Bir cismin hızının, ses hızına oranına “Mach sayısı” denilmektedir. Bu kavramı ilk bulan, ses üstü akımları gözlemleyip analiz eden Avusturyalı bilim insanı Ernst Mach olup, fiziğe katkıları çok çeşitli konulardadır…

E. Mach’ın çektiği süpersonik bir mermi etrafındaki yay şok dalgalarının fotoğrafı -1887. (Hem burun hem de kuyrukta ayrı ayrı oluşan şok dalgaları önemlidir.)

Eğer Mach sayısı 1 ise buna “Sonik Hız” denir. Bu durumda cismin havadaki hızı ile havadaki ses hızı birbirine eşittir. Oran 1’den küçük ise; yani cismin havadaki hızı, ses hızından az ise buna “Subsonik Hız” denir. Cismin havadaki hızı ses hızından yüksekse, yani Mach sayısı 1’den büyükse buna “Süpersonik Hız” denilir. Subsonik hızdan 1Mach süpersonik hıza geçişte bir takım değişiklikler olduğu için bu bölge “Transonik Rejim-hız” olarak adlandırılır. Elbette süpersonik hızlar kendi aralarında kategorize edilmiştir:

0< Mach <1 – Subsonik

Mach≈1 - Transonik (0.8-1.2Mach) (988-1.482km/sa)

1,2 ile 3 Mach arası Süpersonik (1.482-6.174km/sa)

3 ile 5 Mach arası Yüksek Süpersonik

5 ile 10 Mach arası Hipersonik (6.174 – 12.350km/sa)

10 ile 25 Mach arası Yüksek Hipersonik (12.350-30.870km/sa) hızlardır.

<25 Mach (Genellikle) Atmosfere tekrar giriş  (>30.870km/sa)

Süpersonik ve daha yüksek hızlarda uçmak için tasarlanan uçaklarda keskin kenarlar, geriye ok açılı kanat dizaynı, ince kanat profilleri ve tamamen hareketli yatay kuyruk düzlemi vb. aerodinamik özellikler çok önemlidir. Ancak modern savaş uçaklarının düşük hızlarda kullanım özelliklerini karşılamak için bu niteliklerden tasarımlarında ödünler -özellikle maksimum ses sürati- verilmekte, bazı yardımcı aerodinamik yüzeyler (flap, slat vb.) veya hareketli kanatlar (B-1, F-14 uçakları vb.) kullanılmaktadır. Ayrıca yüksek süpersonik hızlardan itibaren gövde-kanat kaplamalarındaki fazladan ısı birikmelerine dayanıklı kaplama maddeleri ve daha küçülen kanat biçimleri vb. özellikler, tasarımda vazgeçilmezdir.

Hipersonik ve yüksek hipersonik hızlarda uçulurken hava akışında yapısal dayanıklılık bakımından çok önemli fiziksel değişiklikler (moleküler ayrışma, iyonlaşma vb.) başlar. Hipersonik hızdan itibaren uçan aracın kinetik enerjisi ısıya dönüşürken, akışın sıcaklığı ile özgül ısı kapasitesinin değişmesi nedeniyle aracın kaplama özellikleri hayati önem kazanır. Hipersonik hızlarda sürtünmeyle ısıtılan hava, iyonize bir gaz plazması haline gelmektedir. Özellikle uzay araçlarının atmosfere girişlerinde adeta alev topuna dönüşmeleri bu özelliğe bir örnektir.

Hipersonik hız araştırmalarına genellikle yüksek ısı problemleri nedeniyle jargonda aerodinamik yerine “aerotermodinamik” sözcüğü kullanılmaktadır.

