Uçak ve uzay mühendisliği nedir?

Uçak ve uzay mühendisliği her türlü hava ve uzay aracının geliştirilmesini konu edinen mühendisliğin temel dallarından biridir. Bu tanım çerçevesinde, hava ve uzay aracının tasarımını, analizini gerçekleştiren, yeni araçlar icat eden, test eden ve üreten kişilere de uçak ve uzay mühendisi denir. Ülkemiz üniversitelerinde uçak mühendisliği veya uzay mühendisliği adı altında ayrı bölümler olmakla beraber, yapılan çalışmaları tek bir çatı altında toplayan havacılık ve uzay mühendisliği bölümleri de mevcuttur.

Tarihsel süreçte, ilk olarak uçak mühendisliği ile ilgili yani atmosfer içindeki uçuşlara özel çalışmaları görürüz. Bu konuda çalışmalar yapmış tarihteki önemli isimlerden biri olarak İtalyan Leonardo Da Vinci (1452-1519) verilebilir. Modern anlamda bir uçağın üzerine etki eden ağırlık, taşıma, sürükleme ve itki şeklindeki dört ana kuvveti ilk olarak tanımlayan İngiliz Sir George Cayley (1773-1857), uçak mühendisliğinin öncülerinden biridir. Uzay mühendisliği için ise tarihte öne çıkan isimler özellikle roketler üzerine olan çalışmaları ile Rus Konstantin Tsiolkovsky (1857-1935) ve Amerikan Robert Goddard (1882-1945) olarak verilebilir. Havacılığın ilk yıllarında yapılan tasarım ve analiz tarzı işleri tanımlamak için uçak mühendisliği tek başına yaygın olarak kullanılırken, 1950’lerin sonunda Sputnik uydusunun uzaya gönderilmesi sonrasında, uçak ve uzay mühendisliği tek bir ana mühendislik dalı olarak anılmaya başlanmıştır.

Uçak ve uzay mühendisleri ne yapar?

Uçak ve uzay mühendisliği atmosfer içerisinde havayla etkileşimde olan tüm araçların ve farklı gezegenlere gönderilen robotlar dahil tüm uzay araçlarının tasarlanması, geliştirilmesi, ilgili analizlerinin gerçekleştirilmesi, üretilmesi ve işletilmeleriyle ilgilenir. Bu bağlamda uçak ve uzay mühendisliği birçok problemin çözümünü arayan çok disiplinli bir mühendisliktir. Mühendis, hava ve uzay araçlarının tasarımsal olarak bütünü üzerinde çalışabileceği gibi, aracın görevini başarı ile gerçekleştirmesi için gerekli olan algoritmalar dahil bütünü oluşturan alt sistemlerin her birinde de özelleşebilir.

Uçak mühendisinin çalışma alanı atmosfer içinde uçan her türlü araç ve bu araçlar için çözülmesi gereken problemlerdir. Bir yolcu uçağı örneğini ele alalım. Uçak mühendisi için en önemli konulardan biri, uçması için gerekli koşulları da kapsayacak şekilde uçağın hava ile etkileşimini inceleyen aerodinamik ilkeleridir. Uçağın hareket edebilmesi ve uçabilecek yeterli hızı kazanması için ise bir motor gerekir. Bu motorun tasarlanması, test edilmesi ve üretilmesi de yine uçak mühendisinin görevidir. Bunların yanı sıra uçağın hem uçacak kadar hafif olması hem de üzerindeki yüklere dayanacak kadar sağlam olması istenir. Bu gibi yapısal problemleri de gene uçak mühendisi çözer. Son olarak uçağın kontrol edilmesi gerekir. Bu kapsamda aviyonik alt sistemler tasarlanmalı ve uçağı kontrol edecek algoritmalar oluşturulmadır. Uçağın otomatik olarak uçmasını denetleyen otopilot sistemini tasarlamak buna bir örnektir. Bahsi geçen bu problemlerden her biri bir uçak mühendisinin çalışma konusu olabilir. Öte yandan mühendisin üzerinde çalışacağı araçları da sadece uçaklar ile sınırlı tutmak doğru olmaz. Helikopterler, insansız hava araçları, sıcak hava balonları, zeplinler, füzeler şeklinde liste uzayıp gider. Hatta hava ile etkileşimleri ve ortaya çıkan aerodinamik problemler nedeniyle rüzgâr türbinleri gibi ilk olarak akla gelmeyecek mekanizmalar da bu listeye dahil edilebilir.

