İnsanlar genellikle uçan canlıların kanatlarını gözlemleyerek araştırmalar yapmışlar, bilgilerini uygulamaya çalışmışlardı. Kayıtlara geçen birçok kanatlı uçuş denemelerinden Endülüs’te Abbas ibn Firnas (9.yy), İngiltere’nin Malmesbury keşişlerinden Eilmer (1010), Türkistan’ın Nişabur kentinde İsmail bin Hammâd el-Cevherî  (1010), Bizans İstanbulun’da Siracettin Doğulu (1159), Hezârfen Ahmet Çelebi (1630), Of’lu Uzun Hazan (18.yy), Of’lu Veli Direko (19.yy. başları) bazılarıdır.

Günümüze ulaşan en eski ve detaylı çalışmalar Leonardo da Vinci’nin “Kuşların Uçuşu Üzerine” el yazmalarıdır. Örneğin 1483-1486 yıllarında “Çırpan Kanat” isimli çalışmasında biraz yarasalarınkini hatırlatan bir kanat geliştirmiştir. 12x12metre boyutlarındaki bu kanat, çırptığında Leonardo’ya göre ortalama ağırlıktaki bir insanı havalandırabilecekti. 1503’te çaylak vb. yırtıcı kuşlardan esinlendiği “Uçan Gemi” sini tasarlamıştı. Kanatlarını kolaylıkla çırpan ve havada manevra yeteneği olan bu çalışmaya göre yavaşça rüzgâra karşı kanat çırpma sayesinde uçuşla ilgili dengeler sağlanabilecekti. Ne ki bu çalışmadaki araç, gerçekleşmesi mümkün olmayan çok ağır bir yapıydı. Leonardo’nun “Hava Burgacı” isimli çalışması ise modern helikopter pervanelerinin atası sayılır.

Modern uçağın bugün bildiğimiz sabit kanat kavramı 1799 yılında İngiliz asıllı George Cayley tarafından düşünülmüş olup, o zamana kadar sürdürülen kuşkanadı taklitlerinden havacılıkta yeni bir evreye geçilmişti.

Alman mühendis-araştırmacı Otto Lilienthal, 1896 da ölümcül düşüşüne kadar –delta kanatları kanıtlamak için- kendi yaptığı modellerle yaklaşık 2.000 kez uçmuştu.

Wright Kardeşlere gelinceye kadar kanat-uçuş üzerine birçok araştırma-deneme farklı coğrafyalarda yapılmıştı.

Leonardo da Vinci’nin el yazması kanat çalışmaları

Wright Kardeşler şahinin kanatları arasındaki “V” şeklindeki açının sadece havadayken bir avantaj olduğunu ancak, kanatlarını “m” pozisyonunda tutan kartal ve doğana kıyasla sert havalarda dengesini sağlamakta güçlük çektiğini gözlemlemişlerdi. İlk denemelerinde kanat eğimi, dış bükeyliği gibi problemlerle çok uğraşmışlardı. Ardından kanat yüzeylerinin kaldırma kuvvetiyle ilgili deneylerle çözüme ulaşmışlardı. Bulgularına göre -gövdeye oranla- kuşlarınkinden daha küçük ve daha az hava direncine sahip kanatların yapımına hız vermişlerdi…

Kanatta kaldırma kuvvetinin oluşabilmesi için ileri hareket gerekir. Motor(lar)la sağlanan bu harekette, kanadın alt ve üst yüzeylerinden geçen hava akımları kanat bombesine bağlı olarak farklı hızlara ulaşır. Üst yüzeydeki akımın hızı daha fazla olduğundan basıncı alt yüzeyinkine oranla daha düşüktür. Bu fark kaldırma kuvvetini oluşturur…

Havacılık 1930'lu yıllarda çok hızlı ilerleme kaydetmişti. Özellikle ABD’de kanat şekilleri-biçimleri ve profilleri üzerine çok kapsamlı çalışmalar yapılmıştı. NACA (günümüzdeki NASA’nın atası kurum) rüzgâr tünellerinde denenmiş pek çok sayıda kanat profillerini kataloglarda toplamıştı. Uçak yapımcıları planlanan modelin kullanım amacına en uygun kanat profilini bu kataloglardan seçerlerdi. Seçimde istenen her koşulda en az sürükleme ile en yüksek kaldırma kuvvetini sağlayacak kanat profili ve ona bağlı kanat tasarımı öne çıkardı. 1936 yılında rüzgâr tüneli veya gerçek uçuş deneyi ile tasarlanıp üretilen profil sayısı 2.000'in üzerindeydi ve araştırmalar devam etmekteydi.

