Sonik patlamalar nedir?

Ses sınırını aşmak

İnsan var olduğundan bu yana doğanın kendisine çizdiği sınırları aşmak için büyük mücadele veriyor. İster teknolojik üstünlük, ister ekonomik sebeplerle, ister sadece meraktan, bu bilim ve teknoloji tarihimiz için daima geçerli oldu. İşte insanoğlunun tarihinde aştığı doğal sınırlardan birisi de ses sınırıdır.

Ses dediğimiz şey, bir titreşim dalgasıdır. Mühendisler ya da akışkan ile uğraşan fizikçiler buna “bozuntu” derler. Var olan o sakinliği düzenli bir şekilde ilerleyerek bozan o etki…

Duyduğunuz herhangi bir ses, herhangi bir cisim tarafından yaratılmış bir tür bozuntudur. Bu bozuntunun hava molekülleri içerisinde yayılabilmesi için hava moleküllerinin birbirleriyle etkileşime girerek bu dalgayı transfer etmeleri gerekir. Bir leğen suya attığınız bir taşın yarattığı bozuntunun halka halka yayılması gibi. Zaten bu yüzden ses boşlukta yayılamaz.

Sahilde otururken fark edildiği üzere, yakınlardan geçen bir geminin yarattığı ya da kuvvetlendirdiği dalgalara benzeterek anlaşılabileceği gibi, hava araçları da içerisinde seyrettikleri hava kümesinde bozuntu yaratırlar. Bizler bir uçağın gelişini o bize gelmeden önce ulaşan gürültülerinden anlarız, çünkü uçağın havada yarattığı bozuntular uçaktan hızlıdır, zira ses hızında hareket ederler.

Peki, bir cisim hareket ederken kendi yarattığı bozuntu ile aynı hızla ve hatta ondan hızlı gitmeye kalksa ne olurdu?

Bu soru Einstein’in Toskana kırlarında gezerken “bir ışığa binsem Dünya’yı nasıl görürdüm” sorusu kadar yanıtları hayret verici bir soru olmasa da kavramsal olarak benzer bir sorudur.

Yanıtı şu aşağıdaki şeklimizden inceleyelim:

1. Herhangi bir hızda seyahat eden bir uçak düşünün. Görüldüğü üzere ses dalgaları uçağın önünde seyretmektedirler. Bu uçak bize yaklaşırken, sesini görüntüsünden önce duyardık.
2. Uçak artık ses hızında gitmektedir, yani başka bir deyişle, uçak kendi yarattığı gürültü ile birlikte seyahat etmektedir. Üst üste binen bozuntu dalgaları ses duvarını oluştururlar. Tam bu noktada uçak “transonik” hızdadır. Yani geçiş hızında. Böyle bir uçağın gürültüsünü görüntüsü ile birlikte, şiddetli bir patlama olarak duyardık.
   

   Geride bırakılmış dalgaların alt kenarı bize ulaştığında ani bir şekilde o sert gürültüyü duyarız. duyardık.

3. Uçak ses hızını aşmak istiyorsa, ikinci maddede bahsettiğimiz ses duvarını aşmak zorundadır ve bunu yaparsa artık kendi ürettiği bozuntudan/gürültüden daha hızlı hale gelir. Böyle bir uçağın görüntüsü gürültüsünden daha önce gelecektir. Biz uçak geçip gittikten kısa bir süre sonra sesini yine şiddetli bir patlama olarak duyardık.
4. Dört ile gösterilen duvarlar, şok dalgaları olarak adlandırılırlar. Bizlerin uçağın sesini şiddetli bir patlama olarak duymamızın sebepleridir aynı zamanda. Şok dalgaları önemli bir süreksizliktir ve havanın kinetik enerjisini büyük ölçüde düşürür, ayrıca yapıya bir kuvvet uygular. 2 numaralı şekildeki şok dik şoktur ve bu şoka uğrayan havanın hızı tekrar sesaltına düşer. 3 numaralı şekildekiler ise eğik şoktur ve hava sesüstü rejimde kalmaya devam eder.

