Sivil Havacılıkta Motor Üreticisi Büyük Firmalar ve Yeni Nesil Motor Üretiminde Son Gelişmeler

Sivil Havacılıkta Yeni Nesil Motorlardan Beklentiler Nelerdir?

Gelecekte sivil havacılıkta kullanılması öngörülen tüm motor tasarımlarında; düşük yakıt tüketimi, düşük bakım-idame ve işletme maliyeti ile çevresel faktörler, yani kısaca motor verimliliğin sağlanmasına yönelik beklentilerin karşılanması arzu edilmektedir. Otonom sistemler için üretilen yeni nesil itki araçlarını sivil havacılık dünyası kullanmak için sabırsızlanmaktadır. Dünyanın önde gelen motor üreticileri daha az yakıt yakmak, uçak motorlarının atmosfere bıraktığı karbondioksit (CO₂) ve diğer atmosferi kirletici emisyonları (CO-karbon monoksit, NOx ve HC) azaltmak ve daha az gürültü çıkaran çevreye duyarlı uçak motorlarını geliştirmek için uğraş veriyorlar. Bunun için yeni teknolojileri devreye sokuyorlar. Motor firmalarının uçak motorlarının verimliliklerini artırırken, aynı zamanda elektrikli ve hibrit itki sistemlerini de geliştirme arayışları devam ediyor. 

Örneğin Airbus, 2020 yılının Eylül ayında 2035 yılına kadar hidrojenle çalışan bir uçak üretmeyi hedeflediğini duyurmuştu. Çok sayıda insansız hava araçlarının ve şehir içi hava ulaşımı (Urban Air Mobilitiy - UAM) ihtiyacını karşılamak için geliştirilecek hava araçlarının nüfusun yoğun olduğu bölgelerde uçmaya başladığı düşünüldüğünde, bu motorların hava akustiğinin (aero-acoustics) de bir tasarım odağı olması bekleniyor. İtki alanında araştırma ve geliştirme faaliyetleri yeni teknolojilerin kullanılmasını ve motor geliştirme döngüsünün bugün olduğundan daha da kısa sürede tamamlanmasını öngörüyor. Aynı zamanda yeni motorların ağırlığını azaltacak, motor performansını artıracak, motor yakıt tüketimini azaltacak, güvenilirliği artıracak, emisyonları ve gürültüyü azaltacak, motorun ömrünü uzatacak ve bakım gereksinimlerini azaltacak yönde çalışmalar devam ediyor. Uçağın en önemli ve en pahalı parçası olan motor alanında yürütülmekte olan çalışmaların; havayolu endüstrisinin yeşil dönüşümünü de şekillendirmesi hedefleniyor. Havayolu taşımacılığı yapan uluslararası ölçekli hizmet veren küresel firmaların beklentileri karşılamak için dünyanın önde gelen dört motor üreticisi firması (Pratt&Whitney, CFMI, General Electric, Rolls-Royce) yeni modeller üzerinde çalışırken kendi kurumsal kültürlerini ve motor sanayisindeki birikimlerini göre farklı yaklaşımlar geliştiriyorlar, farklı çözümlerle müşterilerinin karşısına çıkmayı amaçlıyorlar.

Pratt & Whitney

Pratt & Whitney, askerî havacılık alanında kullanılan motorların yanı sıra, en çok Airbus A220 ve A320neo ailesine güç veren PW1000G motorlarıyla sivil havacılık alanına giren bir şirkettir. Bu motorun altı farklı varyantı, topluca GTF ailesini meydana getiriyor. Pratt & Whitney şu anda turbofan dişli teknolojisine 10 milyar dolar civarında yatırım yapmış olup, bu alanda ilerlemek istemektedir. GTF motor fanları, motorun diğer ana bileşenleri kompresör ve türbinden çok daha yavaş dönecek şekilde Pratt&Whitney tarafından tasarlanmıştır. Bu özellik, P&W firmasına uçak motorları sektöründeki en yüksek oran olan 12:1 bypass oranını elde etme fırsatını vermiştir. Turbofan dişli tasarımı, yakıt verimliliği, gürültü ve emisyonlarda çift haneli azalmalara gidilmesine olanak tanımaktadır. Pratt & Whitney, GTF'nin daha da yüksek bypass oranlarına sahip yeni tasarımlarının "geleceğin mimarisi" olacağını iddia ediyor. Pratt & Whitney ayrıca De Havilland Canada'nın Dash 8-100 modelinde deneyeceği hibrit-elektrikli bir turboprop motor gösterimi üzerinde çalışıyor. Bu hibrit motorun uçuş testlerine 2024 yılında başlanması bekleniyor. Tamamen elektrikli, hibrit elektrikli ve hidrojenle çalışan motor çeşitlerinin piyasaya sürülmesi hedefleniyor. Bu yeni tip itki sistemlerinin ilk başlarda bölgesel yolcu uçaklarında kullanılması, kaydedilecek ilerlemelere bağlı olarak dar ve geniş gövdeli uçakların da kullanımına sunulması amaçlanıyor. 

