Herhangi bir cisim, akışkan içinde hareket etmeye çalıştığında bir direnç ile karşılaşır ve söz konusu direnci yenebildiği ölçüde hareketine devam edebilir. Bu durum gemi, araba, uçak gibi araçlar için aşikâr olduğu gibi barajdan musluğumuza kadar gelen suyun, damarlarımızdaki kanın veya sıvıdaki mikropların vs. hareketleri için de geçerlidir, luzûci etkiler sebebiyle, fizikî açıdan suda yüzen bir bakterinin durumu ise bizim bal içinde yüzmemiz gibidir. Direnç kuvveti muhtelif bileşenlerden oluşur. Bu bileşenlerden biri olan sürtünme direncinin insanoğlu tarafından anlaşılmaya başlanmasında ilk adımlar ise Poiseuille ve Reynolds'ın öncü çalışmalarıyla atılmıştır denilebilir.

Yavaş yavaş konunun daha iyi anlaşılmaya başlanmasıyla, harekete karşı koyan direncin azaltılmasına yönelik çalışmalar da giderek önem kazanmıştır. Geçen zaman içinde çok çeşitli yöntemler, gerek kuramsal gerekse uygulamalı olarak ortaya konmuş olduğu gibi bu konudaki arge çalışmaları günümüzde de artarak devam etme eğilimindedir.

Böylece, önümüzdeki dönemde bir dizi yazı ile ele alınması düşünülen, çeşitli Direnç Azaltma (DA) yöntemlerinin kısaca değerlendirilmesi konusuna, bu ilk bölümle birlikte giriş yapmış da oluyoruz.

DA'yı uygulama alanlarına göre iki temel başlığa ayırmak mümkün olabilir:

1. Dahilî Akışlar
2. Haricî Akışlar

Yukarıdaki her iki madde için de geçerli olmak üzere, uygulama yaklaşımı olarak ise iki temel tür söz konusu olabilir:

1. Pasif Yöntemler
2. Aktif Yöntemler

Günümüz kaynakları, yaygın bir şekilde, DA çalışmalarının başlangıç noktasını; ingiliz kimyacı Bryan Atkinson Toms'un gerçekleştirdiği ilk denel çalışmalarını değerlendirdiği, 1949 tarihinde yayınlanmış makalesi [1] olarak göstermektedir. Her ne kadar Toms tarafından, dahilî akışlar için çoğuz katkısının, akışkan direncini belirgin ölçüde azalttığı yönünde ortaya konan bu önemli bulgular uzun zaman dikkât çekmediyse de daha sonraları Toms etkisi olarak da adlandırılacak bu davranış, yavaş yavaş kapsamlı arge çalışmalarını tetiklemeye başlayacaktı.

Yine de yeri gelmişken biraz daha geriye gidebiliriz. Örneğin [Resim.2] üzerinde de "temsilî" olarak görüldüğü gibi İkinci Dünya Savaşı sırasında alman denizaltılarında kullanılan 533mm torpillerin üzerine, kovana yerleştirilmeden önce vazelin kaplandığı yönünde bir iddia mevcut. Bu uygulama (eğer gerçek ise) harici akış üzerine, üstelik gerçek şartlarda ve Toms'dan önce, bir pasif DA uygulaması olarak da değerlendirilebilir.

İkinci Dünya Savaşı döneminde almanların elinde iki temel torpil mevcuttu G7a ve G7e. Bunlardan ilki ısıl tahrikli yüksek süratli ve uzun menzilli bir silahtı fakat tahrik sistemi sebebiyle büyük bir görünür dümensuyu izi bıraktığı için düşman tarafından farkedilebilmeleri kolaydı. Bu durum almanları ister istemez, elektrik tahrikli G7e'yi geliştirip kullanmaya mecbur etti. Fakat bugün olduğu gibi o gün için de elektrik tahrikli torpiller ısıl tahrikli olanlardan daha düşük performanslıydı. Eski G7a'ya göre çok daha kısa menzilli ve çok daha yavaş olan yeni G7e'nin performansını savaş şartlarında acilen olabildiği kadar yükseltebilme ihtiyacı, almanları bu torpillerin üzerine, DA maksadıyla, vazelin kaplayarak kullanmaya itmiş olabilir.

Resim.2) Ayrıntılara verilen önem ve gerçekçilik seviyesi sebebiyle günümüze kadar çekilmiş tek iyi denizaltı filmi olan Das Boot'dan (1981) alınmış bir sahne. Burada bir Tip VIIC denizaltısının baş torpil dairesinde kovanlara yüklenmek üzere hazırlanan iki temsilî G7 torpili görülüyor. Sancaktaki torpil kovana yüklenmeye hazır ve üzeri tamamen vazelin kaplı, iskeledekinin üzerine ise mürettebat elle vazelin kaplamaya devam ediyor.