Bu ses konisinin ve duvarının nasıl olduğunu anlayabilmek için, gürültüsüyle, görüntüsüyle bazı ses bariyeri aşma görüntülerini aşağıdaki video üzerinden izlemek faydalı olabilir:

Ses hızının üzerinde seyreden bir akışkanın gösterdiği davranışlar büyük ölçüde bildiğimiz davranışlardan saparlar ve bambaşka bir hal alırlar. Örneğin tüm akışkanlar kapalı bir boru içerisinde akarken Bernoulli denklemine uygun olarak, kesit alanı ile hızları ters orantılı değişir. Yani bahçe hortumunun burnunu sıkar ve akışın geçtiği kesit alanını daraltırsanız akış hızlanır. Oysa sesüstü hızlarda bu durumun tam tersi gerçekleşir. Sesüstü bir akımla bahçeyi sulasa idiniz hortumun ucunu sıktığınızda akımın yavaşladığını görürdünüz. Serbest bıraktığınızda ise hızlanırdı. Bu hiç de verimli bir bahçe sulama işi olmazdı. Üstelik bu iş için çok sağlam bir hortuma ihtiyaç duyardınız, çünkü kesiti daralttığınız zaman ortaya çıkan şok dalgaları, kesiti genişlettiğiniz zaman ortaya çıkacak olan Prandtl-Mayer genişleme dalgaları hortumunuzu oldukça zorlardı.

Örnekten de anlaşılacağı üzere sesaltı aerodinamiği ile sesüstü aerodinamiği, çok farklı temellere dayanır ve sesüstü hızlar bize yeni problemler getirir. Bu yüzden havacılık tarihinde de sesüstü hızlara geçmek sadece daha kuvvetli motorlar tasarlamak ve üretmek olmamış; bu hızlarda güvenli olarak uçabilecek yeni tasarımlar oluşturulması anlamına gelmiştir. Sesaltı bir yolcu uçağı ile bir askeri uçak ya da bir Concorde arasındaki görüntü farkı oldukça algılanır bir farktır.

Ses hızı 20 C’lik bir sıcaklıkta kuru bir havada 343.2 m/s hızındadır ve hava sıcaklığına göre değişir. Daha sıcak havalarda ses daha hızlıdır, daha soğuk havalarda ise daha yavaş. [2]

Çok duyduğumuz terimlerden olan süpersonik, hipersonik, transonik gibi terimler, “sesten hızlı”, “sesten çok hızlı” gibi anlamlara gelirler ve araçlar için kullanılırlar. Akımlar için kullanıldığında ise bu sıfatlar birer “rejim” adı olarak ifade edilmeye başlanır: Süpersonik rejim, hipersonik rejim gibi…

Avusturyalı fizikçi Ernst Mach, ses hızı için birimsiz bir sayı tanımlamış ve buna Mach (Okunuşu: Mah) sayısı demiştir. Mach sayısı, bir hız değerinin ses hızının kaç katı olduğunun bir ifadesidir. 1 Mach hızı demek, o koşullar için ses hızı her ne ise o demektir. 2 Mach (ya da Mach 2) ise ses hızının iki katı. Rejimler akımın hızının kaç Mach olduğuna göre adlandırılırlar.

1 Mach’tan küçük hızlar Sesaltı (İng. Subsonic),
0.8 Mach ile 1.2 Mach arasındaki hızlar Geçişli (İng. ve Türkçe’ye geçmiş haliyle Transonik)
1 Mach hızı sonik,
1.2 Mach’tan büyük, 5 Mach’tan küçük hızlar sesüstü ya da süpersonik,
5 Mach’tan büyük hızlar ise hipersonik hızlar olarak anılırlar.

Bazı kaynaklarda 10 Mach’tan büyük hızlar için “yüksek hipersonik” hızlar dendiğine rastlanabilir.

