar gerçekleştirmiştir. Savaş pilotlarının ortak talebi, karmaşık sistemlerden arındırılmış, hafif, tırmanma hızı ve maksimum irtifa yeteneğiyle hızı birleştiren basit bir avcı uçağının geliştirilmesi yönünde olmuştur . Johnson, ABD’ye dönüşünün ardından Mart 1952’de Skunk Works bünyesinde özel bir tasarım ekibi kurmuştur .

Ekip, ağırlıkları 8.000 lb ile 50.000 lb arasında değişen 100’den fazla uçak konfigürasyonunu titizlikle incelemiştir. Bu çalışmaların sonucunda, yeni geliştirilen General Electric J79 turbojet motorunun etrafına inşa edilebilecek en hafif ve en aerodinamik gövdeyi hedefleyen L-246 (Lockheed Model 083) konsepti seçilmiştir. Bu minimalist yaklaşım, havacılık literatürüne "insanlı füze" (manned missile) olarak geçecek olan F-104 Starfighter’ın kavramsal temelini oluşturmuştur. Prototip geliştirme süreci büyük bir gizlilik içinde yürütülmüş ve ilk prototip olan XF-104, resmi olarak 4 Mart 1954’te Edwards Hava Üssü’nde test pilotu Tony LeVier idaresinde ilk uçuşunu gerçekleştirmiştir. Ancak bu uçuştan önce, 28 Şubat 1954'teki yüksek hızlı taksi testleri sırasında uçağın yerden yaklaşık 1.5 metre havalandığı kısa bir sıçrama kaydedilmişse de bu resmi ilk uçuş olarak kabul edilmemiştir. İlk resmi uçuş, yetersiz hidrolik basınç sebebiyle iniş takımının toplanamaması nedeniyle planlanandan kısa sürerek 21 dakikada tamamlanmıştır. Projenin gizliliği o kadar sıkı korunmuştur ki uçağa ait ilk fotoğraflar ancak uçağın ilk uçuşundan iki yıl sonra, 1956’da kamuoyuna sunulmuştur. 15 Nisan 1955’te ise ikinci XF-104 prototipi, yüksek irtifada gerçekleştirilen top atış testleri sırasında oluşan aşırı titreşimin kokpit fırlatma kapağını yerinden çıkarması sonucu kaybedilmiştir. Kabin basıncının aniden düşmesiyle pilot Herman "Fish" Salmon'un basınç giysisi aşırı şişmiş, pilotun görüşü tamamen engellenmiş ve uçağın kontrolünü kaybettiğini düşünen Salmon aşağı doğru fırlayan koltukla atlamak zorunda kalmıştır.

2. Bölüm Aerodinamik Tasarım Felsefesi 

F-104 Starfighter, Mach 2 sürat sınırını aşmak ve bu yüksek hızı sürdürülebilir kılmak amacıyla geleneksel havacılık kurallarını esneten radikal bir tasarıma sahiptir. Süpersonik uçuş sırasında oluşan hava direncini (sürüklemeyi) minimuma indirmek için uçağın gövde kesit alanı olabildiğince dar tutulmuş ve burun kısmından itibaren arkaya doğru keskin bir daralma uygulanmıştır.

Efsanevi uçak tasarımcısı Kelly Johnson, dönemin geleneksel ok açılı veya delta kanat yapıları yerine farklı bir yol izlemiştir. Rüzgar tüneli testlerinde, süpersonik rejimde en düşük dalga sürüklemesini (wave\ drag) ürettiği kanıtlanan düz, son derece ince ve kısa açıklıklı trapezoidal (yamuk) kanatları tercih etmiştir.

Kapak Fotoğrafı: Test pilotu Herman R. (“Fish”) Salmon, Rogers Kuru Gölü'nde park halindeki bir Lockheed XF-104 prototipiyle. (Lockheed Martin)

Kanat Profilindeki Ekstrem Mühendislik

Süpersonik dalga sürüklemesi, matematiksel olarak kanat kalınlığının (t) kiriş uzunluğuna (c) oranının karesiyle (t/c2) doğrudan ilişkilidir. Bu doğrultuda F-104’ün kanat profilindeki kalınlık-kiriş oranı (t/c), hem kanat kökünde hem de kanat ucunda %3.36 gibi ekstrem incelikte tutulmuştur.

