Berkant Göksel: Geleceğin Hava ve (Yakın) Uzay Araçlarında Öngörülen Yıkıcı Plazma Teknolojileri
Electrofluidsystems adına ilk kez 2021’de TUSAŞ mühendis ve yöneticilerine tanıttığım Plazma Vizyon Belgesini bu platformda da tekrar tanıtarak mühendislik bölümlerinde Vizyoner Genç doktora öğrencilerimize ilham vermek istiyorum. Bu belge geleceğin hava ve (yakın) uzay araçlarında öngörülen yıkıcı plazma teknolojilerini gösteriyor. Sağolsun TUSAŞ’daki arkadaşlar bu temel bilgileri daha da derinleştirerek plazma mühendisliğin bir çok konularını içeren çok kapsamlı LIFT UP+ ve LIFT UP++ ArGe programlarını başlatmışlar. İlk LIFT UP daha çok son sınıf lisans bitirme projelerine yönelik soğuk plazma ile yüzey temizleme ve sıcak plazma ile malzeme kesme konularını içeriyordu. 2021-2022 sürecinin bildiri kitabı https://liftup.tusas.com/ isimli sayfadan indirilebiliyor.
LIFT UP+ Türk Havacılık Uzay Sanayii bünyesinde yüksek lisans veya doktora tez ve araştırma çalışmaları yapmak isteyen genç arkadaşlara, LIFT UP++ ise sadece doktora öğrenimi gören veya doktora araştırmalarını havacılık ve uzay alanında gerçekleştirmek isteyen Vizyoner Genç arkadaşlara yönelik kurulmuş bir ArGe programıdır. LIFT UP+ programının başvuru süresi 10 Mayıs - 20 Temmuz 2022 tarihleri ile kapanmıştır. Şu an 1 Nisan 2023 tarihine kadar açık olan LIFT UP++ Sanayi Odaklı Doktora Araştırmaları Programına https://kariyer.tusas.com/liftup sayfasından ulaşılabiliyor. Oradan da direkt Vizyoner Genç sayfasına girip başvuru yapılıyor:
vizyonergenc.com/ilan/tusas/2102-liftup-sanayi-odakli-doktora-arastirmalari-programi.
Kabul edilen doktora öğrencileri eğitimleri boyunca (asgari 8 dönem, azami 10 dönem) aylık asgari ücretin 2 katı kadar bütçe desteği ile beraber sarf malzeme, hizmet alımı desteği alacaklar. Doktora tezinin tamamlanmasıyla Vizyoner Gençler 2 yıl Türk Havacılık ve Uzay Sanayii’de mecburi çalışacaklar. Diğer şartlar yukarıdaki sayfada detaylıca belirtilmiş. Görüldüğü gibi doktora konuları arasında plazma mühendisliği konularının ayrı bir ağırlığı var: https://vizyonergenc.com/Doktora_konulari.pdf .
Peki LIFT UP+ ve LIFT UP++ kapsamında bahsi geçen plazma teknolojiler nelerdir? TUSAŞ’in kendi tanıtım metninden alıntı yaparak hep beraber okuyalım:
“Plazma Teknolojileri (manyeto-hidro-dinamik türbin jeneratörü, hipersonik uçuş uygulamaları, plazma eyleyiciler, plazma iticiler, hidrojen yakıt pilleri, süper iletkenlik ve nükleer enerji ile levitasyon, elektromanyetik taarruz ve/veya savunma sistemleri, EBM/EBW/Manyetik Saçım cihazlarının tasarımı ve performansı, Tokamak/Sferomak araçların havaaracı boyutlarında denenmesi, kanatsız elektromanyetik havaaracı, v.b.).
Bugün ulaştığımız akışkanlar mekaniği, elektro-manyetik etki altında çözüm bulduğu plazma mühendisliği, nükleerden nanoya ve makroya, parçacıktan dalgaya, biyomedikal dönüşüme, gelecek hava-uzay sistemlerini algılamamızın önünde bu hedef bulunuyor. Günümüzde üzerine çalışan en ileri teknolojiler plazma mühendisliğinin ilgi alanına giriyor. Havacılıkta Elektro-Manyetik-Hidro-Dinamik Plazma Eyleyicileri, aerodinamik hava akışını değiştirerek, kanat hücum kenarına, kanat uçlarında, gövde burnunda veya dış/iç mühimmat geometrilerine uygulanarak sürükleme kuvvetlerinin azaltılmasında çığır açıyor.