Bir uçak tasarlanırken üretilecek kanadın şeklini belirleyebilmek için öncelikle onun üstten bakıldığındaki görünüşüne yani “planform”una karar verilir. Sonra buna uygun enine kesitin profili, kısaca kanat profili seçilerek eklenir. Belli bir aerodinamik kaldırma kuvveti için yaratılan geri sürüklemenin büyüklüğü planform tarafından belirlenir. Uçak tasarımcıları kanat profili seçerken güvenlik nedeniyle profilin stoll karakteristiklerine yani yüksek hücum açılarında hava akımının kanadın üst yüzeyinden ayrılması sonucu kaldırma kuvvetinin –açı arttıkça- azalmasına dikkat ederler.

Zamanla akışkanlar dinamiğindeki gelişmelere paralel olarak kanat tasarım yöntemleri de değişmişti. 1970’li yıllarda tüm dünyayı etkileyen petrol krizi ve artan yakıt fiyatları ticari uçakların kanat tasarımlarında çok radikal değişikliklere yol açmıştı. Günümüzde bilgisayarlı teknolojilerin yardımıyla kanat profillerinin çoğunluğu -NACA katalog bilgilerinin yanısıra- istekleri karşılaması için özel olarak tasarlanmaktadır.

Kanatların ön kenarına (hücum kenarı), arka kenarlarına (firar kenarı), kanat üstüne veya altına takılmış, hareket edebilen bir takım aerodinamik yüzeyler (özel kanatçıklar) vardır. Bunlar taşıma-kaldırma kuvvetini değiştirenler ve uçağın manevralarında kontrol görevini yapanlar olarak iki ana gruba ayrılırlar. Özellikle uçağın kalkış, iniş ve yavaşlama manevralarında kullanılarak kanadın yetkinliğini arttırırlar. Her biri aileron, aileron-flap, flap, spoiler, slat gibi farklı isimler almıştır.

Kanat üzerinden geçen hava akımının yüksek hücum açısıyla uçuş konumunda bozulmasını engellemek, sınır tabakasının ayrılmasını geciktirmek için vorteks (girdap) jeneratörü denilen, havanın akış yönüne dik olarak yerleştirilen minik levhalar vardır. Böylelikle daha uçaklar daha ağır ve daha düşük hızlarda iniş-kalkış yapabilir, stoll süratleri daha düşük olduğu için havada daha düşük hızlarda uçabilirler. Ayrıca yeni nesil, özellikle yolcu ve kargo uçaklarında gürültüyü azaltmak için de kullanılmaktadır.

Kanat Uçakların gelişimi: ABD’ nin XB-35, YB-49, B-2  (Burada yer almayan Almanların II.Dünya savaşında ürettikleri Horten Ho-serisi kanat uçakları bu kategorinin atası olup, önemlidir.)

Uçak motorları, genellikle yolcu ve kargo modellerinde kanada takılır. Önemli olan motora gelip, giren hava akışının olabildiğince -uçağın başka yüzeylerince-bozulmadan serbestçe ulaşabilmesidir. Ayrıca kanat altına takılan motorlar, kanatlarda oluşan taşıma-kaldırma momentlerini hem kendi ağırlıklarıyla hem de ileri doğru yarattıkları tepkimeyle dengelerler. Böylece taşıma kuvvetinin kanat üzerindeki olumsuz etkilerinin bir kısmını bertaraf ederler. Örneğin B-747 uçağının tek bir kanadı, uçuş esnasında 200 tonluk bir taşıma kuvveti sağlar. Eğer motorları kanatta olmasaydı bu kuvveti karşılamak için kanat daha ağır üretilecekti. Kanadın altına motorları yerleştirince daha hafif üretilen kanatlar, uçağın toplam boş ağırlığının azalmasını sağlarlar. Elbette gövdeye monte edilen motorlara oranla gürültünün kabinde azalması, uçağın daha çok yük taşıması, daha az yakıt tüketimi vb. avantajları da vardır.