CFM International (CFMI)

CFM harfleri bir kısaltmayı işaret etmiyorlar. CFM şirketi, GE Aviation ve Safran'ın ortak girişimidir. Bu şirketin çıkış noktası CFM56 motorları olup, bu iki firmanın ticari motorları için kullandıkları tanımlamanın birleştirilmiş halidir. GE’nin CF6 motoru ile Snecma’nın M56 ürünleri, tek bir marka altında CFM56 olarak tanımlandı. CFM International, tüm zamanların en çok satan uçak motoru CFM56'nın üreticisi olmanın yanı sıra, şimdilerde öncü bir motor olan yüksek baypaslı turbofan LEAP (Leading Edge Aviation Propulsion) motorunun da üreticisi olma yolunda hızla ilerliyor. Uçuşlarda kullanılmaya başlanan LEAP motorlarının yakında yaygın bir şekilde kullanıma sunulması bekleniyor. LEAP motorlarda seramik bileşenli kompozit (Ceramic matrix composites - CMC) maddesinin kullanılması ve 3D tekniğiyle üretilen yakıt nozullarının yeni teknoloji olarak devreye sokulması dikkat çekici bulunuyor. Şimdiye kadar 35.500 adet LEAP motoru siparişi verildi. Böylece LEAP motoru, 44 yıldır kullanımda olan CFM56'nın ardından dünyada en fazla sipariş alan ikinci jet motoru olma başarısını gösterdi. Daha önce CFM, 2023 yılında 2.000 adet LEAP motoru üretimiyle yılı kapatmayı hedeflediğini açıklamıştı. Ünlü motor üreticisi CFM şirketinin bu hedefine ulaşmak üzere olduğuna dair bilgiler paylaşılıyor.

Bu arada CFM, 2021 yılının Haziran ayında ‘havacılığın geleceği’ temasıyla yeni bir motor çalışmasını duyurmuştu. CFM, sürdürülebilir motor üretimine yönelik devrim niteliğinde inovasyon diyebileceğimiz bir adımdan bahsetmişti. İngilizce kısaltma ismiyle RISE (Revolutionary Innovation for Sustainable Engines) programı, 2030'ların ortasına kadar yeni nesil CFM motoru geliştirmeyi hedefliyor. Bu program, dünyada bir ilk olarak açık fan mimarisine göre geliştirilecek yeni motorla, yakıt tüketimini ve karbon emisyonunu en az yüzde 20 oranında azaltmayı ve aynı zamanda yakıt olarak Sürdürülebilir Havacılık Yakıtı (Sustainable Aviation Fuel – SAF) veya hidrojen kullanımına da yüzde yüz uyumlu olması öngörülüyor. CFM, RISE programını gerçek bir oyun değiştirici olacağını iddia ediyor. 

GE Aviation

GE Aviation, sivil havacılıkta kullanılan motorlar yönüyle de öncü bir motor firmasıdır. Büyük tipte turbofan motorları üretme kabiliyetine sahiptir. Nitekim, Boeing 777 ailesine güç veren GE90, 1995 yılında hizmete girdiğinde dünyanın en büyük jet motoruydu. O dönemde GE, bu motorda ilk defa kullandığı kompozit fan kanatçıklarını (blades) tanıtmıştı. Bu motor aynı zamanda Amerikan Havacılık İdaresi FAA onaylı 3-D baskılı parçaları kullanan ilk motor olarak da lanse edilmişti. GE90 motorundan elde edilen kazanımlar, daha yeni teknolojilerle harmanlanarak, sonrasında yaklaşık yüzde 15 daha fazla yakıt verimliliğine olanak tanıyan yeni motor varyantı GEnx'e taşındı. GEnx, Boeing 787 ve 747-8 tipindeki geniş gövdeli uçaklara güç veriyor. Bu motor varyantı, bu şirketin tarihindeki en fazla satan, yüksek itki gücüne sahip jet motorlarından biri olarak ünlendi.

