Derin Okuma — Fırlatma Koltuğu

Sıfır irtifada bir saniye

Bir hava üssünün pist başında, kokpitte oturan pilotun arkasında iki adet çelik tüp durur. Tüplerin içinde barut değil, katı yakıtlı bir kartuş vardır ve bu kartuşun tek işi, pilotu uçaktan koparmaktır. Kopma anı, uçağın hızından bağımsız olarak hesaplanır. Sıfır hızda, sıfır irtifada, uçak yerde dururken bile çalışması gerekir. O yüzden fırlatma koltuğu, bir uçak parçası değil, uçaktan bağımsız bir kurtarma sistemidir. Peki bir koltuk, nasıl olur da uçaktan daha karmaşık hale gelir?

Sandalyenin içindeki roket

Fırlatma koltuğunu anlamak için onu bir mobilya gibi düşünmeyi bırakman gerekir. Koltuğun altındaki kartuş, kimyasal bir patlama değil, kontrollü bir itki üretir. 500 Kelvin sıcaklıkta yanar ve 0,2 saniye içinde koltuğu 15-20 metre yukarı taşır. Süre, insanın boyun omurlarının dayanabileceği ivme sınırına göre ayarlanır. İvme 12-16 g bandında tutulur. Daha yüksek ivme boynu kırar, daha düşük ivme pilotu uçağın dikey stabilizatörüne çarptırır. Koltuk, bu iki ölüm arasındaki dar koridorda çalışmak zorundadır.

Kartuşun yanma süresi ve itki profili, pilotun ağırlığına göre değil, ortalama bir insan antropometrisine göre sabitlenir. 60 kilogram ile 95 kilogram arasındaki pilotlar aynı kartuşla fırlatılır. Fark, koltuğun sırtlık açısında ve emniyet kemerinin gerginliğinde telafi edilir. O yüzden her koltuk, fabrikadan çıkmadan önce bir dizi balistik testten geçer. Testlerde kullanılan mankenler, gerçek pilotların omurga eğrilerini taşır.

İtki profilinin şekli, sabit bir tepe değeri değil, bir eğridir. Kartuş ilk 40 milisaniyede tepe itkiye ulaşır, sonra kademeli olarak düşer. Düşüş, pilotun omurgasına binen yükün zaman içinde dağılmasını sağlar. Eğri, koltuğun sırtlık açısıyla birlikte hesaplanır. Sırtlık 15 derece geriye yatıkken, omurga üzerindeki dikey yük yaklaşık yüzde 30 azalır.

O yüzden modern koltukların çoğu, 13 ila 18 derece arasında bir sırtlık açısıyla monte edilir. Daha dik bir açı, pilotu daha hızlı kurtarır ama omurgayı daha çok yorar. Açı, koltuğun montaj flanşına kaynaklıdır ve uçuş sırasında değiştirilemez. Farklı sırtlık açısı isteniyorsa, koltuğun tamamı sökülür ve yeni bir flanş takılır. Bir derecelik açı değişimi, kokpitin arka duvarındaki kablo demetlerinin yeniden döşenmesini gerektirir.

Kartuşun kimyası da sabit değildir. Eski nesil koltuklar, tek bir katı yakıt bileşiği kullanırdı. Yeni nesil koltuklar, iki aşamalı bir yakıt sırası taşır. İlk aşama, koltuğu raydan koparmak için kısa ve sert bir itki üretir.

İkinci aşama, pilotu stabilizatörün üzerine taşımak için daha uzun ve yumuşak bir itki sağlar. İki aşama arasındaki geçiş, yaklaşık 80 milisaniyede tamamlanır. Geçiş, pilotun omurgasına binen tepe yükü yaklaşık yüzde 20 azaltır. Geçişin zamanlaması, kartuş içindeki iki yakıt tanesi arasındaki bir ayırıcı zarın kalınlığıyla ayarlanır. Zar kalınlığı 0,3 milimetre ile 0,8 milimetre arasında değişir ve her parti üretimde ölçülür.

Kızak, ray ve roketin dansı

Fırlatma koltuğunun mekaniği üç aşamada çalışır. İlk aşamada kartuş ateşlenir ve koltuk, uçağın rayı boyunca yukarı doğru iter. Ray, koltuğun yönünü belirler. İkinci aşamada koltuk raydan ayrılır ve serbest uçuşa geçer. Üçüncü aşamada ise koltuğun altındaki roket motoru devreye girer ve pilotu uçağın dikey stabilizatörünün üzerine taşır. Üç aşamanın toplam süresi, genellikle 1,5 saniyeyi geçmez.