Araçların motorlarında EMHD türbinler ses-altı hızları, ses-üstüne, süpersonik hızları hipersoniğe ulaştırıyor. Özellikle ses-üstü uygulamalarda içinde plazmanın da yer alabildiği karmaşık şok dalgası-sınır tabaka etkileşimleri gibi mühendislik problemleri projelerde oldukça zor bir şekilde HAD kodlarıyla çözüm buluyor.
Hava-Uzay araçları elektronik-elektrikli hale getirilirken, her geçen gün enerji ihtiyacı artıyor. EMHD jeneratörler uygulanması yüksek motor enerji ihtiyacının bertaraf edilmesini sağlarken, bu enerjiler direkt enerji cihazlarına da aktarılabiliyor. Üst atmosferde Elektro-Manyetik-Hidro-Dinamik artırımlı ramjet Magneto-Plazma-Dinamik iticiler geliştiriliyor. Elektrik arkı uygulaması ile, hidrokarbon yakıt termal ayrışması sağlanarak yüksek enerji alınabiliyor. Uzayda elektrotermal (yakıt ısıtmalı), elektrostatik (iyon ivmelendirici), elektromanyetik itici sistemler, diğer puls plazma, mikro-lazer, mikro-vakum plazma iticiler, mikro-katod ark, arc-jet iticileri, iyon jet, RF itkiciler tüm İtki sistemleri bu kapsamda yer almaktadır.
Özellikle savunma sanayinde günümüz ve yakın gelecekteki muharebe alanında elektromanyetik ve manyetik taarruz ve/veya savunma sistemleri, radar kesit-alanı azaltma, plazma uygulamalarıyla araçların dışında ve üzerinde saldırı ve korunma teknikleri kazandırılması büyük önem taşımaktadır. Yine bu sistemlerin üzerinde takılı bulunduğu hava-uzay araçlarının performansına etkisi dikkate değerdir. Hava-Uzay Araçları malzeme/yapısalları seri imalatında, manyeto-nano teknolojik cihaz ve uygulamaları EBM/EBW/Manyetik Saçım v.b. cihazların tasarımında ve performansında, plazma mühendisliğinin sürekli artan bir teknolojik avantaj sağlayacağı açıktır.
Atmosferik fizik alanında günümüz dünyasında iklim değişikliği, dünya üzeri güneş rüzgarları ve manyetik alan sapmaları gibi konularda, özellikle auroral bölgeler sıcak, iklim, manyetik alan tahminleri ve ölçümleri; bunlarla ilgili ölçüm cihazları hava-uzay araçlarında bu konularda yerleştirilen sistemler plazma mühendisliğinin ilgi çeken bazı diğer konularıdır. Sağlık alanında biyomedikal teşhis araçlarının yanı sıra kozmik radyasyonun olumsuz etkileri, plazma uygulamalarıyla kanser tedavileri ve insan hücresinde soğuk plazmanın etkileri üzerine çalışmalar bulunmaktadır.
Nükleer taşıtlarda edinilen deneyimlerin dışında, günümüzde nükleer füzyon reaktörlerinde Tokamak/Sferomak araçlarda, süper-iletken güçlü mıknatıslarla manyetik olarak hapsedilmesiyle laminer hale getiren plazma jetlerinin kullanılması gibi teknolojik yeniliklerin hava-uzay araçlarıyla küçültülerek entegre edilmesi durumunda, bugün patent alan veya deneysel düzeyde çalışılan hipotetik hava-uzay araçları Subrata Roy ve arkadaşlarının Kanatsız Elektromanyetik Aracı (WEAV), kanatlı/kanatsız elektromanyetik/mikro dalga hava-uzayları çok yakın gelecekte tasarlanıp, üretilecek ve gökyüzünde-uzayda sıklıkla görülmeye başlanacaktır.