Ses hızını sürdürmek: Süperseyir

Süperseyir ilk olarak ABD ordusunda tanımlanmıştır. İlk olarak bir uçağın düşman hava sahasında yirmi dakika sesüstü hızda seyredebilmesi olarak tanımlansa da bugün art yakıcı kullanmadan kararlı ve sürdürülebilir bir sesüstü uçuş rejimine denmektedir. Concorde ve Tupolev 144, süperseyir özelliğine sahip sivil uçaklardı, ancak Concorde’nin tedavülden kalktığı 2003 yılı Kasım ayından bu yana böyle bir sivil uçuş bir daha gerçekleşmemiştir. (Meraklıları için, Bkz: Notlar [1] – Concorde Rüyası nasıl sona erdi?).

Askeri havacılık ve sivil havacılığın emniyet anlayışları birbirinden çok farklıdır. Bu yüzden kurallar ve standartlar da değişiklik gösterir. Bir askeri uçağın operasyonel gereksinimler ve taktik üstünlük amaçlı ses hızında seyretmesi ile yolcu uçağının mesafeleri ses hızından daha hızlı katetmesi arasında da önemli bir fark vardır. Zira sesüstü hızlarda seyretmenin yaratacağı sıkıntılar, alınacak riskin boyutlarını ve elbette aracın maliyetini de büyük ölçüde değiştirir.

Sesüstü uçuşun başlıca sakıncaları öncelikle şok dalgaları ve genişleme dalgalarından kaynaklanıyor. Sesaltı uçuşlarda uçağın bir noktasının yaratacağı etkilerin diğer bir parçayı etkilemesi nadirdir, ancak sesüstü hızlara ulaşınca bu durum değişir. Daha önce de sözünü ettiğimiz sesüstü ve sesaltı uçakların arasındaki tasarım farklılıkları da problemi derinleştiriyor, zira tasarlayacağınız sesüstü bir uçak, sesüstü rejime geçene kadar mevcut sesaltı uçaklarla aynı yolu izleyecektir: Sesaltı rejimde kalkacak, tırmanacak, uygun ve güvenli bir irtifaya gelene kadar da sesaltı bir uçak gibi davranmak zorunda olacaktır. Yine de tasarım problemi üretim ve bakım maliyetlerini arttırmak pahasına çözümlenebilir: Uçağın değişebilen bir geometriye sahip olması gibi.

Fakat bir de akışkanın kendi mekaniğinden kaynaklanan önemli bir engel mevcut: Aerodinamik ısınma.

Süpersonik bir rejimde uçarken şok dalgalarının yarattığı sürtünme ve akışkandaki dinamik değişimler önce akışkanın, daha sonra da parçaların aşırı ısınmasına sebep olur. Örneğin bir SR-71 Blackbird bombardıman uçağı Mach 3.1 hızında uçarken gövde sıcaklığı 315 C’ye kadar çıkar, ki bu sıcaklık uçağın imalatında kullanılan malzemelerin yapısal özelliklerini değiştirebilecek bir sıcaklıktır.

Uçağın kendi aerodinamik tasarımının yanısıra motor ve motor alıkları da başlı başına bir problem yaratır. Uçağın hangi Mach sayısıyla uçtuğuna göre geometrisi değişebilecek bir motor hava alığına ihtiyaç vardır; çünkü sesüstü hızdaki bir akışkan önüne gelen her geometride şok dalgaları oluşturmaya muktedirdir ve motora giden akımın bunu kontrolsüz bir şekilde gerçekleştirmesi hiç de istenen bir durum değildir. Motora girecek havanın hangi şok dalgalarından nasıl çıkacağı belirlenemezse, o avare akımın ve şok dalgalarının yapısal olarak motoru zorlaması mümkün olduğu gibi, motorun istediğiniz o sürekli itkiyi sağlamasını teminat altına almaz. Bunu önlemek için kullanılan alık rampaları (İng. intake ramps) bu problemi çözmektedir, ancak tahmin de edildiği üzere bu hem bakım, hem de üretim maliyetlerini arttıracak bir çözümdür. Bu tip gereksiz harcamalar savunma amacıyla hoş görülse de tedavülden kalkmadan önce bilet fiyatları 9000 USD’yi bulan Concorde’yi başarısız bir proje haline getiren yüzlerce ayrıntıdan birisidir.