Diğer taraftan G7e'lerin, Kuzey Atlantiğin soğuk sularında kullanılmadan önce (kurşun-asit) akülerinin 30°C'ye ısıtılması gerekiyordu, aksi taktirde torpil, zaten kısıtlı olan menzilinin üçte birini kafadan kaybediyordu! Bu durumda vazelin kaplama uygulamasının (muhtemelen) sürtünme direncini azaltması yanında, torpil etrafında oluşan akış içindeki türbülansı azaltarak, suyla gövde arasındaki ısı naklini de bir miktar yavaşlatması ve azami sekiz dokuz dakika seyir yapacak bu silahın olabildiğince yavaş soğumasının sağlanması da ikincil bir etki olarak söz konusu olabilir. İlâve olarak yüzeye kaplanan vazelinin, gövdenin soğuk suyla doğrudan temasını kesmesi neticesinde küçük de olsa bir miktar ek yalıtım etkisi de muhtemel olabilir belki ama bunu anlayabilmek için vazelinin ısı iletme davranışını incelemek lâzımdı ki bunu yapacak zamanım yoktu...

Velhâsıl DA uygulamaları konusunda ilk çalışmaların Toms'dan önce Almanya'da gerçekleştirilmiş olabileceği yönünde bir varsayım da ileri sürülebilir olsa da bunu doğrulayabilecek bir veriye bugüne kadar rastlamadım.

Toms Etkisi

Bryan A. Toms, İkinci Dünya Savaşının hemen akabinde yeni tesis edilmiş olan Courtaulds Temel Araştırma Laboratuvarında (İngiltere); çoğuz çözeltilerinin sıvıların akıcılığı üzerindeki etkilerinin incelenmesi alanında çalışmaya başladı. Netice olarak ince ve düz bir tüp içinde hareket eden akışkana eklenen bâzı katkıların belli bir yoğunluk düzeyinden itibaren, türbülanslı akış koşullarındaki bir sıvının, katkısız duruma göre daha rahat akmasını sağladığını gördü ve konuyla ilgili ilk değerlendirmesini [1] 1949'da yayınladı.

Aşağı yukarı aynı zaman dilimi içinde Atlantiğin diğer tarafında (ABD) eşdeğer sonuçlar gösteren benzer çalışma, bir kimyacı olan Karol J. Mysels tarafından ve muhtemelen İkinci Dünya Savaşı esnasında gerçekleştirilmişti ki benzinin boru hatlarıyla daha hızlı nakledilmesi için katkı geliştirilmesini kapsayan söz konusu çözüm hakkında ilgi çekici veriler 1947 tarihli patent başvurusu belgesinde [2] görülebilir.

Toms ve Mysels'in çalışmaları DA teknolojilerinin önemli kollarından biri olan; türbülanslı akışların içine katkı malzemesi verilmesine dayalı yöntemlerin geliştirilmesi doğrultusunda değerli birer temel oluşturması açısından önemlidir. Söz konusu katkı maddelerinin akış ortamına verilmesi, duruma bağlı olarak:

• Doğrudan akışkana ilâve etmek
• Sınır tabaka içine aşılamak

şeklinde uygulanabilir. Bunlardan ilki daha çok dahilî akış, ikincisi ise haricî akış uygulamaları açısından önemlidir. Sitenin içeriği doğrultusunda bizim açımızdan ikinci madde öncelikli olduğundan, ağırlık bu doğrultuda olacaktır denilebilir.

Resim.3) Bölgeye yapılan çoğuz aşılamasının türbülanslı sınır tabaka üzerindeki etkisini gösteren, su tünelinde düz levha (mavi) ile gerçekleştirilmiş bir deney çalışmasında elde edilen PLIF¹ görüntüleri.
Görüntülerin fizikî yüksekliği 17,5mm, genişliği 14,3mm ve δ ise 19mm. [A] doğal akış durumunu, [B] 100ppm² ve [C] 500ppm çoğuz (POLYOX 301) aşılamasının sınır tabaka üzerindeki etkisini göstermektedir.[3]
Bu örnek hidroakustik açıdan değerlendirildiğinde [A] durumu kükreme ve [C] durumu ise fısıltı olarak betimlenebilir.

Hemen yukarıdaki resimde, su tünelinde gerçekleştirilen bir deneyde, türbülanslı sınır tabaka içine yapılan görece küçük miktarda katkı maddesi aşılamasının akış üzerindeki müthiş etkisi açıkça görülebilmektedir. Böyle deney ortamlarında %70'in üzerinde direnç azalması sağlanabilmektedir.

