Herkese yeni bir yazıdan merhaba! Bu yazımda Uçak ve Yıldırım hakkında konuşacağız.
İstatistiksel değerler incelendiğinde, yaklaşık olarak yılda iki kere ticari uçaklara yıldırım çarptığı görülmektedir.
Aşağıdaki tabloda, Amerika Birleşik Devletleri (ABD) ticari uçaklarının 1950 ve 1974 yılları arasında maruz kaldıkları yıldırım çarpma vakalarına ait çalışmalar verilmiştir. Bu çalışmalarda, toplam uçuş süreleri için uçakların farklı kısımlarına çarpan yıldırım sayıları görülmektedir. Görüldüğü üzere, yıldırım çarpma sıklığı yaklaşık olarak her 3000 uçuş saatinde bir gerçekleşmektedir. Uçuş irtifası, yıldırım çarpma olaylarında önemli bir parametredir. Ayrıca, kötü hava koşulları ve uçuş rotaları da yıldırım çarpması olaylarını etkilemektedir. Bu nedenle, askeri uçaklar güvensiz hava koşulları ve değişen uçuş rotalarından dolayı sivil uçaklara göre yıldırım çarpması olaylarına daha çok maruz kalmaktadır.
Görüldüğü üzere, yıldırım çarpma vakaları sıklıkla bulut seviyesi veya daha altı seviyelerde gerçekleşmektedir. Bu nedenle, uçaklar daha çok kalkış ve inişi sırasında yıldırıma maruz kalmaktadır. Pistonlu uçaklar, turbojet ve turboprob uçaklara göre daha düşük irtifalarda (10,000 ~ 15,000 feet) seyretmektedir ve bundan dolayı yüzdesel olarak daha fazla çarpmaya maruz kalmaktadır
Yıldırımlar genellikle yağmurlu havalarda görülen bir olaydır.
Aşağıdaki tabloda verildiği üzere, yağış olmadığı durumlarda da sıklıkla yıldırım çarpmalarının gerçekleştiği görülmektedir. Ayrıca kar veya dolu yağışı olduğu günlerde de yıldırım çarpmalarına rastlanmaktadır.
Lufthansa filosunun kompozit parçalarının tecrübe ettiği hasarlar gösterilmiştir. Verilen istatistikte Lufthansa’nın toplam filosunun 2006 yılında aldığı hasarların nedenleri belirtilmiştir ve yıldırım vakaları bakım-onarım bakış açısıyla ele alınmıştır. Uçaklarda kaydedilen hasarların %17’den fazlasının yıldırım kaynaklı olduğu görülmektedir. Bu nedenle, yıldırım kaynaklı hasarlar bakım-onarım maliyetlerinin önemli bir parçasıdır.
Uçak Yıldırım Arayüzü
Birbirine zıt polariteye sahip iki yüklü bölgenin, yüksek iletken bir hat boyunca elektriksel olarak boşalmasıyla yıldırım oluşur. Genellikle yıldırım, aşağı-yukarı yönlü hareket eden ve kılavuz adım olarak adlandırılan kıvılcımların şarjlı bölgeden yollanmasıyla başlar. Bu kılavuz adım, bir hava aracından, buluttan veya yeryüzündeki bir yapıdan kaynaklı olabilmektedir.
Yıldırım çarpması uçaklarda iki farklı mekanizma sonucu meydana gelir. Bunlar doğal yıldırımlar ve uçakla tetiklenen yıldırımlar şeklindedir. Resimdeki iki etkileşim mekanizması da tasvir edilmiştir. Uçakla tetiklenen etkileşimde, iki zıt yüklü bölge arasında uçmakta olan uçak etrafında elektrik alanı etkileyerek yıldırımın kendi üzerinde başlamasına neden olmasıyla meydana gelir. Uçak zıt yüklü bölgeler arasında seyir halinde iken normalde oluşan bir yıldırıma denk gelerek yıldırım çarpmasına da maruz kalabilir. Her iki yıldırım oluşma mekanizmasında da uçak sınır bölgelerinin şekilleri ve malzemeleri önemli rol oynamaktadır.
Hava deniz seviyesinde ve yağışsız koşullarda 3 x 103 kV/m bozulma dayanımına sahiptir. Uçağın gökyüzünde bulunması bu bozunma değerinin düşürür. Radom, kanat uçları, motor kapakları, dikey ve yatay dengeleyiciler yıldırım çarpma ihtimalinin yüksek olduğu uçak bölümleridir. Yıldırım kanalının uçakla buluştuğu noktaya bağlanma noktası adı verilir. Bu nokta yüklü bulutla yüksüz yeryüzü arasında geçiş noktası görevini yerine getirir.
Uçak seyir halindeyken yıldırım çarptığında, çarpma bölgesi uçağın hızı nedeniyle sabit kalmayıp sürekli kayabilir. Bu kayma olayına süpürülme kanalı denir ve şekilde görüldüğü gibi birden fazla noktada çarpma meydana gelebilir. Bu kanalda yıldırım çarpması düzenli hareket etmez daha çok ayrık düzensiz adımlar halinde ilerler. Aşağıdaki resimde metalik yüzeyde süpürülme kanalı nedeniyle oluşan bağımsız yanık izleri görülmektedir. Süpürülme kanalı, yıldırımın sadece uçağın sınır bölgelerine çarpmasına rağmen geride kalan bölgeleri de tehlikeye sokması nedeniyle korunması gereken yüzeylerin artmasına neden olur.
