Uçaklar için statik elektrik yükü çökelme durumunun incelenmesi ve yıldırım çarpma durumu analizleri

Abstract

Uçakların atmosferle aralarındaki elektrostatik etkileşimi temel olarak uçak ve atmosfer faktörü olmak üzere iki ana bileşene bağlıdır. Uçakların şekilleri, hızları, elektrik yükü tutma kapasiteleri gibi parametreler uçak faktörü olarak; atmosfer sıcaklıkları, basınçları, iletkenlikleri gibi faktörler atmosferik faktörler olarak değerlendirilmektedir. Her uçak çeşitli süreçlerde elektriksel olarak dolan ve boşalan bir kapasite olarak düşünülebilir. Kapasitenin dolma veya boşalma davranışları uçakların elektrostatik durumu olarak tanımlanabilir. Uçaklar seyir halinde iken atmosfer içerisinde bulunan elektriksel olarak yüklü parçacıklarla çarpışması ve sürtünmesi sonucunda elektrostatik olarak yüklenmektedir. Bu yüklenmeler; triboelektrik, motor egzoz ve dışsal yüklenme olmak üzere üç ana kategoride incelenmektedir. Triboelektrik yüklenme; genellikle buz kristalleri, yağmur, kum ve tozlu parçacıkların uçaklar ile teması sonrasında oluşmaktadır. Motor egzoz yüklenmesi, motorlardan çıkan elektrik yüklü parçacıkların uçak üzerinde birikmesi ile oluşan yüklenme türüdür. Dışsal yüklenme, uçakların hava veya bulut içerisinde bulunan herhangi bir elektrik alan içerisinde seyir halinde iken üzerinde oluşan statik elektrik yükü birikimidir. Tüm bu yüklenmeler, biriken (çökelen) statik elektrik olarak adlandırılır ve kontrollü bir şekilde uçaklar üzerinden boşaltılması gerekmektedir. Statik elektrik yükleri uçaklardan kontrollü bir şekilde boşaltılmadığında yüksek gerilim seviyelerinde uçakların kanat ve kuyruk uçları gibi çıkıntılı yüzeylerinden elektriksel deşarj olmaktadır. Statik elektrik yükleri; korona boşalmaları, ark oluşumları ve elektriksel akış şeklinde olmak üzere uçaklar üzerinden üç şekilde deşarj olmaktadır. Bunlara ek olarak, statik elektrik yükleri, yakınlarındaki antenler üzerine kuplajla elektriksel bozulmalara sebep olmaktadır. Bu sebeple, radyo alıcı-verici ve konumlandırma antenleri üzerinde birikerek uçakların seyrüsefer sistemleri için kritik bileşenlerin düzgün çalışmasını önlemektedir. Statik deşarj çubukları, statik elektrik yüklerinin uçaklardan kontrollü bir şekilde boşaltılmasını sağlamaktadır. Bu sayede, uçak gövdesinde biriken statik elektrik yükleri yüksek gerilim seviyelerine ulaşamadan statik deşarj çubukları üzerinden havaya boşaltılmaktadır. Bu çalışmada ilk bölümde; statik deşarj çubuklarının tipleri, özellikleri, kullanım alanları ve deşarj yöntemleri incelenmiştir. Ardından, statik deşarj çubuklarının montaj yöntemleri, montaj yöntemlerinde dikkat edilmesi gereken parametreler ve bir statik deşarj çubuğunun sağlaması gereken koşullar ile ilgili araştırmalara yer verilmiştir. Uçaklar üzerinde biriken statik elektrik yükünün boşaltılabilmesi için yeterli sayıda statik deşarj çubuğu kullanılması gerekmektedir. Kullanılan statik deşarj çubuğu sayısının yetersiz olması yukarıda sözü edilen problemlerin oluşmasına neden olacaktır. Bu sebeple, aynı bölümde uçaklarda kullanılması gereken statik deşarj çubuğu