Kanat tasarımında ses süratine yaklaşırken ve üzerindeki hızlarda uçuşlar için farklı aerodinamik problemler (şok dalgaları vb.) nedeniyle radikal değişiklikler yapılmıştır. 1 Mach (ses hızı birimi) sayısına yakın hızlara erişip aşabilmek için ya kanat profili çok ince yapılmış ( X-1 ve serisi, F-104 uçaklarında olduğu gibi) veya “kritik üstü profil” denilen, özel şekillendirilmiş kanat profili (F-111 uçaklarında olduğu gibi) geliştirilmiştir. Bazen iki seçenek birlikte de kullanılabilmektedir. Mach sayısı ne kadar yüksekse genellikle kanat profili o kadar ince olur. Ses üstü uçuşlarda oluşan şok dalgalarının olumsuz etkisini azaltmak için çok keskin kanat hücum kenarları (SR-71 Black Bird, Concorde vb.) kullanılmıştır. Ancak ince ve keskin kanat profili ses altı süratlerde, özellikle kalkış-iniş aşamalarında ciddi problemler çıkartabilmektedir. Ses üstü süratlerde uçuş için çok keskin hücum kenarı yerine geriye ok açılı değişken kanatlar tasarlanarak (F-14, F-111 vb.) uygulanmıştır.

XB-70 Valkyrie uçağının aşağıya kıvrık kanat uçları süpersonik hızda kanatçık  (aileron) görevini üstlenmiş

İlk uçuşunu 1961 yılında yapan F-4 II Phantom uçağının kanat uçları yukarı kıvrık özelliğiyle süpersonik uçuşta ayrı bir yeri vardı. Öte yandan yine ABD’de ilk uçunu 1964 yılında yapan XB-70 Valkyrie tipi jet uçağında kanatlarının ucu, hızı arttıkça 25° ila 60° aşağıya doğru katlanabiliyordu. Kıvrık uçlar, kanatların diğer firar kenarındaki kanatçıklar gibi yatış manevrası için işlev görebiliyor, böylelikle kendi şok dalgası üzerinde rahatlıkla uçabiliyordu. Ancak ABD’nin savunma bütçesindeki kısıtlamaları ve test uçuşundaki kazalar nedeniyle proje rafa kaldırılmıştı…

Ok açılı kanatlar nerdeyse tüm modern ve yüksek hızlı uçaklarda kullanılmaktadır.  Geriye ok açılı (pozitif ok açılı İngiliz Lightning avcı uçağı vb.) ve öne ok açılı (negatif ok açılı Grumman X-29 vb.) kanat modelleri ses üstü süratler için vazgeçilmezdir. Ok açılı kanatların bir alt kümesi olarak delta kanat modeli (F-102, F-106, Mirage serileri vb.) vardır.

Kanat çeşitleri: Üstten görünüm, karşıdan görünüm, gövdeye montajına göre vb. oldukça değişik kategorilerde kanatlar sınıflandırılmaktadır. Helikopterin döner-kanat (pervane) ayrı bir konu olup bu yazıda bahsedilmemiştir. Öte yandan özellikle uçak gemileri, sıkışık hangarlar vb. için katlanabilir kanatlar bu kategorilerde yer almamıştır. Uçak kanadı sınıflamalarından bazıları aşağıdadır:

Üstten Görünüm:

   Üçgen (Delta) Kanat

   Hücum kenarı geriye açılı kanat

   Hücum ve firar kenarı geriye açılı kanat

   Geriye ok açılı kanat

   Firar kenarı öne açılı kanat

   Öne ok açılı kanat

   Elips biçimli kanat

   Değişken açılı kanat

Karşıdan Görünüm:

   Üstten kanatlı –destekli

   Üstten kanatlı –ankastre

   Üstten martı kanatlı

   Alttan kanatlı

   Alttan martı kanatlı

   Ortadan kanatlı

   Dış destekli kanat

   Çift kanat (biplane)

Kanatların gövdeye Montesine Göre:

   Pozitif dihedral kanat

   Negatif dihedral kanat

   Çift dihedral “W” kanat

   Çift dihedral “M” kanat

“Kartal gibi kanatlı insanlar da kendini göklerin fatihi yapacaktır.”