Uçak Yapılarında Yıldırım Kaynaklı Hasarlar
Yıldırım çarpmalarının uçakta oluşturduğu etkiler iki başlık altında toplanır. Bunlar dolaylı ve doğrudan etkilerdir. Doğrudan etkiler uçak yapısallarında ve/veya uçak ekipmanlarında fiziksel hasarlara neden olan etkilerdir. Yüksek akım nedeniyle uçak parçalarında buharlaşma, yanma, erime, havaya uçma, ayrışma vb. etkiler doğrudan etkilere örnek olarak verilebilir. Ayrıca uçak içerisinde geçmekte olan borulama ve kablaj benzeri iletken sistemlerde yüksek akım geçmesi kaynaklı hasarlarda doğrudan etkiler altında incelenmektedir. Ekipman ve elektriksel devrelerde meydana gelen süreksizlikler ve dalgalanma kaynaklı sorunlar ise dolaylı etkiler altında işlenir.
Uçak yapısalları düşünüldüğünde, doğrudan etkiler daha fazla önem arz etmektedir. Hem geleneksel metalik yapılarda hem de kompozit malzemeden üretilen parçalarda ciddi hasarlar meydana gelebilmektedir. Bu hasarlar; direnç ısınması, çarpma noktasında süblimleşme, erime, bağlantı noktalarında ark atlaması, manyetik kuvvet kaynaklı etkiler, çarpma esnasında oluşan şok dalgası ve yakıt tankının patlaması gibi farklı formlarda ayrı ayrı ya da aynı çarpmada topluca gerçekleşebilir. Hasar resimlerinde yıldırım çarpmasının metalik uçak parçaları üzerinde oluşturduğu örnek bir hasar görülmektedir. A Hasar resminde uçak kabuğu üzerine takılan bir saptırıcıda meydana gelen hasar, B de ise cam elyaftan üretilen kanat ucunun yıldırım çarpması sonucu oluşturduğu şok dalgası kaynaklı hasar bariz biçimde görülmektedir.
Resimde ise kompozit malzemelerden üretilen uçak parçalarında meydana gelen hasarlar görülmektedir. Karbon elyaf takviyeli polimer kompozitlerden oluşan parçalarda, yüksek yıldırım akımı kaynaklı; ayrışma, delaminasyon, reçinenin yanması ve parça köşelerinin yok olması söz konusudur.
Bu tip hasarlarda klasik kompozit tamir yöntemlerinin kullanılamaması sonucu parçaların tamamen değiştirilmesi gerekmektedir.
Uçaklar Yıldırımlardan Nasıl Korunur?
Uçakların gövdeleri genellikle elektrik iletkenliği yüksek olan alüminyumdan üretilir. Günümüzde ise uçakların gövdelerinde farklı özellikte malzemelerin birleşiminden oluşan kompozit malzemeler kullanılabiliyor. Bu malzemelerin iletkenliği genellikle alüminyumdan daha düşük. Kompozit malzemelerden üretilen kısımlar bu nedenle yıldırım çarpması durumunda elektriksel olarak yüklü parçacıkların uçağın dış yüzeyi boyunca sorunsuz bir şekilde aktarılması için iletkenliği yüksek malzemelerle kaplanıyor.
Modern uçaklarda uçuş kontrol sisteminden motorlara kadar bir çok sistem bilgisayarlarla kontrol edildiği için yıldırımların elektrik sistemlerine hasar vermesi uçuş güvenliği için tehlike oluşturabilir. Yıldırım çarpması sırasında akım uçağın gövdesinin yüzeyinde ilerlerken, elektrik kablolarında ve ekipmanlarda akım ve gerilim dalgalanmaları olabilir. Yıldırımların elektrik sistemlerine zarar vermemesi için kablo demetleri koruyucu malzeme ile kaplanır. Ayrıca uçak üzerinde biriken statik yükün atılması için de kanat uçlarında ve arkalarında çıkıntı şeklinde özel parçalar (static discharger olarak isimlendirilir) kullanılır.
Sonuç olarak, yüksek akım ve gerilimin ortaya çıktığı yıldırım olayı çevresine zarar verdiği gibi seyir halindeki bir uçağa da çarparak ciddi hasarlara neden olabilir. Yıldırımlar uçakları doğrudan ve dolaylı birçok etki altında bırakır. Bu etkilerden korunmak amacıyla yıldırımın uçakla olan etkileşimini anlamak gerekir. Yıldırım mekanizmasının uçakla olan etkileşimini, uçakta meydana gelen yıldırım kaynaklı hasarları, uçakların yıldırımdan korunması için oluşturulan yıldırım parametreleri ve parametrelerin kullanım esaslarına bu çalışma kapsamında değinilmiştir. Tüm bu bilgilerin farkındalığında uçakların yıldırıma karşı optimum şekilde korunmasının geliştirilmesi ve yıldırım çarpmasının uçaklar için bir risk olmaktan çıkması için gerekli çalışmalara devam edilmesi havacılık sektörü için son derece önem arz etmektedir.
Uçak ve Yıldırım yazımın sonuna geldik. Uçak ve Yıldırım ile ilgili görüşlerinizi bana ulaştırabilirsiniz. Görüşmek üzere.
Kaynak
- European Journal of Science and Technology Special Issue, pp. 177-187, April 2020
- The aerospace engineer’s handbook of lightning protection. Interference Control Technologies.
- The interaction of lightning with airborne vehicles.Progress in Aerospace Sciences
- Lufthansa Perspectives on Safe Composite Maintenance Practices. Presented at the FAA Damage Tolerance and Maintenance Workshop, May 9th – 11th, 2007, Amsterdam.