Bir kanat profilinin üst yüzeyinin hücum kenarı civarında hava akışı genişledikçe hızı ve dolayısıyla Mach sayısı çabucak artar. Yani kanat profili üzerindeki serbest akımın Mach sayısı subsonik (ses altı) iken, aracın hızı sonik veya daha yüksek süratli (kanat profili ve uçak tipine bağlı) olabilmektedir. İşte kanat profili üzerindeki bir noktada sonik akım varken uçağın serbest-akım Mach sayısına ulaştığı ana, kanat profilinin “Kritik Mach Sayısı - Mcr” denilmektedir. Bu değer serbest-akım Mach sayılarında kanat profilinin geri sürüklemesinde (drug) çarpıcı bir artış oluşturduğu için uçak tasarımlarında önemli bir değerdir. Özellikle avcı uçaklarında hem yavaş, hem ses üstü süratlerde uçuş ve manevra yeteneğinin yüksek olması arzulandığı için kritik Mach sayısının büyük olması önemlidir. Bu da uçak mühendislerinin en büyük handikaplarından biridir. Kritik Mach sayısı genellikle ok açılı kanat yapısıyla arttırılır.

Ses süratinden itibaren oluşan ses – şok dalgaları performansta kayıp verici olaylar olup, kanat profili üzerindeki geri sürüklemeyi arttırır. Nitekim uçak tasarımında, arzulanan Mach sayısı ne kadar yüksekse genellikle kanat kesit profili o kadar ince olmaktadır. Yine ses üstü hızlarda toplam sürüklemenin önemli bir bölümünü ses-şok dalga sürüklemesi oluşturmaktadır. Bunu azaltmak için uçağın tasarımında uzun ve sivri bir burun, narin bir gövde (neredeyse iğne biçiminde) ile çok keskin kanat ve kuyruk hücum kenarları kullanılmaya çalışılır.

Ses, standart atmosfer koşullarında 343m/sn hıza sahiptir: Oysa ışık hızı 300.000m/sn olup, bir fırtına esnasında gök gürültüsü ile şimşek arasında algılanabilir bir zaman gecikmesi vardır…

ŞOK DALGALARI ve SES DUVARI-SONİK PATLAMA

Şok Dalgası, ortamdaki yerel ses hızından daha hızlı hareketin sonucu yayılan dalganın yarattığı rahatsızlıklardır. Şok dalgası da enerji taşır ve ortamda yayılabilir. Ancak bu özellikleri ortamın basınç, yoğunluk ve akış hızına (Mach sayısına) bağlıdır. Hava aracının hızı 1.200km/sa geçerse ses duvarını aşmış olur. Bu da sonik patlamayla birlikte kuvvetli şok dalgalarına neden olur. Hava süpersonik nesnelere tıpkı sıvılarda olduğu gibi tepki verir: Hava aracı süpersonik hızlarda uçarken moleküller büyük bir kuvvetle kenara itilir. Bu tıpkı bir teknenin suda yarılma dalgaları oluşturması gibidir. Araç ne kadar büyük ve ağırsa o kadar çok hava molekülünün yerini değiştirir.

Şok dalgası, hava aracının burnundan ve kuyruğundan tüm yönlerde, arkaya ve dışa doğru hareket eden, yeryüzüne kadar uzanan, basınçlı veya sıkışarak birikmiş hava moleküllerinden oluşan bir koni formundadır. Bu koni, uçuş yolu boyunca araziye yayıldıkça koni tabanının tüm genişliği boyunca sürekli bir sonik (ses) patlama yaratır. Sonik patlama, hava aracı ses hızından daha yüksek süratle uçarken yeryüzünde insanların gök gürültüsü/bomba patlamasına benzer duyduğu sestir. Şok dalgasının birikiminden sonra basıncın birden serbest kalması sonucu oluşan sonik patlama, bazen “güm” şeklinde duyulduğu şeklinde tanımlanabilir. Sonik patlamayı duyulabilir kılan, değişim hızı yani basıncın ani değişimidir.

Havada oluşan şok dalgalarının kalınlığı 200Nm≈321.8km ye kadar çıkabilir. Şok dalgaları geleneksel ses dalgaları değildir: Şok dalgası, gaz özelliklerinde çok keskin bir değişikliğe uğrar: Bir şok dalgası uzun mesafelerde doğrusal olmayan bir dalgadan doğrusal bir dalgaya dönüşürken havayı ısıtarak enerji kaybeder. Bu aşamada bir ses dalgasına dönüşürken –tıpkı süpersonik uçak tarafından oluşturulduğu gibi- dönüşümün bir parçası olarak sonik patlama, “güm” şeklinde bir ses olarak duyulur. Ani sesler herkesi ürkütebilir. Genellikle hava aracı görülmediği için yeryüzünde insanlar ve hayvanlar üzerinde (bitkilerin nasıl etkilendikleri halen araştırma konusudur) korkutucu sonik patlama gürültüsünün bir bomba patlamasıyla karıştırıldığı da olmaktadır.