Bu doğrultuda, plazma mühendisliği ve havacılık / uzay sanayisinin mevcut ve gelecekte planlanan uygulamalarını bir yol-haritası halinde izleyerek, uygulanabilir olanlarında analitik ve akademik araştırma-geliştirme ve fizibilite çalışmalarının yürütülmesi hedeflenmektedir.“
Electrofluidsystems’in plazma vizyon belgesini aşağı bölümde tanıtmadan önce ilgili öğrencilerin özellikle MHD jeneratörlü türbin konusuna dikkat çekmelerini öneriyorum. Bu konu çok fazla bilinmiyor ama gelecekte geliştirilecek hipersonik uçak ve iha sistemlerinde çok büyük önem arz edecektir. Batılı ülkeler bu konular üstüne çok ketumlar ve bir arkadaşın geçenlerde belirttiği gibi basın konusunda daha denetimli ve kontrollü serbestlik gösteriyorlar. Ona rağmen NASA gibi kurumların araştırmaları veya vizyon belgeleri açık sayfalarda bulunabiliyor. Bu konunun erbabı 2021’de vefat eden Isaiah M. Blankson. Bir sunumunu buradan indiriyoruz: https://netl.doe.gov/node/8408.
MHD jeneratörlü jet türbinler veya kısaca EMHD türbinlerle TUSAŞ’ın da belirttiği gibi ses-altı hızlardan ses-üstüne yani süpersonik hatta hipersonik hızlara ulaşılabiliyor. Blankson ve Schneider Rusların AJAX projesini örnek alarak 2014 tarihli sunumlarında bir konsept, bir vizyon gösteriyorlar.
MHD jeneratör ve MHD hızlandırıcı sistemleri kullanarak klasik bir jet türbin motoruyla Mach 7+ gibi yüksek hipersonik hızlara kadar ulaşılabileceğini öngörüyorlar. MHD sisteminin bu manada en büyük avantajı jet türbin motorunun kesintisiz Mach 7+ hızlarına kadar çalışıyor olmasıdır. Kritik teknolojiler ise iyonize edilmiş havayı yani plazmayı oluşturan sistemler ve süper-iletkenli güçlü mıknatıslar olarak gösteriliyor. İlk prototip MHD türbin için süpersonik füzelerde kullanılan Allison J-102 jet motorunu öneriyorlar. Mach 2 ve üstü hızlarda plazmanın da yer alabildiği karmaşık şok dalgası-sınır tabaka etkileşimleri büyük önem arz ediyor. Bu sistem ile ileride şok dalgası oluşturmadan süpersonik veya hipersonik hızlara ulaşılabileceği öngörülüyor.
MHD türbin konuları örneğin TUSAŞ Engine Industries (TEI) bünyesinde geliştirilebilir. Electrofluidsystems gibi plazma sistemleri üstüne uzmanlaşmış havacılık şirketleri TUSAŞ‘a danışmanlık ve ArGe hizmetleri sunabilir. Ayriyeten bu konuları çalışan öğrencilere dışarıdan doktora tez danışmanlığı da verilebilir.
1913’te Berlin Büyükelçiliği Askeri Ataşesi görevi sırasında Berlin Büyükelçisi İbrahim Hakkı Paşan‘ın kızıyla evlenen Hasan Cemil Çambel’in oğlu merhum Ali Bülent Çambel de bu konuların erbabıdır. Ali Bülent Hoca ile ilgili ayrı bir yazı düşünüyorum.
Electrofluidsystems’in Plazma Vizyon belgesi ek bilgilerle pdf dosyası olarak bu linkten indirilebiliyor: https://www.linkedin.com/posts/activity-7010940276659625984-2sIy/
1.İNSANSİZ HAVA ARAҪLARI
Döner kanat ve sabit kanat insansız hava araҫlarında atmosferik plazma teknolojileri öncelikle kanat uclarında hava akışını aktif şekilde kontrol etmek ve buzlanmayı engellemek ve azaltmak iҫin kullanılabilir. Bunun iҫin MEMS teknolojileri iҫeren yeni nesil plazma aktüatörler geliştirilip, rüzgar tünel test ve simülasyon modelleriyle optimize edilebilirler. Electrofluidsystems kendi IHA sürü sistemlerini plazma akışkanlar kontrol (plasma flow control) metodları kullanarak geliştirmeye devam ediyor. Bu plazma teknolojisiyle geleceǧin ҫok hızlı ve ҫevik mini IHA‘ları yüksek irtifa platformlarından da artık rahatlıkla atılabilir hale gelecekler.