-Bıçak Keskinliğindeki Kanatlar: Kanat hücum kenarı kalınlığı yalnızca 0.41 mm olup bir bıçak kadar keskindir. Bu keskinlik yer mürettebatı için ciddi bir fiziksel tehlike oluşturduğundan, hangarda ve apron işlemlerinde kanatlara özel koruyucu kılıflar takılmıştır.

-Dar Gövdeye Sıkışan Sistemler: Kanadın aşırı ince yapısı nedeniyle yakıt depoları, mühimmat sistemleri ve iniş takımları kanat içine yerleştirilememiş; tamamı uçağın dar gövdesine sıkıştırılmıştır.

-"Piccolo" (Flüt) Eyleyiciler: Kanat içindeki aileronları (kanatçıkları) kontrol eden hidrolik eyleyiciler (actuators) sadece 2.5 cm kalınlığında tasarlanmıştır. Bu ince ve silindirik şekillerinden dolayı teknisyenler arasında bu parçalara "Piccolo" (Flüt) eyleyicileri adı verilmiştir.

T-Kuyruk ve "Dutch Roll" Sorunu

Uçağın uçuş dinamiğindeki en büyük zorluklardan biri dikey kuyruk yerleşimiydi. Rüzgar tüneli testleri, yunuslama ekseninde (pitch) optimum kontrol sağlanabilmesi için stabilatörün dikey kuyruğun en tepesine monte edilmesini (T-kuyruk) zorunlu kılmıştı.

Ancak dikey kuyruğun aerodinamik yüzey genişliği neredeyse ana kanat açıklığına yakın olduğundan, dümen hareketleri uçağın gövde ekseni etrafında kontrolsüzce salınım yapmasına yol açan "Dutch Roll" (Fıçı Tono benzeri) etkisini tetikliyordu. Mühendisler bu olumsuz etkiyi sönümlemek amacıyla:

1. Kanatlara aşağı doğru eğimli bir negatif dihedral (anhedral) açısı verdi.

2. Dikey kararlılığı artırmak ve süpersonik stabilite sağlamak için de gövde altına uzunlamasına bir omurga (ventral fin) ekledi.

Yüksek Kanat Yüklemesi ve Çözüm: BLCS

Kanat alanının çok dar olması, uçağın kanat yüklemesi (W/S) değerini son derece yükseltmiştir. Buradaki formülde:

Kanat\ Yüklemesi = (W)/(S)

-W: Uçağın toplam ağırlığını,

-S: Yaklaşık 18.22 m2 olan dar kanat yüzey alanını temsil etmektedir.

Yüksek kanat yüklemesi, uçağın düşük hızlardaki kaldırma kuvvetini (lift) dramatik ölçüde düşürerek iniş ve kalkış süratlerini tehlikeli seviyelere taşımıştır. Bu yapısal zafiyeti gidermek için Sınır Tabakası Kontrol Sistemi (Boundary Layer Control System - BLCS) geliştirilmiştir. Bu sistem, motordan çekilen yüksek basınçlı kompresör havasını, flaplar 15 dereceden fazla açıldığında kanat yüzeyine üfleyerek hava akımının kanattan kopmasını engeller. BLCS sayesinde uçağın tehlikeli olan iniş hızı yaklaşık %20 oranında düşürülmüştür.

Uçağa güç veren General Electric J79 turbojet motoru, değişken kompresör statör pallerine sahip yapısıyla motor içindeki hava akışını sürekli optimize etmiş; böylece kompresör durması (compressor\ stall) riskini azaltarak uçağın Mach 2 süratte güvenle uzun süre uçabilmesini sağlamıştır.

3. Bölüm F-104 Starfighter'ın Gücü: J79 ve Tahrik Sistemlerinin Evrimi 

Lockheed F-104 Starfighter, "içinde insan olan füze" ünvanını sadece aerodinamik tasarımıyla değil, aynı zamanda döneminin en devrimci jet motoru olan General Electric J79 ile olan eşleşmesine borçludur. Yazının bu bölümü, uçağın prototiplerinde kullanılan ilk motorlardan, astronot eğitimindeki roket takviyelerine kadar F-104'ün tahrik (itki) sistemlerini incelemektedir. 

3.1. Başlangıç: Wright J65 ve XF-104

Starfighter projesinin ilk adımları olan iki XF-104 prototipi, aslında uçağın nihai motoru olan J79 için tasarlanmamıştı. J79'un geliştirme sürecindeki gecikmeler nedeniyle, bu prototiplerde İngiliz Armstrong-Siddeley Sapphire motorunun Amerikan versiyonu olan Wright J65-W-6 (7.800 lb kuru itiş) kullanıldı. Sonraki J65-W-7 varyantı ile uçak art yakıcı (afterburner) kullanarak Mach 1.79 hıza ulaşabilmişti. Ancak bu motor, uçağın gerçek potansiyeli olan Mach 2 performansını sergilemesi için yetersizdi.

