Havacılık ve Uzay Mühendisliği

Havacılık nedir? 

Havacılık ("hava" anlamına gelen ὰήρ āēr antik Yunan sözcükleri ve "gezinme", yani "havaya navigasyon" anlamına gelen "υαυτική nautikē" den itibaren) hava uçuşunun incelenmesi, tasarlanması ve imalatı ile ilgili, uçma kabiliyetine sahip makinelerin bilimi, tasarımı ve üretimi ile birlikte atmosferde uçak ve roketlerin çalıştırılması tekniklerini içeren bilim veya sanattır. İngiliz Kraliyet Havacılık Topluluğu, Havacılık Sanatı, Bilim ve Mühendislik ve Havacılık mesleği ( Astronotik'i de içeren ifade) yönlerini tanımlar. 

Kelime anlamıyla "havayı uçurmak" anlamını taşıyan terim, özellikle yalnızca uçakların çalıştırılması bilimine atıfta bulunmakla birlikte, o tarihten itibaren uçaklarla ilgili teknoloji, iş kolu ve diğer yönleri kapsayacak şekilde genişletildi. "Havacılık" terimi bazen havayolları ile birbirinin yerine kullanılabilir, ancak "havacılık" hava gemileri gibi havadan daha hafif hava araçlarını içerir ve balistik araçları da barındırır, ancak "havayolları"  bunları içermez.

Havacılık biliminin önemli bir bölümü, havanın hareketi ve hareket halindeki nesnelerle (örneğin bir uçak gibi) etkileşimde bulunduğu aerodinamik olarak adlandırılan bir dinamik dalıdır.

Havacılık tarihi

Havacılıkta ilkler

Gerçek bir havacılık anlayışı olmadan uçma girişimleri en eski zamanlarda, tipik olarak kanatlar inşa ederek, sakatlanma veya ölümcül sonuçlarla biten bir kuleden atlayarak yapılmıştır.

Daha akıllı araştırmacılar, kuş uçuşu incelemesi ile birtakım akılcı anlayışlar kazanmaya çalışıyorlardı. Eski bir örnek, eski Mısır metinlerinde görülmektedir. Daha sonra Orta Çağ İslamcı bilim adamları da böyle çalışmalar yapmıştır. Rönesans'taki modern havacılık kurucuları Leonardo da Vinci ve 1799'da Cayley, araştırmalarını kuş uçuşu çalışmaları ile başlatmışlardır.

Adam taşıyan uçurtmaların eski Çin'de yaygın olarak kullanıldığına inanılmaktadır. 1282'de Avrupalı ​​kâşif Marco Polo, öncelikle Çin tekniğini sonrasında da şu andakini tanımlamıştır. Çinliler aynı zamanda küçük sıcak hava balonları veya fenerler ve döner kanatlı oyuncaklar üretmişlerdir.

Uçağa ilişkin bilimsel bir tartışma yapmak için erken bir Avrupa üyesi Roger Bacon, gelecekte inşa edilmesi öngörülen daha havalı balon ve çırpınma kanadı orifopterinin çalışma prensiplerini anlatmıştır. Balonunu uçurabilmek için, bileşimini bilmediği eteri kullanmıştır.

On beşinci yüzyılın sonlarında, Leonardo da Vinci, uçan kanatlı ornitoravı ve dönen kanatlı helikopterini de içeren en eski uçan makinelerinin tasarımları için kuş araştırmalarını takip etmiştir. Tasarımları rasyonel olsa da, özellikle iyi bir bilim üzerine kurulu değildi. Dört kişilik vidalı helikopter gibi pek çok tasarımında ciddi hatalar vardı. En azından şunu anlamıştı: "Hhavaya cisimlerin uyguladığı direnç kadar, cisimler de havaya direnç uygulamaktadır." (Newton, hareketin Üçüncü Kanunu'nu 1687'ye kadar yayınlanmamıştır.) Analizi, tek başına insan gücünün sürekli uçuş için yeterli olmadığını ortaya koymuş ve daha sonraki tasarımlarında bir yay gibi mekanik bir güç kaynağına yer vermiştir. Da Vinci'nin çalışması ölümünden sonra kaybolmuş ve George Cayley'in eseri tarafından ele geçirilene kadar yeniden ortaya çıkmamıştır.

Uçan balonun icadı

"Havadan daha hafif" hava çağının modern dönemi, 17. yüzyılın başlarında, Galileo'nun hava ağırlığının olduğunu gösteren deneyleriyle başladı. 1650 civarında Cyrano de Bergerac, havadan hafif olması ve kontrollü miktarda maddenin bırakılmasıyla ortaya çıkan bir maddenin (çiy) kullanıldığını belirten fantastik bir roman yazdı. Francesco Lana de Terzi havanın deniz seviyesindeki basıncını ölçmüş ve 1670'de havanın pompalanacağı içi boş metal küreler biçiminde, ilk bilimsel olarak güvenilir, kaldırma ortamını önermiştir. Bunlar, yer değiştiren havadan daha hafif olur ve bir hava gemisini kaldırabilirler. Önerdiği yükseklik kontrol yöntemleri bugün hala kullanılmaktadır; irtifa kazanmak için denize düşebilecek balast taşımak ve irtifa kaybetmek için de yükselme odalarını havalandırmak. Gerçek yaşamda, de Terzi'nin küreleri hava basıncı altında çökecek ve daha sonraları gelişecek olan kaldırma gazlarının bulunmasını bekleyecektir.