Bu arada GE9X, GE'nin Boeing 777X için özel olarak geliştirdiği en yeni motorudur. GE9X, bir Boeing 737'nin gövdesinden daha geniş ebatlara sahip bir motordur. Ayrıca Amerika'nın ilk insanlı uzay roketinden daha güçlü bir motordur. GE9X motoru, 134.300 poundluk yüksek itki gücüyle dünyanın en güçlü motoru olma rekorunu elinde bulunduruyor. Fan kanatçıklarının daha da inceltilerek üretildiği bu motorlarda, kullanılan bu yöntem aerodinamik verimliliği artırırken, ortaya çıkan daha düşük fan yarıçapı oranı hava akışının en üst seviyede gerçekleşmesini sağlamaktadır. Böylece sürtünme de en az seviyede tutulabilmektedir. Bu motor varyantında, diğer varyantlardan farklı olarak daha az sayıda fan kanatçığı kullanılmıştır. CF6’da kullanılan 38 adet fan kanatçığı yerine GE9X motorlarında 16 adet fan kanatçığı kullanılmıştır. Böylece GE9X, morunun performansı artıran ve daha az yakıt tüketimine imkân veren en verimli fan mekanizmasına sahip olmuştur. GE9X motorunda, 65 civarında seramik bileşenli kompozit malzeme (CMC) kullanılmıştır. CMC malzeme kullanımı, bu malzemeden üretilen parçaların ağırlığının %70 oranında azaltılabilmesine olanak tanımaktadır. Hem de başka malzemeden üretilen parçalara göre dayanıklılığında iki kat artış sağlanabilmektedir. CMC çeliğin üçte biri ağırlığa sahip bir malzemedir. Bu malzeme, birçok gelişmiş metalik süper alaşımın erime noktasının çok ötesinde, 2.400 Fahrenheit dereceye kadar yüksek sıcaklıklara dayanabilen bir malzemedir. Böylece yeni nesil motorlarda termal verimliliğin artırılmasında CMC ile çığır açılmıştır.

Katmanlı üretim tekniğinden yararlanılarak geliştirilen GE9X motorlarda, 300'den fazla motor parçası, 3D baskı yöntemiyle üretilen yedi adet komponentin içine yedirilerek üretilmektedir. Böylece motorun genel ağırlığında bir azaltıma gitmem mümkün olabilmektedir. Bu motor, GE90'a göre yüzde on daha fazla yakıt verimliliğine sahiptir. GE9X motoruna, FAA sertifikasyonu 25 Eylül 2020 tarihinde verilerek uçuşa elverişlilik ve güvenirlik yönüyle motor tescillenmiş oldu. Yine 2021 Kasım ayında motor toz emme testini de başarıyla geçti. Boeing, GE9X motorunu 777X uçaklarında 2024 yılından itibaren kullanmayı öngörüyor. Bu kapsamda 2022 yılının Şubat ayı içerisinde Qatar Airways, 50 adet Boeing 777-8 kargo uçağı satın alımı yanında, bu motordan da 50 adet sipariş vererek GE9X motor teknolojini ilk kullanacak hava yolu olmayı garantilemiş oldu. 777-8 Kargo Uçağı (Freighter), yalnızca GE9X motoru kullanacak şekilde optimize ediliyor. Aynı zamanda Singapur Havayolları, kendi Boeing 777X'leri için daha önce verdiği 40 siparişe ek olarak 22 adet daha GE9X motorunu sipariş etti. 2022 yılı Temmuz ayı içerisinde Lufthansa, kargo filosunu geliştirmek için GE9X motorlu Boeing 777-8 Freighter'ları satın aldığını duyurdu. Lufthansa, bu uçaklarda kullanmak üzere 14 adet GE9X motor siparişini geçtiğini de açıklamayı ihmal etmedi. GE, şu ana kadar toplamda 700 motor sipariş aldığını ve bunun 28 milyar dolarlık bir büyüklüğe karşılık geldiğini duyurdu. 

GE ayrıca MESTANG (More Electric Systems and Technologies for Aircraft in the Next Generation - Yeni Nesil Uçaklar için Daha Fazla Elektrikli Sistem ve Teknoloji Kullanımı) üzerinde de çalışmalarını sürdürüyor. Ayrıca kompozit malzemeden üretilecek fan kanatçıkları, ısıya dayanıklı hafif metal alaşımları, gelişmiş soğutma yöntemleri ve eklemeli imalat (additive manufacturing) teknolojileri de şirketin yeni teknolojiler yelpazesinde yer alıyor.

GE Aviation, bahse konu üretim hedeflerini karşılamak yeni teknolojileri geliştirebilmek için ABD'deki tesislerine 4,3 milyar dolar ve yurtdışındaki üretim tesisleri için ise 1,1 milyar dolar tutarında yeni yatırım yapmayı gerekli gördü. GE; göre yeni motor tesisleriyle, gelişmiş malzeme kullanımıyla üretilecek komponentlerin seri imalatını daha kısa sürede ve daha fazla sayıda gerçekleştirmeyi hedefliyor. 