 3.2. J79 Devrimi: Teknik İnovasyon 

General Electric J79, F-104'ün kaderini değiştiren ana unsurdur. J79, o dönemdeki rakipleri olan Allison J71 ve Pratt & Whitney J75'e göre daha iyi yakıt tüketimi ve daha hafif bir kuru ağırlık sunuyordu. Motorun en dikkat çekici özelliği, düşük hızlarda stall (pervane durması) problemlerini önleyen ve yüksek hızlarda maksimum verimlilik sağlayan otomatik değişken açılı statör kanatlarıydı. J79, yaklaşık 3.500 lb ağırlığında olup art yakıcı ile 15.000 lb üzerinde itiş üretebiliyordu ki bu o dönem için benzersiz bir güç-ağırlık oranıydı. 

Lockheed F-104A-5-LO Starfighter 56-742, General Electric J79 turbojet motoruyla, yaklaşık 1957-59 yılları arasında. (ABD Hava Kuvvetleri) 

3.3. Motor Varyantları ve Performans

 Uçağın farklı modelleri, artan ağırlık ve değişen görev tanımlarına göre J79'un farklı varyantlarını kullanmıştır:

-J79-GE-3/3A/3B: YF-104A ve F-104A modellerinde kullanıldı. İlk modellerde yaşanan stall problemleri, 1958'de daha güvenilir olan -3B versiyonuyla aşılmaya çalışılmıştır. 

-J79-GE-7: F-104C ve D modellerine güç verdi. Türbin çapı 2 inç artırılarak itiş gücü 15.800 lb'ye çıkarıldı.

-J79-GE-11A: NATO'nun standart modeli olan F-104G için geliştirildi. Bu motorun Avrupa'daki üretimi; BMW (Almanya), Fabrique Nationale (Belçika) ve Fiat (İtalya) tarafından lisans altında gerçekleştirilmiştir.

-J79-GE-19: Starfighter'ın en gelişmiş versiyonları olan F-104S ve modernize edilmiş ASA modellerinde kullanıldı. 11.870 lb kuru ve 17.900 lb art yakıcılı itiş gücüyle uçağın Mach 2.2 hıza çıkmasını sağladı.

3.4. Karakteristik Ses"Moose Call" (Mus Çağrısı)

F-104 motorunun pilotlar ve teknisyenler arasında efsaneleşen bir özelliği de çıkardığı sesti. Motorun motor giriş kılavuz kanatlarının hızlı pozisyon değiştirmesi nedeniyle oluşan ses, Kanada'daki pilotlar tarafından çiftleşme mevsimindeki bir Kanada Geyiği haykırışına benzetilmiş ve "Moose Call" olarak adlandırılmıştır. İniş için motor devri düşürüldüğünde ise hava tahliye kapakları üzerinden geçen hava akımı, doğaüstü bir inleme sesi çıkarırdı.

3.5. Sınırları Zorlamak

NF-104A ve Roket Motorları Starfighter'ın tahrik sistemi sadece jet motoruyla sınırlı kalmadı. NASA ve USAF'ın astronot eğitimi için kullandığı NF-104A modellerinde, dikey kuyruğun köküne yerleştirilen bir Rocketdyne AR-2 sıvı yakıtlı yardımcı roket motoru bulunuyordu. 6.000 lb ek itiş sağlayan bu sistem, uçağın atmosferin çok ince olduğu 120.800 feet (yaklaşık 36.800 metre) gibi rekor irtifalara tırmanmasına imkan tanıyordu.

 3.6. Operasyonel Zorluklar ve Güvenlik 

Gücüne rağmen J79'un erken dönemleri sancılı olmuştur. Özellikle art yakıcının kademeli değil de bir anda devreye girmesi, uçağı Mach 1'den doğrudan Mach 2.2'ye fırlatıyor ve pilotların bu hızlar arasında stabil kalmasını zorlaştırıyordu. Ayrıca, düşük irtifa uçuşlarında meydana gelen kuş çarpmaları motorun tamamen durmasına yol açıyor ve tek motorlu olan Starfighter için bu durum genellikle kaçınılmaz bir kaza ile sonuçlanıyordu. Sonuç olarak F-104 motorları, havacılık tarihinde jet teknolojisinin sınırlarını zorlayan, Mach 2 süratini rutin hale getiren ancak aynı zamanda yüksek disiplin ve uzmanlık gerektiren bir mühendislik harikası olarak yerini almıştır. 