sayısının belirlenmesi için literatür araştırması yapılmıştır. Yapılan araştırmalar sonrasında örnek bir uçak (RV-10) için kullanılması gereken statik deşarj çubuğu sayısı belirlenmiştir. Hesaplamalarda bulunan değerler benzer bir uçak için önceden yapılmış çalışmalar ile karşılaştırılmıştır. Bunlara ek olarak, statik deşarj çubukları uçak üzerine monte edildiğinde uçak gövdesinden dışarıya doğru çıkıntılı bir yapı oluşturduğu için yıldırım akımının uçağa giriş veya çıkış bölgesi olabilmektedir. Bu sebeple, ikinci bölümde yıldırım akımı ile ilgili araştırmalara ve analizlere yer verilmiştir. Yıldırım akımı; bulut-bulut, bulut-yer, bulut-hava ve bulut içerisinde olmak üzere dört çeşit olarak meydana gelmektedir. Herhangi iki bölge arasında oluşan yük dengesizliği ve potansiyel farkı sebebiyle bu iki bölge arasında çok yüksek seviyelerde akım akışı şeklinde oluşmaktadır. Yıldırım akımının uçaklar üzerinde doğrudan ve dolaylı olmak üzere iki temel etkisi bulunmaktadır. Doğrudan etkiler, yıldırım akımının çarpma bölgesinde sıcaklık artışına bağlı olarak uçak gövdesinde meydana getirdiği mekanik hasara bağlı olan bozulmalardır. Dolaylı etkiler ise, uçağa doğrudan çarpan ya da uçağa yakın bir konumda oluşan yıldırım sebebiyle oluşan elektromanyetik alanların uçaklardaki elektronik ekipmanlara verdiği zarar olarak açıklanmaktadır. Bu sebeple, yıldırım akımının oluşum aşamaları ve akım karakteristikleri üzerine incelemeler yapılmıştır. Uçaklardaki yıldırım akımının çarpma bölgeleri incelendiğinde kanat uçları, yatay dengeleyiciler ve radom en yüksek riskli bölgeler olarak görülmektedir. Bu sebeple, Ansys Maxwell programı kullanılarak yıldırım akımı modellenmiş ve örnek bir uçak referans alınarak yıldırım akımının uçak üzerinde seyredebileceği alternatif yollar (radom giriş-kuyruk çıkış ve radom giriş-kanat çıkış) için simülasyon çalışmaları yapılmıştır. Simülasyon çalışmaları yapılırken yıldırım akımı sebebiyle uçak üzerinde oluşan akım yoğunlukları ve elektrik alanların gözlemlenmesi hedeflenmiştir. Günümüz uçaklarında, hem ağırlık hem de dayanıklılık bakımından alüminyuma göre avantajlı olması sebebiyle gövdelerinin büyük çoğunluğu kompozit yapılmaktadır. Kompozitin elektriksel iletkenliği alüminyuma göre daha düşüktür. Bu sebeple yıldırım çarpması durumu için kompozit gövdeli uçaklarda alternatif uygulamalar yapılmaktadır. Kompozit gövdeli uçaklarda yıldırım akımının bozucu etkilerini azaltmak için iletken bir ağ (mesh) yapısı kullanılmaktadır. Kompozitin içerisine bir ağ gibi yerleştirilen iletkenler sayesinde uçağın herhangi bir bölgesinden giren yıldırım akımı kontrollü bir şekilde uçak gövdesi üzerinde ilerleyebilmektedir. Bu kapsamda, kullanılması gereken ağ yapısındaki tellerle ilgili parametrelere ait hesaplamalar aynı bölümde belirtilmiştir. Son bölümde, tez kapsamında yapılan çalışmalar göz önünde bulundurularak statik deşarj çubukları ve yıldırım akımı arasındaki ilişki özetlenmiştir. Yıldırım akımının uçaklar üzerindeki yıkıcı etkilerini azaltmaya yönelik yapılan simülasyon çalışmaları ile ilişkili olacak şekilde önerilere yer verilmiştir.