Baştaki mermi resminde açıkça görüldüğü gibi hava araçları ses süratini geçerken hem burun hem de kuyruklarında ayrı ayrı şok dalgaları konisi oluşur. Her ikisi de genellikle eşdeğer güçte olmasına rağmen, aracın boyutlarına ve irtifasına bağlı olarak yere ulaştıklarında birbirleri arasındaki zaman aralığı farklı veya çok yakındır. Örneğin avcı uçaklarının sonik patlaması tek bir ses, uzay mekiğinin boyutları görece büyük olduğundan çift patlama sesi olarak duyulmaktadır. Hava aracının gövdesi ne kadar uzun ve ince olursa, şok dalgaları ve sonik patlama o kadar zayıf olur.

Hava aracının altındaki şok dalga konisinin genişliği her 1.000’ irtifa için 1 mildir. Ses patlamasının yanal olarak yayılması irtifa, hız ve atmosfere bağlı olup, aracın şekil, boyutları ve ağırlığından bağımsızdır.

   F-18 uçağı deniz seviyesinde ses duvarını geçerken oluşan şok dalgaları

Şok dalgası (koni) modelleri, uçağın manevralarıyla bir takım bozulmalara neden olabilir. “S” dönüşleri, itme-hızlanma şok dalgasının yoğunluğunu arttırabilir. Tepeler, vadiler ve diğer arazi özellikleri şok dalgalarının çoklu yansımalarını oluşturabilir, aynı şekilde yoğunluğunu etkileyebilir. Tipik bir şok dalgasında sesin düzeyi 200dB i aşabilir.

Sonik patlamaların etkisinin ölçülmesinde (Aşırı Basınç-psf) değeri kullanılır. Aşırı Basınç: fit kare başına(psf) düşen / pound (psi) cinsinden birim değeridir. Bu da bizi etkileyen normal atmosfer basıncının (2.116psf/14.7psi=0.1439) üzerinde oluşan artış miktarını gösterir. 1-2 psf’ lik aşırı basınçta camlar kırılır ve insanların tepki vermeye başladıkları eşik değerdir. 11 psf’ lik aşırı basınçtan itibaren iyi durumdaki binalarda yapısal hasarlar oluşmaya başlar…

Bazı Süpersonik Uçak Tiplerinin Aşırı Basınçları:

- SR-71: 0.9 psf (Mach3, 80.000’≈24.384m)

- Concorde: 1.9 psf (Mach2, 52.000’≈15.849m)

- F-104: 0.8 psf (Mach1.93, 48.000’≈14.630m)

- Uzay Mekiği: 1.25Psf (Mach1.5, 60.000’≈18.288m ve iniş için süzülüşte)

SÜPERSONİK UÇAKLARDAN ÖNCÜ ÖRNEKLER

14 Ekim 1947’de Bell X-1 tipi roket motorlu uçak ile ABD’li pilot Chuck Yeager, düz uçuşta ses süratini geçilmişti. B-29 tipi bombardıman uçağının gövde altına bağlanarak 20.000’≈ 6.096m irtifadan serbest bırakılmıştı. 14 dakika süren uçuşta 1.06Mach hızda 42.000’≈12.8km yükseklikte 20.5 saniye uçmuştu.

        B-52 uçağının kanat altına bağlı X-15 ile yüksek irtifaya tırmanıyorlar    

ABD’de 1959-1968 yılları arasında X serisi roket motorlu uçakların ses süratinin test uçuşları devam etmişti. En son X-15 tipiyle 108km yükseklikte Mach 6≈7.200km/sa hıza ulaşılmıştı. X-15 insanlı ilk hipersonik uçak olup, dış cephesi 648.8C° ye dayanıklı bir tür nikel & titanyum alaşımlıydı. 15 Ekim 1959’da B-52 tipi bombardıman uçağı ile yüksek irtifaya çıkartılıp serbest bırakılmıştı. Motorlarını çalıştırdıktan sonra 2.1 Mach ı 52.341’≈15.953km yükseklikte geçmişti. Aslında X-15 motorsuz olarak salt süzülüş uçuşunu 4.6.1959’da yapmıştı. 4.8.1960’ da 3.31 Mach, 23.6.1961’de 5.3 Mach, 3.10.1967 tarihinde 6.72Mach değerlerine ramjet* (roket) motoruyla ulaşmıştı.