E-5071J F-104A (Seri No: 56-0749), Edwards Hava Üssü'ndeki NASA Uçuş Araştırma Merkezi'nin (şimdiki Dryden Uçuş Araştırma Merkezi) pistinde. Uçak, alt tarafına takılı Hava Fırlatmalı Ses Roketi (ALSOR) ile birlikte gösteriliyor. NASA test pilotu Milton O. Thompson, 20 Aralık 1962'de, kanatçıkların asimetrik bir şekilde açılması sonucu jetin kontrol edilemez hale gelmesinin ardından bu uçaktan fırlatıldı. 16 Aralık 1959 NASA Fotoğrafı  

Teknik Devrim, Aerodinamik Sınırlar ve Sınır Tabakası Kontrolü

F-104 Starfighter'ın Mach 2 hız sınırını aşarak sürekli uçuş gerçekleştirebilmesindeki temel itici güç, General Electric J79 eksenel akışlı turbojet motorudur. İlk XF-104 prototipleri, J79 motorunun henüz hazır olmaması nedeniyle art yakıcısız Wright J65-B-3 motorlarıyla uçurulmuş ve bu durum uçağın azami hızını Mach 1,79 ile sınırlamıştır. Ancak J79 motorunun entegrasyonu ile teknik parametreler tamamen değişmiştir. General Electric mühendisleri, yüksek sıkıştırma oranlarında (12,2:1 ila 13,5 :1 ) kompresör pallerinin stall olmasını önlemek için yenilikçi bir çözüm geliştirmişlerdir . Bu çözüm, kompresörün ilk yedi kademesinde yönü otomatik olarak ayarlanabilir stator pallerinin (variable stator vanes) kullanılmasıydı. Bu sayede motor, çift milli karmaşık tasarımlara ihtiyaç duymadan, tek bir mil üzerinden son derece yüksek bir verimlilik ve düşük ağırlıkla çalışabilmiştir.F-104G modelinde kullanılan J79-GE-11A varyantı, kuru güçte 45kN (4535 kG ), art yakıcı (afterburner) devredeyken ise 70,28kN (7165 kG veya  yaklaşık 15.600 lbf ) itiş gücü üretmekteydi. Uçağın yakıt dahil kalkış ağırlığının yaklaşık 20.000 pound (9070 kg ) civarında olması, uçağa dönemine göre benzersiz bir tırmanma ve ivmelenme kabiliyeti kazandırarak "İçinde İnsan Olan Füze" (The Missile with a Man in It) nitelemesini haklı çıkarmıştır. Ancak bu yüksek motor performansı, sistemik sorunları da beraberinde getirmiş; nitekim şubat 1958'de ilk üretim modelleri olan F-104A uçakları J79 motorlarında yaşanan teknik aksaklıklar nedeniyle geçici olarak yere indirilmiş ve ancak J79-GE-3B motor revizyonundan sonra uçuş izni alabilmişlerdir.

Uçağın son derece küçük kanat alanı, yüksek hızlarda sürtünmeyi (drag) minimize ederken, kalkış ve iniş gibi düşük hız rejimlerinde ciddi bir taşıma kuvveti (lift) yetersizliğine neden olmaktaydı 5 . Bu kronik zaafı aşmak için uçakta Sınır Tabakası Kontrolü (Boundary Layer Control - BLC) olarak adlandırılan "Üflemeli Flap" (Blown Flap) sistemi devreye alınmıştır. "Bleed Air Supply System" (Tahliye Hava Besleme Sistemi) prensibiyle çalışan bu mekanizma, J79 motorunun kompresörünün. kademesinden yüksek basınçlı ve yüksek sıcaklıklı havayı çekiyordu.Bu sıcak hava, öncelikle birincil ısı eşanjöründen geçirilerek uçak içi iklimlendirme ve kokpit basınçlandırması için nominal 288 santigrat, yakıt tankı basınçlandırması ve transferi için ise 177 santigrat sıcaklığa soğutuluyordu.