Uzay mühendisinin görevi birçok konuda uçak mühendisi ile kesişse de esas olarak araç atmosfer dışına çıktığında başlar. Bu tip bir aracın ilk örneği roketlerdir. Haberleşme uyduları, yer gözlem uyduları gibi her türlü uydu, gezegenlerarası keşif görevlerinde yer alan uzay araçları ve Mars, Ay gibi farklı gök cisimleri üzerinde keşif amacıyla kullanılan robotlar, uzay mühendislerinin üzerinde çalışacağı farklı araç örnekleri olarak sıralanabilir. Özel olarak problemler ele alındığında da uzay mühendisinin çalışmaları uzay aracının kendisinin ve görevinin tasarımından başlar. Aracın uzayda gideceği noktaya ulaşmasını sağlayan itki sistemi, konumunu ve yönelimini denetleyen otonom güdüm, seyrüsefer ve kontrol sistemi ve araç üzerinde yer alan her türlü mekanik sistem uzay mühendisinin çalışma alanına girer.

Uçak ve uzay mühendisliği eğitiminin kapsamı nedir?

Uçak ve uzay mühendisliği eğitimi yakın ilişkide olunan diğer mühendisliklerde olduğu gibi fizik, matematik, doğrusal cebir gibi temel mühendislik dersleri ile başlar. İkinci senenin ortasından itibaren müfredata akışkanlar mekaniği, aerodinamik, hava ve uzay aracı yapı ve malzemeleri, itki sistemleri, uçuş mekaniği gibi mühendisliğin kendisine özgü dersleri dahil olur. Özellikle dördüncü sınıfta alınan tasarım dersleri ve teknik seçmeli dersler ile öğrenci ilgi duyduğu, aerodinamik, hava ve uzay araçlarının kontrolü, itki sistemleri gibi farklı alanlarda özelleşme şansı bulur. Bu gibi derslere bazı örnekler:

-Uzay Araçları Tasarımı
-Hava ve Uzay Aracı Yapıları
-Otomatik Kontrol Sistemleri
-Mekanik Titreşimler
-Hesaplamalı Aerodinamik
-Roket Teknolojilerine Giriş
-Robotiğe Giriş
-Uzay Araçları Dinamiği
-Yörünge Mekaniği
-İtki Sistemleri
-Kompozit Materyeller Mekaniği
-Helikopter Aerodinamiği ve Tasarımı

Genel olarak özelleşme bir danışman gözetiminde, danışmanın kendi çalışma konuları dahilinde yapılacak bir bitirme projesi ile de pekiştirilir. Eğer öğrenci dilerse lisansüstü çalışmalar ile bir üst seviyedeki dersleri takip ederek ve tez projesi hazırlayarak, eğitimini özelleştiği alanda daha donanımlı bir şekilde, uzman olarak tamamlar.

Uçak ve uzay mühendislerinin uzmanlık alanları nelerdir?

Hava ve uzay araçlarının birden fazla problemin eşzamanlı çözümünü gerektiren oldukça karmaşık yapılar olduğu da dikkate alındığında, bir uçak ve uzay mühendisi kendi ilgisine de bağlı olarak çok farklı alanlarda uzmanlaşabilir. Bu alanlar ana başlıklar halinde aşağıda paylaşılmıştır. Bu alanlar aslında iç içedir ve biri üzerine uzmanlık bir başkasına da hâkim olmayı gerektirebilir. Örneğin itki sistemleri üzerine çalışacak bir uçak mühendisinin aerodinamik alanında da yetkin olması beklenir. Uzay araçlarının kontrolü üzerine çalışacak bir mühendis ise benzer şekilde uzaydaki hareketi inceleyen astrodinamik alanında da kendini yetiştirmiş olmalıdır. Zaten genel olarak ele alındığında havacılık ve uzay mühendisliği eğitimi uzmanlaşılan alandan bağımsız olarak mühendisin tüm bu alanlarda en az temel seviyede bilgi sahibi olmasını hedefler.