ABD Hava Kuvvetleri ve NASA, ses üstü uçacak prototip uçaklarında X’le başlayan kodlama kullanılmaktadır. Örneğin ilk ses süratini geçen X-1, uzun süre hız rekorunu elinde tutan X-15, ilk pilotsuz süpersonik araç X-34, ilk pilotsuz hipersonik araç X-43A, silahlı ve insansız X-45A vb. (Bu arada ABD Hava Kuvvetleri av-bombardıman uçak prototiplerinde ise Y ile başlayan kodlar kullanmaktadır.)

Sivil havacılık uçakları için SST kısaltması (SuperSonic Transport, bazen de SuperSonic Technology anlamında) kullanılmaktadır.

Sivil havayolu taşımacılığında Fransız-İngiliz ortak yapımı Concorde yolcu uçağı, 1969 yılında 2.200Km/sa hızıyla ses duvarını aşan ilk yolcu uçağı olmuştu. 16-18km yükseklikte ve ses hızının yaklaşık iki katında uçabilmesine rağmen aşırı yakıt tüketimi, yolcu taşıma kapasitesinin az olması nedeniyle havayolu şirketlerince ekonomik bulunmamıştı. Ayrıca aşırı gürültüsü nedeniyle çevrecilerin muhalefeti, ABD’nin rekabetten çekinerek koyduğu engelleyici kurallar sonucu (Sadece okyanus üzerinde ses hızıyla uçuş izni, kara üzerinde ise kesin yasaklanmıştı.) fazla gelişememişti. 1976-2003 yılları arasında 16 uçak üretilen Concorde, sadece Fransız ve İngiliz ulusal havayollarında kısıtlı kullanılmıştı. 2003 yılından itibaren (Paris kazasından sonra) servis dışı kalmıştı.

Concorde’un rakibi olarak Rusların –teknolojik casusluk nedeniyle biraz şaibeli- ürettiği TU-144 uçağı çok fazla başarılı olamamıştı. Yine de genellikle Sovyetler Birliği içinde yaklaşık 100 yolcu seferi yaptıktan sonra Aeroflot şirketinin envanterinden çıkartılmıştı.

NASA yönetimindeki bir grup tarafından X-59 koduyla yeni bir süpersonik yolcu uçağının araştırma ve prototip inceleme çalışmaları hızla ilerlemektedir. Yeni uçak için X-59 kodunun başına QueSST [Quiet: sessiz SuperSonic Technology] kısaltması eklenmişti.

Gürültü düzeyini azaltmak için X-59 neredeyse gövdesinin yarı uzunluğunda konik burun yapısıyla daha sessiz sonik gümlemeler üretmesi tasarlanmıştı. Proje yöneticisi, ses düzeyini açıklarken sonik patlama yerine “boğuk patlama” ifadesini kullanmıştı. Yakıt tüketiminde Concorde’a nazaran en az %20-25 daha çok tasarruf sağlayacağı da iddia edilmektedir. Ayrıca ABD’nde bir özel şirket ve Avrupa’da Airbus firması bu konuda araştırma ve çalışmalar yapmaktadır.

[*] Ramjet (Rocket power): Turbojet motorlarındaki kompresör ve türbin gibi bileşenlerinin olmadığı, 1-6 Mach arası yüksek hızlarda kullanılan bir motor türüdür. Motora giren hava yüksek hızın etkisiyle sıkıştıktan sonra yakıtla karışarak yanmaya başlar. Böylelikle itki (thrust) oluşturur. Ramjet statik itki üretemediği için daha çok, başka tür bir motor(lar)la belirli hıza ve yüksekliğe ulaştırılmış uçaktan ayrılarak, ses üstü uçuşlar için yapılmış araçlarda kullanılır.