                                                               Leonardo da Vinci

3) CANLILARDAN HAVACILIĞA (BİYOMİMETİK) KANAT SİMÜLASYONLARI:

Biyomimetik, doğadaki canlıları taklit anlamında olup, uzun zamandan beri teknoloji dünyasında sıkça başvurulan bir bilim dalıdır.

Kuş kemiklerinin içi boş olduğu için cüssesine oranla hafiftirler. Modern uçakların kanatları da benzer özellikler göz önünde tutularak tasarlanmakta, farklı malzeme ve üretim teknikleriyle geliştirilip problemler çözülerek sahada kullanım için üretimleri sağlanmaktadır.

Birçok kuşun uçuş tüylerinin belirgin ve düzgün şekilli kenarları olmasına karşın baykuşların uçuş tüyleri, havanın kanat üzerinden geçerken oluşturduğu türbülansı ve böylelikle gürültüyü de azaltan yumuşak saçaklara sahiptir. Özellikle askeri havacılıkta baykuş kanatlarından esinlenerek daha sessiz (hayalet) uçaklar yapılmaya çalışılmaktadır.

NASA, Boeing ve ABD Hava Kuvvetlerinin ortaklaşa yürüttüğü bir çalışmada göçmen kuşların uçuş koşullarına (sıcaklık, basınç, rüzgâr vb.) göre kanat eğriliğinin ve açıklığının değiştirilmesi incelenmektedir. Çalışmada uçaktaki bir bilgisayar uçuş koşullarını sürekli değerlendirerek cam liften yapılmış esnek kanat bombesini ve açısının değiştirilebilmesi denenmektedir. Kısaca çalışma, uçuş koşullarına göre şekil alabilme özelliği olan kanatları (adoptive wings) geliştirerek yakıt tüketimini en aza indirebilmeyi amaçlamaktadır. Benzer çalışmaları Airbus firması da yürütmektedir. Daha eski teknolojiye sahip ABD Hava kuvvetlerinde F-111, F-14, B-1, Alman İngiliz ortak yapımı Panavia Tornado, Rusların Tu-160, Tu-22M, Mig-23, Su-17 ile Su-24 serisi vb. gibi savaş uçaklarında geriye ok ve hareketli kanatlar, hızlandıkça veya yavaşladıkça konumları değişmektedir.

Albatroslar uzun ve büyük yüzeyli kanatları sayesinde kanat çırpmadan uzun mesafelere uçabilmektedirler. Özellikle planörlerin kanat yapıları albatroslardan örnek alınarak tasarlanmaktadır.

Akbabalar uçarken teleklerini (kanatların ucunda bulunan büyük tüyler) bir elin parmakları gibi açabilmektedirler. Bu özellik kanat uçlarında basınç farkından oluşan vorteksleri (burgu şeklinde aşağı hava akışlar) ve türbülansları azaltmakta veya yok etmektedir. Böylelikle akbabalar daha az enerji harcayarak uçuşlarını sürdürmektedirler. Uzun süreden beri uçakların –özellikle yolcu, nakliye vb.) kanat uçlarına yerleştirilen küçük ve farklı kanatçık yapıları (Winglet), vorteks ve türbülansları olabildiğince yok etmeye yöneliktir.

Bilim insanları, araştırmacılar 20.yy dan beri böceklerin kanat çırpma hareketlerini çok yakından incelemektedirler. Zira kanat çırpma hareketini son derece karmaşık aerodinamik tekniklerle gerçekleştirmektedirler. Örneğin meyve sineği her kanat çırpışında kanatlarının yönü değişmektedir. Aşağı hareket eden kanatta üst kısım yukarı bakarken, yukarı harekette kanat dönerek bu kez kanadın alt kısmı yukarı bakmaktadır. Bu hareketi klasik aerodinamik kurallarıyla analiz etmek adeta imkânsız olmasına rağmen inceleme ve araştırmalar sürmektedir. Yine aynı sineğin kanatları bir çırpma yaptığında arkasında türbülanslı bir hava dalgası bırakmaktadır. Kanat geri dönerken, bunu tıpkı gemilerin dümen suyu gibi dalganın (türbülansın) içinden geçirerek daha önce kaybettiği enerjisinin bir bölümünü yeniden kullanmaktadır. Bu uçuş ve kanat özelliklerinin havacılığa uyarlama çalışmaları sürmektedir.

