Boeing, Valkyrie yeniden kullanılabilir, insansız hipersonik uçağı için girişler ve şekillendirme için yeni tasarım yaklaşımlarını gösteren güncellenmiş bir konsept açıkladı.

Air Force Magazine’e verilen bir sanatçının konsept çiziminde ve bu hafta San Diego’daki Amerikan Havacılık ve Uzay Bilimleri Enstitüsü toplantısında bir model şeklinde gösterilen uçak, Boeing’in 2018’de kamuoyuna açıkladığı bir önceki konseptinden birkaç tasarım sapması ve revizyonu gösteriyor. Bir önceki yinelemede, 1980’lerin Ulusal Havacılık-Uzay Uçağı (NASP) konseptine çok benzeyen, sivri burunlu, derin omurgalı ve gövdenin altına yerleştirilmiş “2-D” dikdörtgen girişleri olan bir uçak gösteriliyordu. Yeni versiyon ise daha çok küt bir burun, düzleştirilmiş üst kısım ve uçağın uzunluğu boyunca uzanan yuvarlak, ayrılmış girişler ile aerospike teknolojisini kullandığı anlaşılan nozullara sahip ikiz bomlara sahip bir “waverider” şeklini göstermektedir.

Tasarımla ilgili olarak Air Force Magazine’e bir açıklama yapan Boeing, “geçtiğimiz birkaç yıl içinde araç tasarım konseptlerimizi ilerlettik, yenilikçi entegrasyon çözümleri geliştirdik ve itki, termal, malzeme, güdüm, navigasyon ve kontrol ile motor/gövde entegrasyonu gibi zorlu alanlarda mümkün kılıcı teknolojileri olgunlaştırdık” dedi. Şirket, “son 60 yıldır hipersonik araçları başarıyla tasarladığını, ürettiğini ve uçurduğunu” ve araştırma ve teknoloji birimlerinin “gelecekteki potansiyel savunma uygulamalarını desteklemek için hipersonik araç konseptleri ve teknolojileri geliştirdiğini” belirtti.

Bir önceki yineleme, Lockheed Martin’in yeniden kullanılabilir bir istihbarat, gözetleme ve keşif uçağı olması amaçlanan “SR-72” olarak adlandırdığı bir tasarım konseptini yayınlamasına karşı koyma çabasıyla ortaya çıktı.

Boeing, hava solumalı hipersonik uçuşu sürdüren ilk araç olan X-51’i tasarlamış ve uçurmuş olmasına rağmen, 2010’ların ortalarında çeşitli potansiyel hipersonik araçlar ve füzeler için yapılan bir dizi sözleşmede seçilmedi. Ancak geçen yıl Boeing, hipersonik bir füze için Donanma programı olan HyFly2’yi geliştirmek üzere finanse edildi. Valkyrie, bilinen herhangi bir sınıflandırılmamış programa yönelik olmasa da, savunma endüstrisine Boeing’in hipersonik oyunda çok fazla yer aldığını hatırlatmayı amaçlıyor gibi görünüyor.

Tasarımın Analiz Edilmesi

Air Force Magazine, Ulusal Savunma Sanayi Birliği’nin Gelişen Teknolojiler Enstitüsü’nün icra direktörü Mark J. Lewis’ten Boeing’in konsepti hakkında gözlemlerini paylaşmasını istedi. Önde gelen bir hipersonik otoritesi olan Lewis, Trump Yönetimi altında savunma araştırma ve mühendislik direktörüydü ve daha önce şirketin hipersonik çabaları hakkında brifing almıştı.

Lewis, “Boeing bir süredir bunun üzerinde çalışıyor,” dedi. “Konferanslarda ve toplantılarda gösterdikleri önceki konfigürasyonların geliştirmekte oldukları konfigürasyonları tam olarak temsil etmediğini düşünüyorum.” Bununla birlikte, son model muhtemelen “üzerinde çalıştıkları şeye biraz daha yakın.”

Lewis, Boeing’in uçağının kombine çevrimli bir uçak olduğunu, yani aracın bir gaz türbini motoru kullanarak bir pistten kalkabileceğini ve yeterli süpersonik hıza ulaşıldığında, bir scramjet motoru kullanarak hipersonik hava soluyan uçuşa geçebileceğini söyledi. Boeing yetkilileri daha önce gaz türbini hava akış yolunun kapatılarak hipersonik hava akışının scramjet motorundan geçmesine izin verilmesini önermişti.

Lewis, “Mach 0’dan Mach 5 veya Mach 6’ya giden bir itici güç akış yolu tasarlamanın” göz korkutucu bir görev olduğunu ve “şeytanın ayrıntıda gizli olduğunu” söyledi. Boeing’in bu itici güç akış yolunu incelemek için muazzam bir çaba sarf ettiğini biliyorum. Ve … bence en son model onların bu zorluğa ilişkin anlayışlarını yansıtıyor.”