Aerodinamik: Daha genel çerçevede  gaz dinamiği ve akışkanlar mekaniğinin bir alt disiplini olan aerodinamik, bir nesne ile etkileşimde bulunan havanın hareketini inceler. Hava ve uzay mühendisliği özelinde bu nesne uçak, füze, helikopter, paraşüt gibi uçan araçlar olabileceği gibi, önceden bahsedildiği şekilde rüzgâr türbininin kanatları da olabilir. Aslında hava ile etkileşimi dikkate alındığında bir otomobil tasarımının da önemli bir ögesini aerodinamik çalışmalar oluşturur. Aerodinamik kendi içerisinde hesaplamalı akışkanlar mekaniği, deneysel aerodinamik, rüzgâr türbini aerodinamiği, aeroakustik, helikopter aerodinamiği gibi farklı alt çalışma konuları barındırır.

Hava ve uzay araçları kontrolü: Birçok üniversitede ayrı bir mühendislik dalı olarak da bulunan kontrol mühendisliği ile doğrudan ilişkili bu alan, kontrol kuramı ve hava ve uzay araçları özelindeki uygulamalarına odaklanır. Hava ve uzay araçlarının kontrolü üzerine çalışan bir mühendisin işi öncelikle ilgili aracın hareketinin matematiksel olarak modellenmesi ve analizlerinin gerçekleştirilmesi ile başlar. Bu süreç hava araçları için uçuş mekaniği, uzay araçları için ise astrodinamik bilgisi gerektirir. Çalışmalar bu aşamadan sonra aracı otonom olarak kontrol edecek veya kontrolünü kolaylaştıracak sistemin oluşturulması, algoritmaların tasarlanması ile devam eder. Hem hava araçları hem de uzay araçları için, aracın konumunun ve yöneliminin hesaplanması, rotasının çizilmesi ve hedeflenen rota için kontrol edilmesi sürecin bir parçasıdır. Hava ve uzay araçlarının kontrolü için gerekli olan sensör ve ekipmanların geliştirilmesi de, kontrol için kullanılan bilgisayar yazılımlarının hazırlanması da bu alanda çalışan bir mühendisin görevleri arasındadır. Özellikle insansız hava araçları ve gezegen keşiflerinde kullanılan robotlar ele alındığında, bilgisayar mühendisliği, robotik, mekatronik gibi disiplinlerle de doğrudan ilişkilidir.

İtki sistemleri: Bir hava ve uzay aracının atmosfer içindeki veya uzaydaki hareketini sağlayan, turboprob ve turbojet gibi farklı motorlar ve roketler bu uzmanlık alanı dahilinde tasarlanır, geliştirilir ve üretilir. Özellikle uzay araçlarında son dönemde sıkça kullanılmaya başlanan elektrik itki sistemlerini de yine bu alt başlık altında ele almak gerekir. İtki sistemleri konusunda uzmanlaşan bir uçak ve uzay mühendisinin özel olarak ilgilendiği uygulamaya da bağlı olarak, akışkanlar mekaniği, gaz dinamiği, yanma, yakıt kimyası gibi ilintili konularda da bilgi sahibi olması gerekir. Sistemin genel tasarımında motorun yüksek sıcaklıklara dayanmasını sağlayacak şekilde malzeme bilgisi ve gene yüksek yükler altında dayanımını sağlayacak şekilde yapısal tasarım bilgisi de gerekli hale gelir.

Astrodinamik: Uzay aracının kontrolü ile yakın ilişkili olan bu alan, aracın uzaydaki hareketini inceler. Yörünge mekaniği ve uzay aracı yönelim dinamiği bu alanın alt başlıklarıdır. Astrodinamik aracın hareketinin kavranması ve sonrasında da denetlenebilmesi açısından büyük önem taşır. Uzay araçları için görev tasarımının olmazsa olmaz bir parçasıdır. Örnek vermek gerekirse, Mars’a gönderilecek bir uzay aracı için uygun fırlatma aralığının belirlenmesi, Mars’a olan yolculuk süresince aracın takip edilmesi ve gerekli manevralar ile yörüngesinin ayarlanması gibi problemlerin her birinin çözümü için astrodinamik bilgisi gerekir. Uzay istasyonu ile kenetlenme, birden fazla uydunun buluşması, farklı gök cisimlerinden örnek toplanması gibi karmaşık problemlerin her biri astrodinamik konusunda uzmanlaşmış bir uzay mühendisinin çalışma konuları dahilindedir.