DA amacıyla kullanılan çoğuz türü katkı maddeleri, moleküler yapılarına bağlı olarak, türbülansın etkisiyle duvar yakınlarında gerilmeye başlarlar ki bu durum akışkan luzûciyetinin yerel olarak artmasına sebep olur ve artan luzûciyet ise duvar yakınındaki girdap yapılarını söndürmeye başlayarak duvar kayma gerilmesini azaltıp bölgedeki Reynolds gerilmelerini zayıflattığı gibi türbülansı duvardan uzaklaşmaya da zorlar...

Fakat içeriğin çok fazla uzamasına engel olabilmek için söz konusu malzemelerin ve etkilerinin teknik ayrıntıları mecburen daha sonraya bırakılacak çünkü bu noktadan sonra yazı, konuyla doğrudan bağlantılı olmakla birlikte farklı bir açıdan ilerleyecek.

Resim.4) Leningrad'da inşa edilen Proje 1710 Sınıfı özel maksatlı arge denizaltısı Karadeniz kıyısındaki limanında, 1980'lerin son çeyreği olmalı. Satıhta ~1.420ton, dalışta ise 2.480ton olan denizaltı, 64m uzunluğunda ve 9m genişliğindeydi ve çift cidarlıydı. Üzerinde silah taşımıyordu ve biri 50kW diğer ~4.MW iki elektrik motoru ile tahrik ediliyordu.

Denizaltı Üzerinde Çoğuz Aşılaması

İkinci Dünya Savaşından hemen sonra Soğuk Savaş adlı yeni bir dönemin başlamasıyla askeri teknoloji alanındaki yarış hızlanarak devam etti. Denizaltıların bu yarışta en önemli oyuncular olması da doğal olarak çok büyük arge kaynaklarının bu sahaya aktarılmasını sağladı. Konuyu fazla uzatmadan toparlayama çalışırsak; ABD'de 1950'de tamamlanan ve denizaltı hidrodinamik tasarımını kökünden değiştiren 58 Serisi Havuz Deneyleri [7] en önemli nirengi noktasıdır. Bu çalışmanın, hızla uygulamaya konan ilk ürünü ise 1953'de denize indirilen Albacore adlı özel maksatlı arge denizaltısı [8] olmuştur.

Tabii ki yarış denizaltı teknolojisinin her alanında yaşanmakta ve taraflar karşı tarafa üstünlük sağlayabilmek için son derece sıradışı denebilecek teknolojiler üzerinde de çalışmaktaydı. Ayrıca ülkeler kültürel altyapılarının bir nevî doğal yansıması olan, kendilerine has, özgün tasarım anlayışlarına dayalı farklı çözümler üzerinde yoğunlaşmaktaydı.

Hazır yeri gelmişken tam da bu noktada konunun bize bakan tasarım kültürü tarafı hakkında bir iki cümle söylenebilirdi. Şu anda kağıt üzerinde bir Milli Denizaltı çalışması mevcut fakat asıl temel sorun hiç de dikkât çekiyor ve umursanıyor gibi değil. Doğal olarak bizim kendi kültürümüzü, dünya görüşümüzü ve algımızı, milli hedeflerimizi, gerçek ihtiyaçlarımızı vs. yansıtması gereken; niyet, bilgi, tecrübe, çalışma, irâde ve liyâkate dayalı bir tasarım anlayışımız henüz mevcut değil, hatta esâmesi bile yok! Bunun yerine mâlûm eğitim(!) düzeni üzerinden angıllı ve de saksonlu taifesinin dümensuyuna girip, eteklerine yapışarak ortaya başarılı birşeyler koyabileceğimizi sanıyoruz, muhtemelen de sanmıyoruz gerçi ama şahsi çıkarlarımız gereği sadece buna inanıyormuş gibi yapıyoruz fakat bu gidişat ile başarıya ulaşabilmek de kesinlikle mümkün olmadığı gibi daha da kötüsü MMÜC³ olarak adlandırılabilecek bir yapının mevcut hâkimiyetinin kırılabilmesi için henüz herhangi bir niyet bile ortada yok ve bu yapılamadıkça da olumlu bir gelişme olmasını beklemek ancak hayâl olacaktır.

Resim.5) Deneysel Sovyet denizaltısı Proje 1710 için hazırlanmış 1989 tarihli tanıtım vidyosundan [4] birkaç kare. Çalışmanın tabiatı gereği hareket vektörlerini hassas olarak ölçebilmek ve kaydedebilmek için özel cihazlar (kırmızı ve yeşil) kullanılması gerekliydi.

