Uçak Yapımında Kullanılan Malzemeler

Çoğu insan bir noktada uçakların nasıl uçabildiğini merak eder ama hiç uçakların hangi malzemeden yapıldığını merak ettiniz mi? Uçak, kanat, gövde yapımında kullanılan malzemeler, sağlamlık, hafiflik ve güvenilirlik açısından büyük fark yaratır ve uçak konstrüksiyonunda kilit öneme sahiptir.

Uçaklar Nelerden Yapılır?

Uçakların çoğu titanyum, çelik, alüminyum ve kompozitler de dahil olmak üzere diğer birçok malzemeden yapılmıştır. Kompozitler, genellikle polimerler, karbon fiber ve daha fazlasını içeren çeşitli farklı malzemeler içerebilir.

Bu metaller sert ve güçlü olduğu kadar korozyona dayanıklı ve hafiftir. Her türden uçak yapmak için mükemmel malzemelerdir.

Uçak Yapımında Alüminyumunun Önemi?

Çelik uçak konstrüksiyonunda çok önemli ve gerekli bir malzeme iken; özgül ağırlığının yüksek olması nedeniyle son yıllarda tamamen olmasa da kısmen yerini alüminyuma bırakmaktadır. Çelik tek başına kullanılamayacak kadar ağır olduğundan, Boeing tarafından üretilen 787 Dreamliner dahil olmak üzere bazı uçaklarda çelikten iki kat daha fazla alüminyum kullanılmaktadır.

Bazı üreticiler, titanyum ve diğer alaşımlara alüminyum gibi malzemeler ekler, çünkü bu malzemelerin kendi başlarına kullanımı çok pahalı olabilir.

Örneğin Airbus A350 jet uçağında alüminyum-lityum alaşımı yoğun olarak kullanılıyor ve Boeing’in uçak gövdelerinin birçoğu çeşitli polimerler içeren malzemelerden üretiliyor.

Kompozit Malzemenin Yükselişi

Havacılık alanında kompozit malzemeler, hem geniş fiziksel, mekanik ve kimyasal karakteristiklerinden hem de yapısal düzenleme ile özelliklerinin değiştirilmesinden dolayı yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu anlamda kompozit malzeme kullanımındaki artışın en önemli sebebi yüksek mukavemet/ağırlık oranıdır. 

Uçakların inşasında kullanılan malzemenin ağırlığının azaltılması; sivil uçaklarda daha fazla yükün, yakıtın ve yolcunun taşınabilmesini, askeri uçaklarda ise; daha fazla mühimmatın, yükün, yakıtın taşınabilmesini, daha uzun menzillere ulaşılmasını sağlar. 

Polimer matriksli kompozit malzemeler (plastik kompozit); metal malzemeler kadar mukavimdirler ve onlardan daha hafiftirler. Bununla birlikte kompozit malzemelerin, kompleks ve aerodinamik profilli geometrik şekilleri rahatlıkla alabilmeleri bir diğer avantajlarını oluşturur. Kompozit malzemelerin kullanılması ile birlikte yapıyı oluşturan parça ve bağlama elemanı sayısı azalır. Böylece uçak konstrüksiyonu basitleşir ve maliyeti de düşer. 

Kompozitler oldukça esnek, titreşimlere dayanıklı bir yapıya sahip oldukları için metal yapılarda görülen malzeme yorgunluğu meydana gelemeyecek şekilde dizayn edilebilirler. Ayrıca metaller gibi korozyona da uğramazlar. Yüksek yüzey direnci, kompozitlerin bir diğer avantajını oluşturmaktadır. Kompozitler, metallerde görülen gerilme çatlakları oluşmadan rahatlıkla esneyebilirler.

Uçak yapımında kullanılan malzemelere bakıldığında uzun yıllar boyunca ağırlıklı olarak alüminyuma bağlı kalındığı görülmektedir. Bugün de önemli kanat yapı elemanları gibi önemli parçaların üretimi bu malzeme ile gerçekleştirilmektedir. Ancak günümüz hava araçlarında kullanılan alüminyum oranı düşmüş durumdadır onun yerine artık termoset, termoplastik, seramik vb. elyaflı kompozit malzemeler; kompozit-kompozit ya da metal-kompozit gibi birden fazla malzemenin bir araya getirilmesi ile oluşturulan melez malzemeler ya da alüminyum-lityum alaşımı gibi alaşımlar kullanılmaktadır. 

Örneğin 1990’lı yıllarda üretilen Boeing 757’lerde %78 Al (alüminyum), %3 kompozit kullanılmasına karşın, 2010’da hizmete giren yeni bir yolcu uçağı tasarımında %65 kompozit, %11 Al kullanılmıştır.

Hava taşıtlarında kompozit malzeme kullanımının artış hızı daha da fazla olabilirdi, böyle olmamasının iki önde gelen nedeni vardır; sertifikasyon zorluğu ve maliyet. 

