Havacılıkta fononik teknolojisi: Türbülans ve yakıt tasarrufu kontrolü

Colorado Boulder Üniversitesi Ann ve H.J. Smead Havacılık ve Uzay Mühendisliği Bilimleri Bölümü’nden Prof. Mahmoud I. Hussein liderliğindeki araştırma ekibi, ticari uçakların dış şeklini değiştirmeden hava akışındaki türbülansı kontrol etmeyi ve yakıt verimliliğini artırmayı hedefleyen fononik yüzey altı teknolojisi geliştirdi. Physical Review X ve Proceedings of the Royal Society A dergilerinde yayımlanan iki çalışmada tanıtılan sistem, malzeme altındaki mikroskobik titreşimlerden, yani fononlardan yararlanarak hava akışındaki sürtünmeyi pasif biçimde azaltmayı amaçlıyor. Yaklaşık 1040 km/sa hızla seyreden ve tek bir uzun mesafe uçuşunda 10 bin galondan fazla jet yakıtı tüketebilen yolcu uçaklarında küçük verimlilik artışlarının dahi önemli yakıt tasarrufu sağlayabileceği belirtiliyor.

KRİTİK EŞİK

Geleneksel aerodinamik yaklaşımlardan farklı olarak sistem, aracın dış geometrisini değiştirmek yerine yüzey altına yerleştirilen mühendislik ürünü sentetik malzemelerden yararlanıyor. Hussein ve ekibinin 2015’te tanıttığı ilk tasarımlar yalnızca tek bir frekansta çalışabildiği için gerçek kullanım koşullarında sınırlı kalıyordu. Araştırmacılar bu sorunu 'süper rezonans' ve 'saçılmasız girişim' olarak adlandırılan iki yeni yöntemle aşmayı hedefledi. Sarmal fononik yapıların türbülansın daha geniş frekans aralığıyla etkileşmesini sağlayan süper rezonans, bant genişliği sınırlamasını azaltırken; PSub yapıların ızgara düzeninde yerleştirildiği saçılmasız girişim yaklaşımı, etkinin kanat veya gövde boyunca aşağı akış yönünde yayılmasını sağlıyor.

DENEYSEL AŞAMA

Bilgisayar simülasyonlarında elde edilen sonuçların ardından ekip, fiziksel prototiplerin üretimine ve rüzgar tüneli testlerine yöneldi. Çalışmanın ortak yazarlarından doktora öğrencisi Adam Harris, saçılmasız girişimin kararsızlık alanını uzamsal olarak daralttığını, süper rezonansın ise çalışma frekans aralığını genişlettiğini belirtiyor. Sistem, uçak kanadı ve gövdesinin pürüzsüz dış yüzeyini korurken aktif bir aktüatöre ihtiyaç duymadan pasif biçimde çalışıyor. Böylece dış yüzeyin şeklini değiştirmeden akış kontrolü sağlanması hedefleniyor.

GENİŞ UYGULAMA

Araştırmacılar, fononik yüzey altı teknolojisinin yalnızca havacılıkta değil, türbülans ve sürtünmenin verimlilik kaybına yol açtığı farklı endüstriyel alanlarda da kullanılabileceğini belirtiyor. Olası uygulamalar arasında deniz taşıtları, endüstriyel boru hatları, turbomakineler ve yüksek hızlı hava araçları bulunuyor. Prof. Hussein, iç titreşimlerin kontrol edilmesine dayanan bu yaklaşımın farklı akış sistemlerinde sürtünmeyi azaltmaya yönelik yeni çözümler geliştirilmesine imkan verebileceğini ifade ediyor.