Yolcu Uçakları, Evrim ve Fizik: Fizik Kuralları, Uçakların Evrimine Yön Veriyor!

Araştırmacılar trans-Atlantik süpersonik uçak Concorde'un neden soyu tükenmiş bir hayvan türü olan dodo ile aynı sonu, evrimsel bir çıkmaz sokağa girme kaderini paylaştığını artık biliyorlar!

Duke Üniversitesi Makina Mühendisliği ve Malzeme Bilimi Bölümü'nden Prof. Dr. Adrian Bejan'ın yaptığı yeni bir araştırma, kendisinin 20 yıldan uzun bir süre önce tespit ettiği bir fizik yasasının yolcu uçaklarının küçük, pırpırlı DC-3s'lerden bugünün dev canavarları olan Boeing 787'lere olan evrimini açıkladığını gösterdi. Analiz aynı zamanda, uçak firmalarının gelecekte nasıl başarılı tasarımlar yapabileceklerine yönelik bilgiler de sunuyor. Bejan'ın söylediğine göre Concorde, ne yazık ki, bu iyi tasarımlar eğrisinin çok uzağındaydı. Araştırmasının sonuçları 22 Temmuz 2014'te Journal of Applied Physics dergisinde yayımlandı. Bajan şöyle anlatıyor:

Dünya'daki türlerin evrimi, insanın şahit olabileceğinden çok daha uzun zaman skalasında meydana gelmiştir. Ancak teknolojiyi kullanımımızın ve insanları taşımak için uçakları kullanmamızın evrimi, tek bir insan ömründen birazcık daha uzun bir sürede gerçekleşmiştir. Bu da, bu evrime bakan kişilerin bunu görebilmesini sağlamıştır. Evrim, teknolojiyi, nehir yataklarını, hayvanların vücut tasarımlarını ve benzerlerini sarmalayan evrensel bir olgudur ve yapısal bir doğa yasası olarak köklerini fizikten alır.

Adrian Bejan

Bu yapısal yasa 1996 yılında Bejan tarafından geliştirildi ve bir sistemin hayatta kalabilmesi için, akışı (akışa olan erişimi) arttıracak şekilde evrimleşmesi gerektiğini söylüyor. Örneğin insan damar sistemi, birkaç büyük atardamar ve birçok küçük kılcal damardan oluşan bir ağ boyunca kanın akabilmesini mümkün kılacak şekilde evrimleşti. Söylediğine göre nehir sistemleri, ağaç dalları, modern otoyollar ve yol ağları da aynı kuvvetlerin etkisini gösteriyor.

Yolcu uçakları konusunda da durum aynı: tasarımlar, Dünya üzerinde daha fazla insanın ve malın akabilmesini sağlayacak biçimde evrimleşti. Yapısal yasa, aynı zamanda bir uçak tasarımının başarılı olabilmesi için temel tasarım özelliklerinin nasıl olması gerektiğini de bize söyler: motorun kütlesi vücut büyüklüğüyle orantılı kalmıştır, kanat boyutları gövde uzunluğuna bağlıdır ve yakıt yükü toplam ağırlık ile paralel olarak artmıştır.

Adrian Bejan

Bejan şöyle devam ediyor:

Aynı tasarım özellikleri büyük kara hayvanlarında da görülebilir. Daha büyük hayvanların daha uzun ömürleri vardır ve daha uzaklara yolculuk edebilirler. Tıpkı yolcu uçaklarının bunu yapabilecek şekilde tasarlanması gibi. Örneğin bir uçak motorunun uçak büyüklüğüne oranı, hayvanın toplam vücut büyüklüğünün kalbine, akciğerlerine ve kaslarına oranıyla benzerdir.

Bu teorilerini uçak tasarımına uygulamak ve başarılı yolcu uçaklarının tarihi veritabanlarını taramak için Bejan, araştırmacı ve geliştirme mühendisi Jordan Charles ve Toulouse Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü'nden Prof. Dr. Sylvie Lorente ile işbirliği yaptı. Uçuş hattına çıkarılma yılı, büyüklük, uçuş hızı, motor büyüklüğü, yakıt büyüklüğü, menzil, kanat açıklığı ve gövde uzunluğunu da içeren binlerce istatistiğin grafiklerini çıkaran ekip, birçok ilişkinin görünür hale geldiğini fark etti. Ancak bunlardan ikisi özellikle ilgi çekiciydi.

Bir tabloda, neredeyse 1 asır boyunca, yolcu uçaklarının artan büyüklüğü çok net bir eğriyi takip ediyordu. Zaman geçtikçe, yeni yolcu uçakları her boyutta üretiliyordu; ancak en büyüklerin arasında giderek daha da büyükler katılıyordu. Bir diğer tablodaysa uçakların vücut kütlesinin hızına oranını gösteren eğri, birçok memeli, kertenkele, kuş, böcek ve dahasının vücut kütleleriyle hızlarını ilişkilendiren eğriyle neredeyse birebir aynıydı. Bir diğer deyişle doğada var olan evrimsel kısıtlandırmalar, uçak endüstrisinde de iş görüyordu!

Ancak bu eğride aykırı olan bir örnek vardı: Concorde! Bejan şöyle izah ediyor:

Concorde, yolcu jetlerinde evrimin ürettiği oranların çok ötesindeydi. Bu lanetlenmiş uçağın kısıtlı yolcu kapasitesi, düşük kütle-hız oranı, verilerle uyumsuz vücut uzunluğunun kanat uzunluğuna oranı, devasa motorları ve düşük yakıt ekonomisi bulunuyordu. Başarılı olabilmek için yapısal tasarım kurallarına uymak zorundaydı.

Bejan ayrıca analizlerinin geride bıraktığımız on yıllarda havacılık endüstrisinin başarılı olarak ürettiği tasarımları ve endüstri üzerinde baskınlık kuran eğilimlerin gerçekten de en verimli olanlar olduğunu gösterdiğini söylüyor. Aynı zamanda bu tasarımlar, gelecekte üretilecek yolcu uçaklarının ekonomik açıdan başarılı olabilmeleri için gereken genel tasarım parametrelerini de ortaya koyuyor. Bejan şöyle söylüyor:

Sizi yarışın içerisine sokacak uçak tasarımlarının nasıl olması gerektiğine dair genel bir hat çiziyor. Yani tasarım firmaları için bu, bankadaki paranız!

ABD'nin Ohio Eyaleti'nin Dayton kentinde bulunan Wright-Patterson Hava Kuvvetleri Üssü'ndeki Hava Kuvvetleri Araştırma Laboratuvarı'nın Çokdisiplinli Bilim ve Teknoloji Merkezi Uzay Araştırmaları Tasarımları Başkanı ve havacılık mühendisi Jose Camberos, bizzat dahil olmadığı çalışmayla ilgili şunları belirtiyor:

Bu araştırma uçak tasarımlarının gittiği yer ile ilgili umuyorum ki daha iyi bir fikir verecektir. Motorların ve uçakların şu anda neden bu şekilde olduğu ve nasıl böyle olacak biçimde evrimleştiklerini anlama ve uygulama arasında kesinlikle bir analoji bulunmaktadır. Bu açıdan uçakların gelişimine daha geniş açılı olarak bakıldığında, doğanın zaten bugüne kadar başardığı tasarımlara en iyi nasıl ulaşabileceğimiz konusunda yeni fikirler edinmemiz mümkün olabilecektir.