İLGİLENENLER İÇİN NOTLAR:

Eski Ahit’te “dört ayaklı ve kanatlı böcekler sizin için iğrençtir ama ayaklarını sıçramak için kullananların bazılarının etini yiyebilirsiniz” diye hangi böceklerin yenilebileceği ayrıntılı tarif edilmiştir.

Ağustos böceklerinin bazen bıktırıcı olabilen sesleri, erkeklerin dişilere yaptıkları aşka davet şarkısı olup, sanıldığının aksine ağzıyla değil ön kanatlarını birbirine sürterek çıkartır.

Günümüzdeki aerodinamik ve akışkanlar mekaniği alanındaki bilgi birikimi göz önüne alındığında bazı tür yaban arılarının kanatları o kadar küçüktür ki, oransal olarak çok büyük gövdesini uçurması bilimsel olarak imkânsız kabul edilir. Ne var ki, onlar bunları bilmedikleri için pekâlâ güzelce uçmaktadırlar!

Uçakların kanatları esnek olup kanat uçları aşağı yukarı havada hareket ederler. Bu esneklik olmayıp sabit dururlarsa, kanat sert havalarda türbülansın yüklediği kuvvetler nedeniyle havada kırılabilirdi. Örneğin B-707 uçağının kanat ucu türbülansta aşağı-yukarı 50’≈ 15.2m hareket edip, oynayabilmektedir.

Planörcüler termik havayı arayıp bulmak için varsa kuşların kanatlarını kullanmalarını takip ederler.

Dünyada dövme yaptıranların çok büyük yüzdesi kanat figürünü seçmektedir.

Faydalanılan Kaynaklar:

* Uçak ve Uzay Mühendisleri için Uçuşa Başlangıç (John D. Anderson Jr. – Nobel Akademik Yayıncılık, 2016)

* Gökyüzü Neden Başımıza Düşmüyor? (Aydoğan Koç – Koç Consulting Ltd. Şti. 2007)

* Uçak (David Pascoe – Optimist Yayım Dağıtım Sanayi ve Tic. Ltd. Şti. 2015)

* P Dünya Sanatı Dergisi (Sayı: 41 Yaz, 2006)

* Mühendisler Ne Bilirler, Nasıl Bilirler? (Walter G. Vincenti –Tübitak Popüler Bilim, 2008)

* Doğanın Anatomisi (Julia Rothman – ODTÜ Yayıncılık, 2017)

* Böcekler Gezegeni (AnneSverdrup-Thygeson – Koç Üniversitesi Yayınları, 2020)

*Canlılarda Kanat Varyasyonları ve Uçuş Mekanizmaları (Merve Uluğ – Lisans Tezi, Anadolu Üniversitesi Fen Fakültesi Biyoloji Bölümü, 2007)

* Yeterince Tembel misin? (Tuğba Çoşkuner – Cezve Kitap, 2018)

* Doğanın Gizemleri ve Harikaları (Elizabeth Dalby – Tübitak Popüler Bilim, 2017)

* Doğa, Kuş, Gözlem (Susanna Davidson & Sarah Courtauld & Kate Davies – Tübitak Popüler Bilim, 2010)

*Wright Kardeşler (David McCullough – Lemur, 2016)

*Da Vinci’nin Bilimi (Fritjof Capra – Optimist Yayınları, 2009)

*Havacılık Tarihi (Türk Tayyare Cemiyeti Neşriyatı, 1930)

* İstikbal Göklerin Gökler Bizimdir II.Cilt (Oktay Verel – T. Hava Kurumu Yayınları, 1985)

*Havacılık Tarihinde Türkler 1.Cilt (Yavuz Kansu & Yılmaz Öztuna & Sermet Şensöz – HKK. Lığı Hava Basımevi ve Neşriyat Md.lüğü, 2006)