Flaplar 'den fazla açıldığında, motor kompresöründen çekilen bu sıcak ve yüksek basınçlı hava, kanat içindeki titanyum plenum tüpleri vasıtasıyla flapların üst yüzeyine yerleştirilmiş olan milimetrik slotlardan (genişlikleri kanat akorunun %0.5 ila % 2 'si kadardı) dışarıya büyük bir hızla üfleniyordu.Coandă etkisi sayesinde flap yüzeyine yapışan bu hava tabakası, sınır tabakasını yeniden enerjilendirerek akış ayrılmasını (flow separation) engelliyor ve taşıma katsayısını (lift coefficient) yapay olarak artırıyordu. Bu sistem sayesinde F-104, küçük kanatlarına rağmen makul kabul edilebilecek iniş süratlerine ine bilmiştir. Ancak bu sıcak hava akımı kanat metalinde ciddi erozyona yol açtığı için kanatların üst yüzeyleri özel bir beyaz epoksi koruyucu boya ile kaplanmıştır. Sistemik risk ise iniş yaklaşmasında motor devrinin düşmesi veya durması durumunda BLC sisteminin anında çökmesiydi; bu durumda uçağın taşıma kuvveti sıfırlanıyor ve uçak adeta bir taş gibi yere çakılıyordu.

Pitch-Up Fenomeni ve Otomatik Kontrol Donanımları

F-104 Starfighter'ın en çok tartışılan ve birçok ölümlü kazanın doğrudan sebebi olan en büyük yapısal sorunu "Pitch-Up" (kontrol dışı ani yunuslama) fenomenidir. Uçağın kanat yüklemesi, maksimum ağırlıkta 150 lbs ft2 gibi son derece yüksek bir değere ulaşıyordu ki bu değer devasa bir Airbus A380 yolcu uçağının kanat yüklemesinden bile fazlaydı. Yüksek hücum açılarında (alfa 15 derece) gerçekleştirilen manevralar esnasında, uçağın ince kanatlarından ve gövdesinden ayrılan türbülanslı ve düşük enerjili hava akımı (wake), dikey kuyruğun en tepesinde yer alan yüksek T-kuyruk (T-tail) yerleşimindeki yatay stabilizatörün üzerini tamamen kaplıyordu.

Bu türbülans banyosu altında kalan yatay stabilizatör, uçağın burnunu aşağıda tutmak için ihtiyaç duyulan aerodinamik aşağı yönlü kuvveti (down-force) üretemez hale geliyordu. Kararlılığını yitiren uçak, aerodinamik moment dengesinin bozulmasıyla birlikte saliseler içinde burnunu yukarı doğru savurarak hücum açısını alfa 60'a kadar yükseltiyordu. Bu aşamadan sonra uçak, yönsel stabilitesini tamamen kaybederek yana ve dikine eksenlerde yalpalamaya (lateral/directional oscillation) başlıyor, ardından kontrol dışı bir yalpa ve sapma ile "flat spin" adı verilen düz virile giriyordu. Bu pozisyondaki bir Starfighter, aerodinamik kumandaların tamamen etkisiz kaldığı, dakikada 12.000 ila 15.000 feet (3.700 -4.600 metre ) hızla irtifa kaybeden kontrolsüz bir kütleye dönüşüyordu. Bu ölümcül zaafı kontrol altına alabilmek amacıyla uçağa Otomatik Yunuslama Kontrolü (Automatic Pitch Control - APC) sistemi dahil edilmiştir. APC sistemi, uçuş esnasında hücum açısı sensörlerinden gelen verileri anlık olarak tarıyordu. Kritik yunuslama sınırına yaklaşıldığında, sistem ilk aşamada pilotu lövyedeki mekanik bir sarsıcıyı çalıştırarak "stick shaker" (lövye titreştirici) vasıtasıyla uyarıyordu. Eğer pilot bu uyarıyı dikkate almaz ve hücum açısını zorlamaya devam ederse, "stick pusher/kicker" (lövye itici) mekanizması devreye girerek hidrolik ve mekanik bir güçle lövyeyi pilotun kas gücünü aşacak şekilde ileri doğru itiyor, uçağın burnunu zorla emniyetli bir açıya indiriyordu. Ancak muharebe manevralarında veya alçak irtifa uçuşlarında bu sistemin pilotlar tarafından manuel olarak kapatılması ya da devre dışı bırakılması (override edilmesi), uçuş el kitaplarındaki kesin yasaklara rağmen yaygın bir pratik haline gelmiş ve çok sayıda ölümcül kazaya zemin hazırlamıştır.

Burada yazı dizimizin ilk bölümünün sonuna geldik. İkinci bölümde görüşmek üzere. Kaynakça yazı dizisinin son bölümünde verilecektir.