2.HELİKOPTERLER
Piezo-plazma teknolojisi yeni nesil hayalet helikopterlerin rotorlarında aktif akışkanlar kontrolü iҫin gelecekte büyük önem arz edecek. Plazma aktütörlerle beraber piezo energy harvesting konuları mutlaka araştırılmalıdır. Yeni nesil miniatürize plazma jeneratörlerde bobin yerine artık ҫok verimli piezo malzeme kullanılıyor ve böylece jeneratörler ҫok hafif ve küҫük olmakla beraber direkt kanatların iҫine yerleştirebilir hale geliyorlar. Helikopterlerde ses öncelikle vortex breakdown ve transonic shock dalgalarından oluşuyor. Plasma dynamic stall control ile vortex’lerden oluşan ses ciddi seviyede azaltılabillir ve aynı zamanda kaldırma gücü yükseltilebilir. Ayriyeten nanosecond high voltage pulse plasma ile transonik şok dalgaları kırılıp sürtünmeyle beraber ses emisyonları da azaltılabilir. Tabi hayalet helikopterlerinde jet motor bölümlerinde ve yüzeyde plasma metamaterial teknolojileri kullanılarak radara görünürlük ayriyeten aktif olarak istenildiǧi zaman düşürülebilir.
3.SÜPERSONİK MUHARİP UҪAKLAR
IHA‘larda tarif edilen subsonic plasma flow control metodlarıyla beraber süpersonik araҫlarda uҫak burnunda oluşturulan lazer destekli mikrodalga plazma veya manyetik plazma jet sistemleri counterflow induced shock wave splitting etkisiyle sürtünmeyi (wave drag‘i) azaltıp sonik patlamanında etkisini ciddi manada hafifletebilir. Teorik olarak sonik patlama ion-acoustic soliton (phantom body) sistemleriyle tamamen de yok edilebilir. Bu plazma dalgaları sesten ҫok hızlı hareket ederler ve böylece aracın önündeki hava ansızın sıkıştırılmadan “yol vermeye“ başlar. Yüksek enerjili manyetik plazma veya lazer destekli mikro dalga sistemleriyle ayriyeten aracın etrafında plasma metamaterial bulutlarıda oluşturulup araҫ altıncı nesil uҫakların lazer silahlarından korunur. Plazma kalkanı lazeri direkt yansıtır. Plasma inlet veiling teknikleriyle fanın radar görünürlüǧü düz tasarlanan engine duct‘larda bile azaltılabilir. Plasma exhaust aftertreatment uygulamalarıyla jet motorlu hava araҫların kızıl ötesi görünürlüǧü düşürülebilir ve aynı sistemle contrails’lerin oluşması engellenir.
4.ҪOK DÜŞÜK YÖRÜNGEDE UҪAN GÖZLEM VE KEŞİF UYDULARI
Electrofluidsystems’in yeni manyetik plazma jet motor sistemi (MMU‘da düşük frekans ve enerjili süpersonik counterflow actuator olarakta kullanılabilir) geleceǧin yakın uzay araҫlarını roket motoru kullanmadan 50 km gibi yüksek irtifalara kadar ҫıkartacaktır. Benzer hava emici plazma jet motor sistemleri bugün geleceǧin ҫok düşük yörüngede uҫan gözlem ve keşif uyduları iҫin önem arz ediyor. 150-450 km gibi yörüngelerde az da olsa hava bulunuyor. Geleceǧin keşif uyduları alҫak yörüngelerde ondan dolayı air-breathing Hall ve magnetoplasmadynamic motorları kullanacaklardır.
Berlin’den selamlar, Berkant Göksel
T.C. Cumhurbaşkanlığı - Savunma Sanayii Başkanlığı himayesinde yürütülmektedir.