Lewis, Boeing’in tasarımının NASA’nın X-43 programından alınan derslere dayandığını söyledi.

“Çok sayıda tasarım yinelemesi yaptık” diyor ve ekliyor: “Yeni bir konfigürasyon seçerken en önemli itici faktörün aslında hipersonik performans değil, transonik performans olduğunu keşfettik.” Çeşitli hipersonik şekiller, “yüksek mach aralığına girdiğinizde, hepsi yaklaşık olarak iyi performans gösterdi. Asıl soru, Mach 1’e ulaştığınızda ne kadar sürüklenmeye sahip olduklarıydı ve Mach 1’i hipersonik bir şekille bile geçebilir miydiniz? Boeing çalışanları bunu gerçekten çok iyi anlıyorlar.”

Genel waverider şekli diğer hipersonik konseptlerle tutarlı olsa da Lewis, alışılmadık krank-ok kanat plan formunun ve gövde ile garip basamaklı birleşiminin muhtemelen ses altı veya transonik kontrol ve performansla ilgili olduğunu söyledi.

Lewis, “2-D” girişten ogival ya da yuvarlak “3-D” şekle geçişin, diğer hipersonik teknoloji çabalarının izinden gittiğini söyledi.

Hiçbir zaman uçan bir prototip haline gelemeyen NASP’de 2 boyutlu girişler kısmen “analiz edilmesi daha kolay olduğu için” kullanıldı, ancak daha karmaşık şekiller için hesaplama araçları 40 yıl sonra şimdi daha verimli tasarımları mümkün kılıyor, dedi.

“NASP o kadar büyük bir araçtı ki, paralel motor modülleri kullanmanız gerektiği çok iyi biliniyordu,” diyerek hızlanmak için gaz türbinlerine ve hipersonik seyahat için scramjetlere atıfta bulundu.

“Araca güç sağlamak için tek bir motor modülü yapamazsınız. Motor modüllerini yan yana dizmenin en iyi yolu da iki boyutlu olmalarını sağlamaktır.” Ayrıca, NASP’ın Mach 0’dan Mach 25’e kadar uçması gerekiyordu, bu nedenle değişken geometrili bir giriş olması gerekiyordu. Ayrıca, yuvarlak bir şekil hava ile giriş arasında daha az temas ve daha düşük ağırlık anlamına gelir.

“Girişten geçen belirli bir hava hacmi için yuvarlak bir şekil, kare şeklinde bir şekle göre daha az yüzey alanına sahiptir. Yani bu bir avantaj” diyor Lewis.

Daha yuvarlak bir giriş aynı zamanda “daha verimli bir basınçlı kaptır. Dolayısıyla, yakıcıya giden girişin içindeki yükler konusunda endişeleriniz varsa, yuvarlak şekillerin avantajları vardır.”

Lewis, başlangıçta yuvarlak girişlerin belirli bir hız için optimize edilmesi gerektiği düşünülse de bunun doğru olmadığının ortaya çıktığını belirtti. Ayrıca yuvarlak girişlerin motorun çalışmamasına yol açacağı düşünülüyordu, ancak bunun da doğru olmadığı kanıtlandı, dedi.

“Sonuç olarak, bugün baktığımız neredeyse tüm … hipersonik konfigürasyonlara bakarsanız … hepsinin yuvarlak girişleri olduğunu görürsünüz. Dolayısıyla Boeing’in yeni konseptinde bu girişlerin olması şaşırtıcı değil”. “Ve aslında, kare şeklindeki girişlerin her zaman bir tür kırmızı ringa balığı olduğunu söylemenin güvenli olduğunu düşünüyorum.”

Artılar ve Eksiler

Girişlerin ayrılmasını “çok sayıda artı ve eksisi” olan “ilginç bir tasarım tercihi” olarak nitelendirdi. Motorların ayrılması “çok daha fazla iç hacim” sağlayarak “paketleme avantajları” sunarken, ayrılmış motorlar bir motorun durması halinde ani şiddetli yalpalama torku tehlikesi yaratır. Bu, üçlü sonik SR-71’de dönemsel bir sorundu. “Pilotlar bunu oldukça üzücü bir deneyim olarak tanımlıyorlar” diye gözlemledi.

Boeing’in üzerinde çalıştığı gibi kombine çevrimli bir uçakta karşılaşılan en büyük zorluk “bu motor çevrimlerinin birbiriyle çakışmasıdır. Karşılaştığınız en büyük teknik sorun… gaz türbini motoru, scramjet’in devreye girebileceği mach sayısının altındaki bir mach sayısında çalışmayı durdurduğunda, bu boşluğu bir şekilde kapatmanız gerekiyor.”

Seçeneklerden biri gaz türbinini mümkün olduğunca yüksek bir mach sayısına çıkarmak; diğeri ise scramjet’in başlangıç hızını mümkün olduğunca düşürmek. Ya da, “Çift modlu operasyonlar denen şeye sahip olabilirsiniz, yani hem ramjet hem de scramjet olabilen bir motorunuz var.”