Rayın uzunluğu, uçağın tipine göre değişir. Hafif bir eğitim uçağında ray 1,2 metre olabilirken, bir avcı uçağında bu mesafe 2,5 metreye çıkar. Ray ne kadar uzunsa, koltuk o kadar yüksek hızla ayrılır ve pilot o kadar güvenli bir yörüngeye oturur. Ancak uzun ray, kokpitin arka duvarını kalınlaştırır ve uçağın ağırlık merkezini kaydırır. O yüzden her uçak için ayrı bir ray geometrisi hesaplanır. Rayın kendisi, koltuğun makaralarının üzerinde yuvarlandığı bir çelik profildir ve toleransı 0,05 milimetrenin altındadır.

Rayın eğimi, çoğu zaman dikey değildir. Koltuk, uçağın burnuna doğru 5 ila 10 derece yatık bir açıyla fırlatılır. Yatıklık, pilotun uçağın dikey stabilizatörüne çarpma riskini azaltır. Aynı zamanda pilotu, uçağın yörüngesinden hafifçe yana doğru iter. Yatıklık açısı, uçağın hızına ve irtifasına göre değişir. Yüksek hızda fırlatmada açı daha büyük, düşük hızda daha küçüktür.

Raydan ayrılma hızı, koltuğun kütlesine ve kartuşun itkisine bağlıdır. Tipik bir avcı uçağı koltuğunda ayrılma hızı 20 ila 25 metre arasındadır. Hız, pilotun omurgasına binen yükü belirler. Ayrılma hızı arttıkça, koltuğun serbest uçuş yörüngesi daha yüksek ve daha uzun olur. Ancak yüksek hız, pilotun boynuna binen ani yükü de artırır. O yüzden ayrılma hızı, kartuş itkisiyle birlikte optimize edilir.

Üçüncü aşamadaki roket motoru, koltuğun altındaki ayrı bir tüpte bulunur. Motor, kartuştan bağımsız olarak ateşlenir ve yaklaşık 0,4 saniye yanar. Yanma süresi boyunca yaklaşık 4 kN itki üretir. İtki, pilotu uçağın dikey stabilizatörünün üzerine taşır. Stabilizatörün yüksekliği, uçağın tipine göre 2 ila 4 metre arasında değişir. Roket motoru, bu yüksekliği aşacak kadar itki üretmek zorundadır.

Motorun ateşleme sinyali, kartuşun yanma basıncıyla tetiklenen bir basınç anahtarından gelir. Anahtar, kartuş basıncı 20 bar eşiğini geçtiği anda devreye girer.

Uçuş sırasında pilotun ağırlığı, koltuğun sırtlık açısına göre iki farklı yönde dağılır. Dikey bileşen, omurgaya biner. Yatay bileşen, emniyet kemerinin göğüs bandına biner. Göğüs bandı, yatay yükü 2 kN'un altında tutacak şekilde ayarlanır. Daha yüksek yatay yük, kaburgalarda çatlak yapar. O yüzden kemerin gerginliği, pilotun göğüs çevresine göre ayrıca ayarlanır ve bu ayar, koltuk bakımında bir kontrol maddesidir.

Paraşütün açılma matematiği

Koltuk, pilotu uçaktan kopardıktan sonra işi bitmez. Sırtlığın arkasındaki paraşüt, belirli bir irtifada açılmak zorundadır. Çok erken açılırsa pilot, hala yükselen koltuğun itkisiyle paraşütün iplerine dolanır. Çok geç açılırsa pilot, yere çarpar. O yüzden koltuğun içinde bir barometrik zamanlayıcı bulunur. Zamanlayıcı, yaklaşık 3.000 metre irtifada paraşütü serbest bırakır.

Barometrik zamanlayıcı, sıfır irtifada çalışmaz. O yüzden sıfır-sıfır koltuğu denen bir sınıf vardır. Koltuklar, uçak yerde dururken bile pilotu güvenle kurtarır. Sıfır-sıfır kabiliyeti, koltuğun kartuşuna ek bir itki kademesi eklenerek sağlanır. Ek kademe, koltuğu yaklaşık 30 metre yukarı taşır ve paraşütün açılması için yeterli zamanı yaratır. Sıfır-sıfır koltuğu, bu yüzden normal bir koltuğun neredeyse iki katı maliyete sahiptir. Sıfır-sıfır sertifikasyonu, koltuğun bir test kulesinden değil, gerçek bir uçaktan yapılan atışlarla doğrulanır ve her test, koltuğun tamamen yeniden kurulmasını gerektirir.

Zamanlayıcı, tek bir sensöre bağlı değildir. Modern koltuklarda üç ayrı tetikleyici bulunur. Birincisi barometrik basınç sensörüdür ve irtifayı ölçer.