Tekrar dünya genelindeki denizaltı tasarım anlayışı kavramına dönersek; soğuk savaş boyunca ABD tarafı açısından en büyük öncelik sessizlik iken, Rus tarafında tercih, yüksek sürât ve derin dalış yetenekleri idi. Bu konuyla ilgili birkaç ilâve cümle daha okumak isteyen olursa [10]'a göz atabilir.

Toms ve Mysels'in çalışmalarına ait sonuçlar ilk dönemde akışkan mekaniği camiası tarafından pek de önemsenmemiş gözükse de aslında askerî gemi mühendislerinin durumun öneminin farkında oldukları fakat çalıştıkları konuların gizliliği sebebiyle mevzunun dikkât çekmemiş gibi göründüğü de söylenebilir zîra bu konuda yapılmış pek çok araştırmanın sonucu, aradan geçen yarım asırdan fazla süreye rağmen hâla gizliliğini korumakta ve açıklanmamaktadır.

Ruslar ilk nükleer denizaltılarını geliştirdikten sonra hemen daha yüksek sürat hedefiyle çalışmaya başladı. Bununla birlikte denizaltı etrafında oluşan akış gürültüsünün seyir hızının beşinci kuvvetiyle orantılı olması, öncelikle hidroakustik açıdan çözülmesi çok güç sıkıntınlara sebep oluyordu çünkü bir denizaltının hızının mesela 3 kat artması, diğer gürültü kaynakları bir tarafa, sadece gövde etrafında oluşan akıştan kaynaklanan gürültünün 3⁵ kat artması anlamına gelmekteydi.

Dolayısı ile Ruslar hem sürtünme direncini olabildiği kadar azaltarak daha yüksek sürâtlere ulaşabilmek ve bunu sağlarken aynı zamanda akış gürültüsünü de olabildiği kadar azaltarak hidroakustik açıdan çift yönlü bir kazanç elde edebilmek yönünde yoğun olarak çalışmaya başladılar. Henüz 1960 yılında iki Rus gemi mühendisi tarafından bu alanda hazırlanan arge projesinin 1962'de kabul edilmesiyle denizaltılar üzerinde türbülanslı sınır tabakaya müdahale çalışmaları resmen başladı.

Resim.6) Proje 1710 denizaltı modelinin rüzgâr tünelinde incelenmesi. Mühendislerin burada anlamaya çalıştığı; sınır tabakaya aşılanacak DA malzemesinin hangi noktalardan verilmesinin daha uygun ve verimli olacağı. Sağ alt köşede, havuzdaki denizaltıda buruna yerleşik aşılama çıkışlarının gerçek yerleri de görülebiliyor.[4]

Çok çeşitli tekniklerin değerlendirilmesinden ve deney havuzlarında, su tünellerinde ve denizde gerçekleştirilen kapsamlı tecrübelerden sonra sınır tabakaya çoğuz aşılanması yöntemi diğerlerinden öne çıktı ve bu doğrultuda ilerlemeye karar verildi. Krylov Gemi İnşa Enstitüsü ve SSCB Akustik Enstitüsü tarafından yürütülen söz konusu denel çalışmaların olumlu neticelenmesiyle son safha olarak, ihtiyaç duyulan yüksek hassasiyet seviyesindeki sonuçların elde edilebilmesi için tek geçerli yöntem ve nihai uygulama olarak; gerçek bir denizaltı üzerinde, geliştirilen sistemlerin denemesine sıra geldi.

Bu amaçla hazırlanan Proje 1710 adlı deneysel konvansiyonel denizaltının kavramsal tasarımı 1975 civarında tamamlandı. Sovyetler tarafından Uskumru olarak adlandırılan (Nato tanımlaması Beluga) bu özel maksatlı denizaltıyı tasarlama görevi, daha önce her açıdan müthiş bir denizaltı olan Proje 705 [9] tanımlamalı atom denizaltısını da geliştirmiş olan SKB-143 (Malakhit) Tasarım Bürosuna verildi ki pr.1710, hidrodinamik tasarım açısından pr.705 türevi bir araç olarak ortaya çıktı.

Bunun yanında Uskumru'nun tasarımı, 1969-70 civarında hazırlanan ama inşa edilmeyen pr.696 adlı tasarımdan da bâzı ögeler barındırıyordu ki çoğuz temelli sınır tabaka kontrolüne sahip olan 6.800tonluk bu ilgi çekici ön-tasarım çalışmasında; 100bin Hp güç ile katkısız 45mil ve çoğuz katkısı ile 55mil(!) azami hıza ulaşılabilmesi öngörülüyordu.