Boeing’in bu muammayı çözüp çözmediği konusunda daha fazla yorum yapmaktan kaçınan Lewis, şirketin “buna çok dikkat ettiğini” söyledi.

Çözümün büyük bir kısmı “sadece itici güç değil, tüm akış yoludur. Yani giriş tasarımını optimize etmek, nozül tasarımını optimize etmek, girişleri ve nozülleri çalıştığınız mach sayısına göre uyarlayabilmektir.”

Yüksek mach sayısında uçan ancak hipersonik hızda olmayan SR-71, bunu hızına bağlı olarak pozisyon değiştiren bir giriş konisi ile başarmıştır.

Lewis, hipersonik hızda karşılaşılan yüksek sıcaklıklarla başa çıkmak için Boeing’in “sıcak bir yapıya” başvurduğunu tahmin etti. “Soğuk yapı “nın yüksek sıcaklıklarla iyi başa çıkamayan ancak bir tür termal korumaya sahip malzemeler kullandığını açıkladı. Örneğin uzay mekikleri, ısıyı emen ve dağıtan silika karolarla korunan alüminyum bir yapıya sahipti.

SR-71, F-15 ve hiç inşa edilmemiş olan X-20, malzemelerin kendilerinin yüksek sıcaklığa dayanıklı olduğu bir “sıcak yapı” kullanmıştır. Ayrıca bakım açısından da daha iyidirler ki bu önemli bir husustur-“uzay mekiği döşemelerinin nasıl bir kabus olduğunu hatırlayın. Ama açıkçası Boeing çalışanlarının hangi yaklaşımda karar kıldıklarını bilmiyorum.”

SR-71’in malzemeleri uçuş sırasındaki yüksek sıcaklıklarda genleştiği için yerde boşlukları olması gerekiyordu ve çok fazla sızıntı yapıyordu. “Ama biliyorsunuz, yapısal tasarım araçlarımız SR-71’in tasarlandığı 1950’lerde olduğundan çok daha sofistike.”

Lewis, yarım konik bom benzeri egzozların “çok basit” olduğunu söyledi. “Bu, hipersonik konfigürasyonlarımızdan herhangi biri için klasik bir tasarım.” Bunun nedeni egzoz basıncının ortam havasıyla eşitlenmesiyle ilgili.

Bir roket çanının aksine, “esasen aerospike tasarımı denilen şeyi yaparsınız” diye açıkladı. “Bir aerospike tasarımı, nozulu alır ve ters çevirirsiniz, böylece bir çan şekline sahip olmak yerine, akış çanın içinde genişler, bir sivri ucunuz olur ve akış sivri uç boyunca genişler.” Daha düşük hızlarda ise itme kuvveti bir şekilde yanlara doğru çıkacaktır. “Süpersonik akışın doğası gereği, temelde motordan çıkan bitişik bir hava akımını muhafaza edersiniz ve bu akım giderek genişler.” Akış, “çok hızlı hareket ettiği için kontrol altındadır… Ve bunun güzelliği, eğer doğru yaparsanız, atmosfer basıncına kadar ya da ona oldukça yakın bir şekilde genişler.”

Dolayısıyla, “herhangi bir hipersonik konfigürasyon için, Boeing çalışanlarının gösterdiği türden bir harici genleşme nozulu kullanmanız neredeyse kesindir.”

Lewis, eğik dikeyler hakkında fazla yorum yapmaktan kaçınarak, bunların sapma dengesi veya “sanatsal lisans” ile ilgili olabileceğini söyledi.

Lewis, aracın yassı şeklinin de gizlilik için iyi olduğunu ve termal izinin düşünüldüğü kadar ele vermeyeceğini söyledi.

“Hipersonik bir aracın çok sıcak olacağına dair sıkça duyduğunuz bir yanlış isimlendirme var. … Ama eğer doğru bir şekilde tasarladıysanız, gerçekten de sadece ön kenarlar çok sıcak olacaktır. Aslında, verimli hipersonik uçuşa uygun şekiller nispeten küçük kesitlere sahip olma eğilimindedir. Yani gerçekten ince şekiller olma eğilimindedirler.”

Lewis, Valkyrie’nin piyasaya sürülmesinin Boeing’in hipersonik alanında hala bir oyuncu olduğunu hatırlattığı konusunda hemfikir.

“Unutmayın, Boeing X-51’i yaptı. Hipersonik bir uçak gövdesinin nasıl yapılacağını biliyorlar. DARPA yarışmasından elendiler. Şimdi oyuna geri döndüler” dedi. “Ortak Hipersonik Geçiş Ofisi, HyFly2 adı verilen hipersonik hava soluyan füze konsepti için Boeing’e fon sağlıyor. Açıkça söylemek gerekirse, tasarımlarında çok başarılılar. Gerçekten iyi bir iş çıkarıyorlar.”