18. yüzyılın ortalarından itibaren Fransa'daki Montgolfier kardeşler balonlarla denemeler yapmaya başladılar. Onların balonları kağıttan yapılmıştı ve buharın kaldırıcı gaz olarak kullanılmasına ilişkin erken deneyler, yoğuşmanın kağıda olan etkileri nedeniyle kısa sürdü. Bir çeşit dumanı buhar ile karıştırırken, balonlarını "elektrikli duman" diye adlandırdıkları sıcak dumanlı hava ile doldurmaya başladılar ve iş ilkelerini tam olarak anlamamalarına rağmen bazı başarılı lansmanlar gerçekleştirdiler ve 1783'te Fransız Academie des Sciences'e bir gösteri düzenlemek üzere davet edildiler.

Bu arada hidrojen keşfi Joseph Black'i c. 1780'de kaldırma gazı olarak kullanımını önermeye sürükledi, ancak gerçek gösterimi gaz kaçırmaz balon malzemesinin bulunmasını bekledi. Fransız Akademi üyesi Jacques Charles, Montgolfier Brothers'ın daveti üzerine bir hidrojen balonuna benzer bir gösteri sundu. Charles ve iki zanaatkâr olan Robert kardeşler, zarf için kauçuklanmış bir ipek malzemesi geliştirdi. Hidrojen gazı, dolum işlemi sırasında kimyasal reaksiyonla üretilecekti.

Montgolfier tasarımlarının birkaç eksikliği vardı, en azından kuru hava ihtiyacı ve ateşten gelen kıvılcımların balonu tutuşturma eğilimi vardı. Insanlı tasarım, balonun tabanının etrafında, kağıdı ateşe yaklaştıran ilk insansız tasarım olan asılı sepet yerine, bir galeri vardı. Serbest uçuşlarında De Rozier ve d'Arlandes, ortaya çıktıkça bu yangınları, su kovaları ve süngerler kullanarak söndürdüler. Öte yandan, Charles'ın insanlı tasarımı esasen modern bir yapıya sahipti. Bu serüvenlerinin sonucunda, sıcak hava balonu, Montgolfière tipi ve hidrojen balonu Charlière tipi olarak bilinir hale geldi.

Charles ve Robert kardeşlerin bir sonraki balonu La Caroline, Jean Baptiste Meusnier'nin uzunlamasına bir dirsekli balon için yaptığı önerileri takip eden bir Charlière idi ve ikinci bir iç balonda bulunan gazla birlikte bir dış zarf bulunduğuna dikkati çekiyordu. 19 Eylül 1784'te, Paris ve Beuvry arasındaki 100 km'lik ilk uçuşunu, insan gücünün kullanışsız olduğunu kanıtlamasına rağmen tamamladı.

Rozier, dayanıklılığı ve kontrol edilebilirliği sağlamak için bir sonraki yıl girişimde bulunarak hem sıcak hava hem de hidrojen gazı poşetlerine sahip bir balon geliştirdi; kısa süre sonra Rozière olarak adlandırılmıştı. Prensip, sabit kaldırma sağlamak için hidrojen bölümünü kullanmak ve yüksek irtifaya maruz kaldıklarında en uygun rüzgarı yakalamak için sıcak hava bölümünü ısıtmak ve soğutmak suretiyle dikey olarak gezinmekti. Balon zarfı goldbeaters derisinden yapılmıştı. İlk uçuş felaketle sonuçlandı ve o zamandan beri bu yaklaşım nadiren kullanıldı.

Modern havacılığın temelleri

Sir George Cayley (1773-1857), yaygın olarak, modern havacılığın kurucusu olarak  kabul edilmektedir. 1846'da, ilk önce "uçağın babası" olarak anıldı ve Henson ona "hava seyrüseferi babası" dedi. İlk kez uçuşun altında yatan prensipleri ve kuvvetleri anlatan eser yayınlayan gerçek bir bilimsel hava araştırmacısıydı. 

1809'da "On Aerial Navigation" (1809-1810) başlıklı üç bölümlük çığır açan bilimsel eser yayınına başladı. İçinde, problemin ilk bilimsel ifadesini yazdı: "Tüm problem bu sınırların içine sıkışmış durumdadır, yani havanın direncine bir gücün uygulanmasıyla birlikte, belirli bir ağırlığı destekleyebilecek bir yüzey oluşturmak." Hava aracını etkileyebilecek 4 vektör kuvveti tanımlamıştır: itme kuvveti, kaldırma kuvveti, çekme kuvveti ve ağırlık ve tasarımlarındaki ayırt edici istikrar ve kontrol.

