Biyomimetik ve Havacılığa Katkıları

Doğadaki modelleri inceleyip bunları çeşitli tasarım problemlerinde kullanma işlevi gören biyomimetik bir bilim dalı olarak doğmuş ve mühendisliğin birçok alanında asırlardır kullanılagelmiştir. Havacılık alanında Leonardo da Vinci’den beri yapılan çizimlerin ve ortaya konulan çalışmaların temelleri doğadaki modellere dayandırılmış, özellikle kuşların sahip olduğu aerodinamik ve yapısal özellikler tasarımcılar tarafından modellenerek farklı özelliklerde birçok proje ortaya konmuştur. Bu yazımızda biyomimetikten alınan ilhamla gelişen havacılık sektörünün Japonya’yı tek bir projeyle nasıl değiştirdiğini, kısaca Shinkansen hızlı tren projesini inceleyeceğiz.

Shinkansen Açılış Töreni (1964)
Shinkansen Açılış Töreni (1964)

1957’de yapımına karar verilen bu hızlı tren projesi ilk başta tüm Japon halkının tepkisini çekmişti. O dönem Japonya daha 2. Dünya Savaşı’nın etkilerinden bile kurtulamamışken bu kadar maliyetli bir işe girmek ve hala tren gibi eski bir taşıma aracına yatırım yapmak Japon halkına göre kabul edilemezdi. Özellikle havayolu ulaşımının da yaygınlaşması bu projenin üzerindeki baskıyı oldukça artırıyordu. Fakat bu karar bir kere alınmıştı ve geri dönüş olmayacaktı. Japonya’nın Shinkansen serüveni başlıyordu.

Geçmişten günümüze bazı Shinkansen modelleri

Shinkansen projesi tek aşamalık bir proje değildi. Başlandığı günden beri belli aralıklarla yeni tasarımlar yapılıp daha hızlı ve verimli trenler üretiliyordu. Biz bu projenin adeta kırılma noktası olan 1990’lı yıllara gidelim ve oldukça eskiye dayanan demiryolu taşımacılığının biyomimetik yardımıyla nasıl Japonya’nın bir numaralı ulaşım yolu haline geldiğini keşfedelim.

Fuji Dağı ve Shinkansen
Fuji Dağı ve Shinkansen

Çözülmesi Gereken Problemler

Öncelikle, Japonya oldukça dağlık bir araziye sahip olduğundan Shinkansen trenleri birçok tünelden geçmek zorundaydı. Zaten bu proje için 3000 adet köprü ve 67 tünel inşa edilmiş olması bunu açıkça gösteriyor. 1990’ların başında Shinkansen trenleri, 300 km/h hızla gidebilecek olmalarına rağmen özellikle tünellerde çok gürültülüydü ve tünel yakınındaki yerleşim yerlerini rahatsız ediyordu. Japonya’nın doğal yaşama ne kadar önem verdiğini düşünürsek, bu gürültü kirliliği karşısında halk tepki gösterdi. Uzun süren şikayetler sonucu, Japonya Çevre Ajansı maksimum gürültü seviyesini 75 dB ile sınırlandırdı. Shinkansen mühendisleri o dönem saatte 350 km/h hızı hedeflerken bu karar onları çözülmesi yaklaşık 4 yıl sürecek maliyetli bir projeye itiyordu. Peki neydi bu gürültünün sebebi, nasıl çözülebilirdi?

Gürültü sınırını aşan Shinkansen 300 serisi
Gürültü sınırını aşan Shinkansen 300 serisi

3 Farklı Tasarım Problemi için 3 Canlıdan Alınan İlham

1. Yalıçapkını Kuşunun Gagası

Yalıçapkını
Yalıçapkını

İlk problem kuşkusuz “Tunnel Boom” denilen fenomendi. Kısaca açıklamak gerekirse, yüksek hızlı trenler bir tünele girdiğinde önlerinde sıkışan hava dalgaları tüm tünel boyunca ses hızında taşınır. Bazen dalgaların keskin formu nedeniyle basınç dalgalanmaları oluşur. Bu dalgaların bir kısmı tünelin içinde kalırken, bazıları ise güçlü bir ses dalgası olarak kilometrelerce uzaktan bile duyulabilir. “Sonic Boom” olarak da bilinen ve havacılıkta sıkça rastlanan bu fenomenin çözümü için Shinkansen mühendislerinin öncelikle tünellerdeki basınç farklılıklarını indirgeyebilecek bir burun tasarımına ihtiyacı vardı.

“Tunnel Boom” modellemesi

Eiji Nakatsu, projenin baş mühendisi olarak bir kuş izleme tutkunuydu. Nakatsu, havadan 800 kat daha yoğun olan suya dalarken izlediği yalıçapkının suda neredeyse fark edilmeyen küçük bir sıçrama oluşturduğunu hatırladı. Bu kadar fazla basınç farkına son sürat dalış yaparken maruz kalıp bunu minimal seviyede atlatabilecek sadece kuşlar olmasa gerek diye düşünmüş olmalı ki; yıllar boyunca biriktirdiği tecrübeyi de yanına alarak Shinkansen’in burun kısmı için prototip üretmeye koyuldu.