İkincisi ivmeölçerdir ve koltuğun yavaşlamaya başladığı anı tespit eder. Üçüncüsü ise zaman geciktiricisidir ve fırlatmadan itibaren sabit bir süre sayar. Üç tetikleyiciden hangisi önce eşiği geçerse, paraşütü o açar. Yedeklilik, tek bir sensörün arızalanması durumunda bile sistemin çalışmasını sağlar. Üç tetikleyicinin ortak çıkışı, mekanik bir kilit pimiyle paraşüt torbasını serbest bırakır. Pim, yayla değil, bir kilit diliyle tutulur ve dil 40 newtonluk bir kuvvetle açılır.

Paraşütün açılma irtifası, pilotun ağırlığına ve koltuğun hızına göre ayarlanır. Hafif bir pilot, daha düşük irtifada güvenle inebilir. Ağır bir pilot, daha yüksek irtifada paraşütün açılmasını gerektirir.

O yüzden bazı koltuklarda pilot, fırlatmadan önce kendi ağırlığına göre bir ayar yapar. Ayar, zamanlayıcının eşik irtifasını birkaç yüz metre kaydırır. Ayar yanlış yapılırsa, paraşüt ya çok erken ya çok geç açılır. Ayar kadranı, koltuğun yan panelinde ve pilotun sol eliyle erişebileceği mesafededir.

Paraşütün kendisi de tek kademeli değildir. Önce küçük bir pilot paraşüt açılır ve ana paraşütü çeker. Pilot paraşüt, yaklaşık 1,5 metre çapındadır ve ana paraşütü açmak için yeterli direnci üretir. Ana paraşüt ise yaklaşık 7 metre çapındadır ve pilotu saniyede 6 metre hızla indirir. İniş hızı, bir insanın bacaklarına binen yükü taşınabilir sınırda tutar. Daha yüksek iniş hızı, iniş anında bacak kırılmasına yol açar. Ana paraşütün açılma şoku, pilotun omurgasına 8 g'ye kadar kısa süreli bir yük bindirir ve bu yük, koltuk sırtlığının arkasındaki bir sünger katmanıyla sönümlenir.

Piyasa Hafızası

1944 yılında, Heinkel He 162 jet avcı uçağının prototipinde bir Alman mühendisi, ilk kez barutla çalışan bir fırlatma koltuğunu test etti. Koltuk, uçağın kokpitinden yukarı doğru fırlatıldı ve pilotu güvenle uçaktan ayırdı. O gün kullanılan mekanizma, bugünkü kartuşlu sistemlerin atasıydı.

Ancak test, bir sorunu da ortaya çıkardı. Koltuk, pilotu uçaktan ayırıyordu ama paraşütün ne zaman açılacağını kontrol eden bir sistem yoktu. Pilot, koltuğun itkisi bittikten sonra kendi eliyle paraşüt ipini çekmek zorundaydı. Eksiklik, savaşın sonuna kadar giderilemedi. Ders basitti. Kurtarma sisteminin ilk yarısı, ikinci yarısı olmadan işe yaramaz.

Küçük Bir Hesap

Sayılar temsili, mantık gerçek. Tablodaki değerler, tipik bir avcı uçağı fırlatma koltuğunun büyüklük mertebesini gösterir. Duyarlılık twistine gelince. Kartuş yakıt kütlesini yüzde 10 artırırsan, itki de yaklaşık yüzde 10 artar. Ancak ivme, pilotun boynuna binen yükü doğrusal olmayan bir şekilde büyütür. 14 g'den 15,4 g'ye çıkan ivme, boyun omurlarındaki basıncı yüzde 10 değil, yüzde 25 artırır. O yüzden kartuş yakıtı, asla tek başına artırılmaz. Koltuğun sırtlık açısı, kemer geometrisi ve ray uzunluğu da birlikte yeniden hesaplanır. Bir gram yakıt, onlarca mühendislik saatini peşinden sürükler.

Okuma çerçevesi

Fırlatma koltuğu, bir uçağın en pahalı ve en az kullanılan parçasıdır. Pilot, kariyeri boyunca belki bir kez, belki hiç kullanmaz. Ancak o koltuk, her uçuşta hazır bekler ve her uçuşta bakım ister. Üç ders çıkar. Birincisi, kurtarma sistemleri, kullanılmadıkları sürece maliyet üretir ve bu maliyet, uçuş saati başına sabittir.

İkincisi, bir kurtarma sisteminin güvenilirliği, en zayıf halkası kadar güçlüdür. 1944'teki Heinkel koltuğu, pilotu uçaktan ayırıyordu ama paraşütü açamıyordu. Üçüncüsü, ivme gibi fiziksel büyüklükler, doğrusal değil, eşikli davranır. Küçük bir artış, büyük bir hasara dönüşebilir. Fırlatma koltuğu, pilotun sırtında taşıdığı bir sigorta poliçesidir ve o poliçenin primi, her uçuşta ödenir.