Yatay ve dikey yüzeyli denge kuyruğu olan sabit kanatlı bir uçağın modern konvansiyonel formunu geliştirdi; insanlı ve insansız uçan planörler.

Uçuşun aerodinamiklerini araştırmak için, dönen kol test cihazının kullanımını tanıttı; bunu aynı zamanda ilk planörün de kullandığı düz kanat tasarımına karşılık eğimli ya da dış bükey kanatçık tasarımını keşfetmek için kullandı. Ayrıca, bir uçağın kanatları arasındaki açının, köşegen desteklerin ve sürükleme kuvvetinin azaltılmasının önemini tanımladı ve anlattı. Ornitopterlerin ve paraşütlerin anlaşılmasına ve tasarımına katkıda bulundu.

Bir başka önemli buluşu, hava aracı iniş takımı için hafif, güçlü bir tekerlek oluşturmak üzere tasarladığı gerginlik tekerleği idi.

19. yüzyılda Cayley'nin fikirleri rafine edildi, kanıtlandı ve genişletildi. Önemli araştırmacılar arasında Otto Lilienthal ve Horatio Phillips de yer alıyordu.

Havacılık dalları

Havacılık; Havayolları, Havacılık Bilimi ve Havacılık Mühendisliği olmak üzere üç ana kola ayrılabilir.

Havayolları

Havayolları, havacılığın sanatı veya uygulamasıdır. Tarihsel olarak havayolları sadece havadan daha ağır uçuş anlamına geliyordu, ancak günümüzde balonlarla ve zeplinlerle uçuş yapmayı da içeriyor.

Havacılık bilimi

Havacılık bilimi, operasyonlar, seyir, hava güvenliği ve insan faktörleri de dahil olmak üzere havayolları ve havacılığın pratik teorisini kapsar.

Pilot adayları, büyük olasılıkla havacılık biliminde bir derece için çalışmalıdır.

Havacılık Mühendisliği

Havacılık mühendisliği, uçakların nasıl çalıştırıldığını, nasıl kullanıldıklarını ve güvenli bir şekilde nasıl kontrol edileceğini de içeren uçak tasarım ve yapımını kapsar.

Havacılık mühendisliğinin büyük bir kısmı, havadan geçme bilimi olan aerodinamiktir.

Uzay uçuşunda artan etkinlikle, günümüzde havacılık ve astronotik genellikle havacılık mühendisliği olarak birleştirilmektedir.

Aerodinamik bilimi

Aerodinamik bilimi, havanın hareketi ve hareket halindeki nesnelerle (örneğin uçak gibi) etkileşim biçimiyle ilgilidir.

Aerodinamik çalışması genel olarak üç alana ayrılmaktadır:

Sıkıştırılamaz akış, havanın, nesnelerden kaçınmak için basitçe hareket ettiği, tipik olarak sesin altındaki ses hızlarında (Mach 1) gerçekleşir.

Sıkıştırılabilir akış, havanın sıkıştığı noktalarda, genelde Mach 1'in üzerindeki hızlarda şok dalgalarının ortaya çıktığı yerde oluşur.

Transonik akış, Mach 1 çevresindeki ara hız aralığında oluşur; burada, bir cisim üzerindeki hava akışı, bir noktada lokal olarak sesaltı ve diğerinde yerel olarak süpersonik olabilir.

Havacılık ve uzay mühendisliği

Bir roket veya roket aracı, bir roket motorundan itme gücü elde eden bir füze, uzay aracı, uçak veya başka bir araçtır. Tüm roketlerde egzoz, tamamen kullanılmadan önce roket içerisinde taşınan yakıtlardan oluşur. Roket motorları etki ve tepki ile çalışırlar. Roket motorları, egzoz gazlarını geriye doğru son derece hızlı atarak roketleri ileri doğru iterler.

Askeri ve eğlence amaçlı roketler, en azından 13. yüzyıl Çin'ine dayanmaktadır. Aya ayak basılması da dahil olmak üzere, Uzay Çağı'nın olanak verici teknolojisi haline geldiği ana kadar, önemli bilimsel, gezegenler arası ve endüstriyel kullanım, 20. yüzyıla kadar gerçekleşmedi.

Roketler, havai fişek, silah, fırlatma koltukları, yapay uydular için fırlatma araçları, insan uzay mekiği ve diğer gezegenlerin keşfi için kullanılır. Düşük hızlı kullanım için nispeten verimsiz olmakla birlikte, çok iddialı hızlar üretebilen ve makul bir verimlilikle son derece yüksek hızlara ulaşabilen çok hafif ve güçlü araçlardır.

Kimyasal roketler en yaygın roket türüdür ve genellikle roket iticilerin yakılmasıyla egzozlarını oluştururlar. Kimyasal roketler kolaylıkla salınan bir biçimde büyük miktarda enerji depolamaktadır ve çok tehlikeli olabilirler. Bununla birlikte dikkatli tasarım, test, yapım ve kullanım riskleri en aza indirir.