 

 

Ses hızını gerilerde bırakmak

Bugün hipersonik uçuş gerçekleştiren bir uçak olsaydı İstanbul’dan New York’a yaklaşık bir saatte gidebilirdik. Bu kulağa oldukça hoş geliyor ve olası fiyatının ne olabileceğini düşünmediğimiz sürece de öyle olurdu.

Ancak hipersonik uçuş süpersonik uçuşta olduğu gibi ekonomik sebeplerden ötürü es geçilen bir alan değil. Ses hızını aşmak insanlar için teknolojik bir problem olmaktan çıkmış olup daha çok ekonomik ya da stratejik bir karar haline geldi, ama ses hızını çok gerilerde bırakmak, yani hipersonik hızlarda seyahat etmek daha çok teknolojik bir sınır olarak görünüyor.

Hipersonik hızlara ulaşan ilk hava aracı 2. Dünya Savaşı’nda Almanların kullanmış olduğu V-2 roketleridir[3]. NASA’nın geliştirdiği X-15 ise 1959’dan 1968’e kadar gerçekleştirdiği 199 uçuşta araştırıcılara sağladığı bilgilerle hipersonik uçuşun atası olmuştur. Hipersonik uçuşa ait tüm temel bilgilerin emektar X-15 ile elde edildiği söylenebilir. Ay’a ilk ayak basan astronot Neil Amstrong’un da bir X-15 pilotu olduğunu söylemekte fayda var.

Füze, bomba ya da benzeri mühimmatlar gibi, atıp sadece hedefi vurmasını ve dolayısıyla imha olmasını önemsemediğiniz bir aracın hipersonik hızlara ulaşması ile, tekrar tekrar kullanılmak istenen bir aracın hipersonik hızlara ulaşması çok farklıdır. Aracın bekası, onun emniyetli bir şekilde yere indirilmesinden geçiyor. Bu da onun hiç zarar görmemesi demek. Hele ki henüz deneysel bir aşamada ise, ölçümleri sağlıklı yapabilmek ve bunu tekrar edebilmek çok önemli. Bu yüzden hipersonik uçuşun yükünü hala deneysel uçaklar çekiyor. Bu deneysel uçakların başında NASA’nın X-43A’sı ile Boeing’in X-51’i geliyor, ancak bu uçakların X-15’ten önemli bir farkı var: İnsansız olmaları.

İnsansız hipersonik uçaklar araştırmacılara daha geniş bir alan sunuyorlar, çünkü hipersonik uçuş risklidir ve uç bir seyir halidir.

Hipersonik şok dalgaları o kadar güçlüdür ki, süpersonik hızlarda karşılaştığımız ve malzemelerimizin mukavemet özelliklerini değiştirmesinden endişe ettiğimiz o sıcaklık birkaç katına çıkar. Hipersonik ve yüksek hipersonik hızlara çıkıldığında uçağın yüzeyi ile şok dalgası arasında gazın ideal haline ve hatta maddenin plazma haline bile rastlanabilir.

Ayrıca roket motoru bize tekrarlılık ve süreklilik sağlamayacağından hipersonik uçuş için başka tip bir motora ihtiyaç duyulmuştur: Şu an bu hızlara mahzar olan deneysel uçaklar, bildiğimiz jet motorları ile değil, scramjet adı verilen daha özelleşmiş bir motor çeşidi ile çalışmaktadırlar.