Kompozitler hacimsel olarak birbirine göre farklı şekil ve özelliklere sahip iki veya daha fazla elemandan oluşan ve bu elemanlar arasındaki sınırın rahatlıkla görülebildiği, bu elemanların olumlu özelliklerinin bir araya getirildiği malzemelerdir. Kompozit malzemelerin ana unsurları matris ve takviye malzemeleridir. Başlıca takviye elemanları fiberler, pullar, taneler, tanecikler ve tabaklar iken matrisler ise polimer, metaş ve seramik esaslı malzemeler olabilir. 

Uçak Yapımında Kullanılan Kompozit Malzemeler

Günümüzde kompozit malzemeler alanındaki çalışmalara üç ana kategoride sürdürülmektedir. Bunlar; fiber takviyeli, tane takviyeli, ve tanecik takviyeli kompozit malzemelerdir. Malzeme ne olursa olsun kompozit düşük elastiklik modülüne sahip matristen ve matristen 10-1000 kat daha fazla mukavemet ve tokluk değerlerine sahip takviye elemanından oluşur.

Son 30 yılda reçine ve fiber teknolojisinde büyük gelişmeler sağlanarak geliştirilen kompozit malzemelerde, konvensiyonel malzemelerin elastiklik modülüne ulaşılmıştır. Bu nedenle kompozit malzemeler; kaplamalar, takviye parçaların kontrol yüzeyleri ve flaplarda kullanım alanları bulmuşlardır. Uçaklar genellikle gövde ağırlık kontrolü, uzun hizmet ömrü, sistem dizaynının ana hatları ve maliyet karakterlerinin yanı sıra belirli navlun, mesafe, seyirsürati, irtifa gibi performans gereksinimlerini karşılayacak şekilde dizayn edilirler. Diğer tüm koşulların eşit olduğu durumda ağırlığı en az tutan dizayn kriteri en uygun dizayn kriteri olacaktır. Buna göre uygun özelliklere sahip hafif malzemeler en iyi özellikleri sağlayacaktır. Kompozit malzeme tasarımında iki önemli unsur vardır. Bunlardan birincisi matristeki fiberin yönlenme doğrultusudur. İkincisi ise malzeme dizaynın da aerodinamik koşullarınında göz önünde bulundurulması zorunluluğudur. Bu koşullar gerçekleştiğinde, kompozit malzemelerin imalata uygunluğu, bakım maliyetinin düşük ve mekanik özelliklerinin iyi olması uçak tasarımın da büyük avantaj sağlar.

Tüm Malzemelerin Artıları ve Eksileri Vardır

Her malzemenin kendine göre avantajları ve dezavantajları olduğundan, birçok uçak aslında pek çok uçak malzemesi kullanılarak üretilmektedir.

Örneğin, Airbus ve Boeing uçaklarının çoğu minimum %50 kompozit malzemeden yapılırken, uçak motorları üreten Rolls Royce PLC şirketi seramik ve plastik gibi malzemelerden oluşan kompozit malzemeler kullanıyor.

Farklı malzemelerin farklı güçlü ve zayıf yönleri vardır. Uygulamada bu, bir uçağın kanatlar, gövde, gövde ve deri gibi parçalar için çok sayıda farklı malzemeden yapılacağı anlamına gelir.

Görüldüğü gibi uçaklar tek tip malzeme ile inşa edilmek zorunda değil, çünkü kullanılabilecek çok sayıda malzeme var, yani önemli olan güvenli ve uçuşu kolay, aynı zamanda güvenilir bir uçaktır.

Ağırlıktan Tasarruf En Önceliklidir

Tabii ki, normalde kullanılan uçak malzemeleri hem hafif hem de ağır bileşenlerden oluşur çünkü esas olarak uçağın uçması gerekir ve bu nedenle süper ağır metallerden yapılamaz. Özellikle vücudun ağırlığı minimumda tutulmalıdır.

İlk yolcu uçağı olan Ford Tri-Motor, 1920'lerin sonlarında, tıpkı günümüzün Boeing 747'si gibi alüminyumdan yapıldı. Jet motorlu en hızlı uçak olan Lockheed SR71 Blackbird, titanyumdan yapıldı.

Yine de, uçak yapımında çeliğe titanyum eklenmesinin diğer nedenleri şunlardır:

Neredeyse çelik kadar güçlüdür.

Isıya dayanıklıdır.

Korozyona dayanıklıdır.

Orta ağırlıkta bir metaldir.

Tasarım Öncelikleri Uçağın Amacına Bağlıdır

Bir uçağın amacı; üreticilerin özellikle uçağın gövdesinde kullanılan metal, metal-kompozit ve plastik-kompozit olmak üzere belirli bir malzeme türünü kullanma kararında çok etkilidir.

Uçağın boyutu, amacı ve diğer yönleri, hangi malzemelerin kullanılacağını belirlemelerine yardımcı olur çünkü bu; uçağın iyi inşa edilmiş ve güvenilir olacağını garanti etmenin tek yoludur.

Sonuç:

Uçak konstrüksiyonunda kullanılan malzemenin mukavemeti, hafifliği ve maliyeti büyük öneme sahiptir. Hem hafif, hem mukavim hem de düşük maliyetli yeni malzeme bulma ve üretme teknolojileri ve endüstrisi ilerledikçe; bu ilerlemenin yaratacağı yeni malzeme çeşitleri, hava platformlarının inşasında öncelikle rol almaya devam edeceklerdir.