Resim.7) Üstte, kullanılan çoğuz katkıların laboratuvar ortamında hazırlanması. Altta, Proje 1710 denizaltısı üzerindeki çoğuz aşılmasının yapısını tanımlayan çizimler. Yeşil çerçeve, katkı malzemelerini (PEO ve PAM türü) gövde üzerindeki muhtelif tahliye noktalarına basan özel tulumba donanımını ve yerleşimini gösteriyor.[4]

Proje 1710'un inşası 1985'de Leningrad'daki (şimdi St.Petersburg) Admiralty Tersanesinde başladı, 1986'da denize indirildi ve 1987'de donanmaya teslim edilerek, deney çalışmaları için üsleneceği Sivastopol'a nakledildi ve SSCB çökene kadar çok değerli verilerin elde edildiği çeşitli hidrodinamik ve hidrodakustik çalışmalarda başarıyla kullanıldı.

Pr.1710 üzerinde, türbülanslı sınır tabakaya müdahale edilmesi amacıyla PEO⁴ ve PAM⁵ türü çoğuz malzemeleri kullanıldı. Ayrıca sonar dizini için çeşitli kubbe malzemeleri, özel gövde kaplamaları, çeşitli pervane tasarımları ile de denemeler gerçekleştirildiği biliniyor. Bu çalışmalarda elde edilen veriler ise doğal olarak hâlen gizliliğini korumaktadır.

Gelecek

Gemi mühendisliği açısından sınır tabaka kontrol tekniklerinin önemi artarak devam edecektir diyebiliriz. Sivil tasarımlar için konu sadece sürtünme direncinin azaltılması açısından önemlidir, askeri tasarımlar için ise ilâve olarak iz azaltma açısından da çok önemlidir. Gürültü izinin azaltılması çift yönlü fayda sağlamaktadır ve bilhassa denizaltı ve torpil tasarım çözümleri için son derece hassas bir konudur. Bunun yanında dümensuyu algılama tekniklerinde yaşanmakta olan gelişmeler sebebiyle burada bahsi geçen çoğuz aşılama gibi yaklaşımların aynı zamanda dümensuyu izlerini bastırmaya yardımcı olması sebebiyle, yakın gelecekte öneminin iyice artacağı da öngörülebilir.

Ülkenin, buradaki örnek üzerinden konuşulursa, gemi tasarım mühendisliği alanından belli bir seviyeye gelebilmesi ancak ve ancak çok çalışmakla mümkün olabilir. Bu işler sihirli bir değnekle veya emir vermekle ya da çuval çuval para harcamakla olmaz. Ve böyle bir çalışma da ancak sağlam temeller üzerine inşa edilirse yükselebilir.

Geçenlerde bahsi geçtiği üzere bu sahada önemli bir açığı kapatması beklenen ve çok acil bir ihtiyaç olan İTÜ'nün yeni büyük kavitasyon tüneli tamamlanmak üzere. Fakat bu tünel hakkıyla kullanılsa bile gerçek ihtiyaçlarımızı karşılamaya yeterli değil, daha fazlasına ihtiyacımız var.

Örneğin sadece bu yazının konusunda hareket edilirse, gelecek nesil denizaltı/torpil tasarım teknolojileri alanında ortaya birşeyler koyabilmek için bu alanda kullanılabilecek deney imkanlarına da sahip olmak zorundayız ve sadece bu konuya özel yeni bir su tüneline daha ihtiyaç olduğu ifâde edilebilir. Akla yatkın en uygun çözüm bu tür teknolojilerin denel olarak incelenmesine yönelik ortamın YTÜ'nün gemi mühendisliği fakültesi bünyesinde kurulması olabilir.

Denilebilir ki yeni İTÜ kavitasyon tüneli zaten böyle çalışmalar için de kullanılabilir. Evet kağıt üzerinde doğru ama gerçekçi olmak gerekirse durum pek o kadar kolay değil. Mesela bir kavitasyon tünelinde çoğuz katkısıyla DA tekniklerine yönelik deneyler yapıldığında tesisi tekrar kavitasyon deneyleri için kullanabilmek ancak çok hassas dolayısı ile pahalı ve zaman alıcı bir temizlik yapılmasıyla (belki) mümkün olabilir çünkü kullanılan çoğuz malzemeleri eser miktardayken bile kavitasyon oluşumu üzerinde büyük değişikliklere ve dolayısıyla ciddi ölçüm hatalarına sebep olabilmektedir. Bu konudaki denel sapmalara bir örnek görmek isteyen [11]'e göz atabilir.