Hava ve uzay aracı malzemeleri: Malzeme mühendisliğinin, hava ve uzay araçları için özelleşmesi olarak görülebilecek bu alan, aracın genelinde veya her bir alt sisteminin inşasında kullanılacak malzemeleri inceler. Hem yeni malzemelerin tasarlanması hem de mevcut malzemelerin iyileştirilmesi çalışma konusudur. Kullanılan malzemenin hem hafif hem de maliyet olarak ucuz ve yüksek performanslı olması beklenir. Fakat bir yandan kullanılacak ortama bağlı olarak farklı isterleri de sağlamalıdır. Örneğin, insanlı bir uzay aracı, astronotlarını uzay ortamındaki radyasyondan koruyabilmeli ve Dünya’ya dönüş sırasında atmosferdeki sürtünme kaynaklı yanma nedeniyle yüksek sıcaklıklara da dayanabilmelidir.

Hava ve uzay aracı yapıları: Hava ve uzay aracı malzemeleri ile doğrudan ilişkili olan bu çalışma alanı, aracın genel yapısının veya alt yapılardan her birinin uygun olarak tasarlanması ve geliştirilmesi ile ilgilenir. Hem hava araçlarında hem de uzay araçlarında temel hedef, aracın yapısının bir yandan hafif ve maliyet olarak ucuz olmasını sağlarken bir yandan da ilgili yüklere, yani üzerindeki mekanik kuvvetlere dayanacağına emin olmaktır. Bir uçaktan örnek verilecek olursa, uçağın kanadının mümkün mertebe hafif olması istenir. Fakat tüm uçak için ana taşıma kuvvetinin kanatlar tarafından sağlandığı düşünüldüğünde, kanat yapısı en fazla kuvvete maruz kaldığında da uçağın ömrü boyunca “yorulmadan” sağlam bir şekilde uçağı taşıyabilmelidir. Bu alanda çalışan bir mühendis uçak yapısının mekanik analizi, testleri, uygun malzemelerin seçimi gibi konularla ilgilenir.

Uçak ve uzay mühendisleri nerelerde çalışabilir?

Çalışma alanlarının ve özelleşilen konuların genişliği düşünüldüğünde günümüzde uçak ve uzay mühendisleri birçok farklı firmada ve kuruluşta, gerek yurt içinde gerekse yurt dışında iş imkânı bulabilirler. Bunların belli başlı örnekleri aşağıda sıralanmıştır:

-Hava yolu şirketlerinde
-Hava yolu şirketlerine teknik bakım hizmeti sağlayan şirketlerde
-Savunma sanayi şirketlerinde
-Her türlü hava aracını ve alt sistemlerini tasarlayan, geliştiren ve üreten şirketlerde
-Uydu ve uzay teknolojileri geliştiren şirketlerde
-Uzay ajanslarında
-Havacılık ve uzay konularında çalışmalar yapan araştırma enstitülerinde
-Otomotiv şirketlerinde
-Enerji şirketlerinde

Uçak ve uzay mühendislerini gelecekte ne bekliyor?

Günümüzde artan havayolu taşımacılığını ve özel şirketlerin de dahil olması ile yeniden hızlanan uzay yarışını dikkate aldığımızda, havacılık ve uzay mühendisliği alanında birçok yeni gelişme bizleri beklemektedir. Havacılık alanında düşük karbon emisyonlu yeşil (temiz) itki sistemleri ve uçakların geliştirilmesi, süpersonik uçakların yeniden hayatımıza girmesi, uçan arabalar, yapay zekânın havacılık alanındaki uygulamaları, havacılıkta eklemeli imalat teknolojileri ve gelişmiş akıllı havacılık materyalleri bu konulardan sadece birkaçıdır. Uzay çalışmalarında ise yapay zekâ destekli tam otonom uzay araçları, asteroid madenciliği, yörüngede atıl durumdaki uydulara hizmet sunma, yörüngede enerji toplayıcı uydu sistemleri ve gezegenlerin robotik ve insanlı keşfi gelecekte sıkça duyacağımız konu başlıklarından bazılarıdır.

Halil Ersin Söken
Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Havacılık ve Uzay Mühendisliği Bölümü

Bu eser Creative Commons Atıf-GayriTicari 4.0 Uluslararası Lisansı ile lisanslanmıştır. İçerik kullanım koşulları için tıklayınız.