Rolls-Royce

Rolls-Royce motorları, Airbus ve Boeing üretimi geniş gövdeli yolcu/kargo uçaklarında kullanılmaktadır. Rolls-Royce firması; gelecekte üretmeyi öngördüğü motorlarda, 2 şaftlı ve 3 şaftlı motor çözümleri sunmayı hedefliyor. Bu yeni mimari motorlarda yenilikçi teknolojilerle iyileştirmeler yapılması hesaplanıyor. Bu arada Rolls-Royce, dünyanın en büyük jet motorunu imal etmek gibi bir hedefe odaklandığını deklare etti. UltraFan gösterimi olarak adlandırılan ve 140 inç ile şimdiye kadarki en büyük fan çapına sahip olacak olan yeni devasa motorun ilk prototipinin, şirketin İngiltere'nin Derby kentindeki tesisinde montaj aşamasında olduğu belirtiliyor. Bu prototip motorun güç şanzımanı bu alanda yeni bir rekor olan 87.000 beygir gücüne ulaştı. İlk gösterim motoru UF001'in yüzde 100 sürdürülebilir havacılık yakıtı (SAF) ile ilk çalışmasını 2024 başına kadar yapması öngörülüyor. Daha önceki Trent tipi varyantlara göre yüzde 25 yakıt verimliliği sunacak olan yeni motor, uzun vadede 2030'ların geniş gövdeli jetlerine güç sağlaması hedefiyle üretiliyor.

Motor Teknolojisinde Yeni Yaklaşımlar

Son dönemde üretilen sivil havacılık alanında kullanılan motorlarda, türbin giriş sıcaklığının arttırılması, kompresör basınç oranının arttırılması, baypas oranının arttırılması, fan ve motor gövdesi performansının iyileştirilmesi, gürültü ve emisyonların azaltılması ve güvenilirliğin arttırılması sağlanmıştı. Yeni motor teknolojilerinin ise motor-gövde entegrasyonunu, yeni ve geliştirilmiş malzemeleri ve malzeme işleme tekniklerini, turbo makine teknolojisindeki ilerlemeleri, yanma teknolojisindeki gelişmeleri ve motor tasarım prosedürlerinde Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiğinin (Computational Fluid Dynamics - CFD) büyük ölçüde geliştirilmiş versiyonlarının kullanımını içeriyor. Karbon fiber kanatçıklar, Boeing 777 ve Boeing 787 Dreamliner gibi dört yerine, iki motorun yeterli görüldüğü yüksek verimli uzun mesafeli jetlerin geliştirilmesine olanak tanımıştı. Önümüzdeki yıllarda ise “Akıllı motorlar” ve manyetik yatakların kullanımı gibi yeni teknolojiler ticari havacılıkta kullanılacak motorların gelişim seyrini değiştirecek şekilde yeni kapıların açılmasını vadediyor. Katmanlı üretim yoluyla, montaj maliyetlerini azaltmanın ve üretim süresini kısaltmanın yanı sıra motor bakımını daha da basitleştirecek, yakıt tasarrufunu artıracak şekilde daha ucuza ve daha hızlıca üretilen daha hafif parçaların da motorlarda kullanılmasına olanak tanıması bekleniyor.

Sonuç

Günümüzde ortaya çıkan teknolojik yenilikler; yakıt verimliği yanında havaya bırakılan emisyonlar ile gürültünün azaltılmasını sağlayacak olgunluk seviyesine erişmemizi sağlamıştır. Ticari havacılıkta en yaygın kullanımı olan iki uçaktan birisi Boeing 737 ve diğeri de Airbus A320'dir. Bu iki uçağın yeni modelleri sadece daha fazla yolcu taşımakla kalmıyor, aynı zamanda yeni motorlarıyla yüzde 23 daha az yakıt yakıyorlar. Dünyanın önde gelen dört büyük motor üreticisi CFMI, Pratt&Whitney, General Electric ve Rolls-Royce, ticari havacılık firmalarının beklentilerini karşılayacak motorları geliştirmek, kısa sürede müşterilerinin kullanımına verebilmek için kıyasıya yarış içerisindedirler. Bu yarış, daha gelişmiş ve çevreye duyarlı motorların insanlığın hizmetine sunulmasını sağlamak üzeredir. Gittikçe karmaşık hale gelen sivil havacılık alanındaki yeni nesil akıllı motorların üretimi çok az ülkenin sahip olduğu büyük teknolojik birikimle mümkün olabiliyor. Geriden gelen ülkelerin uçağın gövdesini yapabilmesi olası görünüyorken, bu gelişmiş motorlardaki trendi yakalayabilmeleri neredeyse imkânsız bir görev (mission impossible) olmak üzeredir kanaatindeyim. Ama yine de MMU Kaan için üretilmesi hedeflenen TR motor benzeri bir yaklaşımla, geç de olsa, sivil havacılık alanında da bir yerlerden bir an önce başlamak gerektiği yönündeki inancımı koruyorum.