Ramjet motorunun süpersonik hız üretmek üzere özelleşmiş hali olan scramjetler, tüm ramjet ailesinde olduğu gibi kompresör, fan gibi döner parçaları olmadan ve geometrisi sayesinde sıkıştırdığı hava/yakıt karışımını patlatmak suretiyle itki elde eten motorlardır. NASA’nın geliştirdiği ve hipersonik uçuş deneylerinde kullandığı X-43A’nın scramjet motoru 9.8 Mach’lık bir hız rekorunun mimarıdır. Ancak şöyle bir detay var: Scramjet motorlarının çalışabilmesi için öncelikle bir başlangıç hızına ihtiyaçları vardır. Bu yüzden gerek X-43A, gerekse Boeing X-51A, uçuşlarını gerçekleştirilmeden önce başka bir uçak yardımıyla yüksek bir irtifaya çıkarılarak belli bir hıza ulaştıktan sonra bırakılıp çalıştırılmışlardır.

Sonuç

Hız hayatımızı kolaylaştıran bir unsur ve hatta bir anlamda medeniyetimizin ölçüsü. Uzakları yakın hale getiren teknolojik bir vasıf olmasının yanı sıra bu yönüyle stratejik ve askeri üstünlüğün de mihenk taşı. Sivil havacılık ve askeri havacılığın birbirinden farklı konseptleri olması, hıza olan yaklaşımlarını da büyük ölçüde değiştiriyor.

Hep daha hızlı olmak isteyen insanın uzayı ve gezegenleri keşfedebilmesinin de anahtarı, geliştirdiği teknolojilerin onu ne kadar “hızlandırdığı” ile doğrudan ilgili.

Yerçekimine karşı koymak için aerodinamik kuvvetlerden yararlanmak zorunda kaldıkça ya da ışınlanma gibi daha farklı ve fantastik yolları keşfetmedikçe, havadan ve hızlı seyahate muhtaciyetimiz devam edecek.

Başta malzeme teknolojisi olmak üzere tasarıma yardımcı birçok bilgisayar teknolojisinin ilerlemesiyle birlikte daha ucuz, daha emniyetli süpersonik yolcu uçaklarının kısa vadede tekrar kullanıma girmesini bekleyebiliriz. Birçok uçak üreticisi Concorde ile tarihe gömülen süperseyir özellikli yolcu uçaklarını küllerinden doğurmak için çalışmalar yapıyor.

Öte yandan hipersonik uçaklarda yolcu olarak uçabilmemiz ciddi bir süre gerektiriyor, bu yüzden insansız hava araçlarının kabul gördüğü askeri sahada hipersonik uçakların etkin bir şekilde kullanılmasına daha makul bir süre içinde rastlayabiliriz.

Şimdi bizlere düşen, İstanbul ile New York arasını İstanbul içi bir minibüs seferi ile aynı süreye düşürecek bu teknolojinin insanlığın kullanımına girmesini beklemek…

Ömrümüz yeterse.

Tevfik Uyar / @tevfik_uyar

Kaynaklar: 
– NASA Glenn Araştırma Merkezi Web Sayfası 
– Centennial of Flight Web Sayfası 
– Uyar T. “Sesten Hızlı İş Adamları Geliyor”,  Aviation Türk dergisi, 2. Sayı. Mart 2008
– Wikipedia 
– Uyar T. “Yine mi Concorde”, SavunmaSanayi.NET

Notlar: 
[1] Aşağıda meraklıları için bir Concorde tarihçesi ekledim. 
[2] Hugoniot denkleminden yola çıkarak akışkanın özelliğinin sabit tutulması halinde ses hızının sadece sıcaklığa bağlı olduğu ispatlanır. Uçak mühendisliği öğrencilerine Prof. Dr. Adil Yükselen’den ders almaları halinde bu ispatı iyi öğrenmelerini tavsiye ederim.
[3] Wernher Von Braun’un dehasının ürünü olan V-2’ler 2. Dünya Savaşı’ndan sonra ABD’nin eline geçtiğinde uzay çalışmalarının hızlanmasını sağlamıştır.