     Aérospatiale Concorde 001’in ilk uçuşu Toulouse 2.3.1969

NOTLAR

*Yüksek hızlı trenler bir tünelden çıkışta –ses hızında hareket etmese de- hava moleküllerinin sıkışmasından ötürü sonik patlama yaratır.

*Çok yönlü bilim insanı ve düşünür Ernst Mach’ın dünya problemleri üzerindeki makalelerinden birisi de “Bireylere, sadece devlet için var oldukları gözüyle bakan devlet adamlarının işledikleri saçmalıkları üzerine” eleştirisiydi. Ne ki V. İ. Lenin, bu yazıyı kendi düşünce sistemine aykırı bulduğu için çok ciddi olarak eleştirmişti!

*Bir kırbaç kullanıldığında çıkan “şaklama-çatlama” sesi aslında küçük çaplı bir ses hızı patlamasıdır (sonik patlama). Kırbacın sap kısmından ucuna doğru incelen bir yapısı vardır. Keskin bir şekilde savrulan kırbaçtaki enerji, saptan (kalın taraf) ince uca doğru aktarılır ve İngilizcede “kraker” adı verilen kırbaç ucu ses hızından daha hızlıca hareket eder. Bu da bizim duyduğumuz basit bir ses patlamasıdır.

*Şok dalgalarının bir türünü meteorlar atmosfere girerken üretirler. 2013 yılındaki Rusya’daki Meteor olayında devasa bir meteor tarafından üretilen şok dalgasının, Hiroşima’ya atılan atom bombasının basıncından onlarca katına (100 kiloton TNT) eşdeğer idi. Civardaki yerleşim birimlerinde başta cam kırılmaları olmak üzere birçok yapısal hasar verdiği, sesinin ise çok uzaklardan duyulduğu gözlenmişti…

*ABD'li pilot Chuck Yeager, X-1 ile 53 uçuş yapmıştı. Bunların büyük bölümü ses hızındaydı.

*Tom Wolfe’un “Right Stuff” isimli romanından uyarlanan, yönetmenliğini Philip Kaufmann’ın yaptığı film, aynı isimle 1983 yılında çekilmişti. Ses duvarını ilk kez aşan Chuck Yeager’ın deneyimleri, test pilotları ile Mercury uzay projesine hazırlanan astronot adaylarının öyküleri anlatılıyordu. Türkçe’ye “Boşluktaki Kahramanlar” ismiyle çevrilmişti.

*Ford Mustang Mach-I araba modeli 1969-1978 yılları arasında üretilmiş, yüksek performansıyla dünyada çok tutulmuştu. Daha sonra 2003 yılında yeniden üretilirken (4. Nesil) tekrar üretimi durdurulmuştu. 2021 yılında 6. Nesil Mach-I geliştirilen performans ve diğer özellikleriyle tekrar üretilmeye başlanmıştı.

*Ünlü yazar Sevim Burak’ın “Mach One’den Mektuplar” isimli günlük-mektup-anı ve “Ford Mach I” isimli öykü kitapları, ilginç ve türlerinin önde gelen eserlerindendi.

*2005 yılı Ekim ayında İsrail, Gazze şeridindeki Filistin sivil halkına psikolojik savaş yöntemi olarak gece boyunca sonik patlama baskınları uygulamıştı. Uygulama Birleşmiş Milletler tarafından kınanmasına rağmen İsrail bildiğini okumuştu.

Faydalanılan Kaynaklar:

*Uçak ve Uzay Mühendisleri İçin Uçuşa Başlangıç (John D. Anderson Jr. – Nobel Akademik Yayıncılık Eğitim Danışmanlık Tic. Ltd. Şti. 2016)

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

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

*Modern Hava Sistemleri (Sami Atalan – T. Hava Kuvvetleri yayını, 2010)

*The End of Time: The Next Revolution in Physics (Julian Barbour – Oxford University Press, 2001)

*Quieting the Boom (Lawrence R. Benson –NASA& Library of Congress Catologing in Publication Data, 2013)

*Turbulent Skies (T. A. Heppenheimer – John Wiley & Sons Inc. 1995)

*The History of Aviation (Editor: James Bennett – Amber Books, 2007)

*Aviation Week & Space Technology (July 10-23 2017 Volume 179, No: 14)

*www.wikipedia.org