Yalıçapkını - İskelet halindeki gaga
Yalıçapkını – İskelet halindeki gaga

Önce yalıçapkının gaga şekli incelendi. Kısaca rotasyonel paraboloit şeklinde olduğu söylenebilen, adeta ezilmiş bir baklava desenine benzeyen modelin masaya birkaç ölçekli numunesi yerleştirildi ve her numune için oluşan hava sıkışma dalgaları rüzgar tünellerinde ölçüldü.

Yalıçapkını detaylı gaga tasviri
Yalıçapkını detaylı gaga tasviri

Analiz edilen model daha sonra farklı varyasyonlarıyla prototip haline getirilip Shinkansen’e adapte edildi.

Shinkansen 500 için uyarlanan bazı prototipler
Shinkansen 500 için uyarlanan bazı prototipler

Sonunda, yalıçapkını gagasının biraz değiştirilmiş bir versiyonu üretime hazır hale geldi. Böylece Shinkansen’in burun tasarımı başarıyla tamamlanmıştı. Fakat Shinkansen’in yavaşlamasına ve beklenenden çok daha fazla gürültü çıkarmasına neden olan başka sorunlar da vardı.

2. Baykuş Kanatlarındaki Tüyler

Baykuş ve sessizlik
Baykuş ve sessizlik

Genel itibariyle sorun, pantograf denilen ve özellikle demiryolu taşıtlarına gereken elektrik gücünü toplamak üzere trenin üzerindeki kabloya temas eden parçanın yeterince aerodinamik olmamasıydı.

Shinkansen E5 - Pantograf örneği
Shinkansen E5 – Pantograf örneği

Aerodinamik sorunlardan biri, serbest havanın akış halinde uçlarda oluşturduğu büyük girdaplardı. Bunlar, pantografın gövdesi kaynaklı oluşan sürüklemeye ek olarak hem performansı düşürüyor, hem gürültü oluşturuyordu. Baş mühendis Eiji Nakatsu, baykuş ailesinin en sessiz uçan kuş türü olduğunu ve bunun sebebinin de baykuşların tüylerindeki testere dişi benzeri küçük çıkıntılar olduğunu yaptığı gözlemler ve özellikle havacılık alanındaki uzmanlardan aldığı bilgilerle öğrendi.

Baykuş kanadındaki çentiklerin modellemesi
Baykuş kanadındaki çentiklerin modellemesi

“Çentikli tüyler” denilebilecek bu tüyler serbest akışlı havada küçük girdaplar üretmeye yarıyordu. Bu özellik sayesinde baykuşlar daha büyük girdapları yok edebiliyor, dolayısıyla hem gürültüyü azaltıp hem sürükleme kuvvetini düşürüyorlardı. “Girdap oluşturucu” olarak adlandırılan bu teknik, uzunca bir süre pantograflara uygulanmak üzere geliştirildi.

Üstte normal yüzey, altta çentikli yüzey - Airfoil üzerinde hava akışı
Üstte normal yüzey, altta çentikli yüzey – Airfoil üzerinde hava akışı

Yapılan bu geliştirme gürültü azaltma konusunda aerodinamik açıdan büyük avantaj sağladı. Son olarak atılacak bir adım daha vardı.

3. Adelie Pengueninin Karnı

Adelie pengueni ve pantograf şaftı uyarlaması
Adelie pengueni ve pantograf şaftı uyarlaması

Pantografa çentikler eklemek, genel girdap oluşumunu azaltarak Shinkansen’in performansını artırmıştı; fakat pantografın ön profil aerodinamik şeklini değiştirmemişti. Yani pantografın ana gövdesinin daha verimli bir şekilde dizaynına ihtiyaç vardı. Bu noktada Adelie penguenleri ilginç bir özellikle tasarımdaki yerini alacaktı.

Solda eski model pantograf, sağda yeni model pantograf
Solda eski, sağda yeni pantograf

Bu penguenlerin sudan farklı bir yerde olsalar bile karınları üzerinde kayma yetenekleri, onlara yaşadıkları kara ve sularda fazla sürtünme olmadan seyahat etme konusunda eşsiz bir avantaj sağlıyordu. Daha az sürtünme, daha az gürültü ve daha verimli bir yapı…

Yeni modelin performans değerleri

Yalıçapkınından, baykuştan ve Adelie pengueninden alınan ilham ve yapılan biyomimetik adaptasyonlar neticesinde proje büyük bir başarıya ulaştı. Yepyeni bir tasarıma sahip Shinkansen 500 serisi trenler, burunda 15 metre daha uzundu ve 11.4 m2’den 10.2 m2’ye azaltılmış bir kesit alanına sahipti. Pantograf yüzeyine eklenen çentikler ve değiştirilen gövde şekli de eklenince, 75 dB gürültü sınırını aşmadan 300 km/h hızla hareket eden, %30 azaltılmış hava direnci sayesinde de %13 daha az enerji gereksinimi duyan Shinkansen 500 serisi ortaya çıkmıştı.

Scary' safety drill by Japanese train company involving bullet trains  stopped, East Asia News & Top Stories - The Straits Times
Shinkansen JR500

Biyomimetik ve Mühendislik Üzerine

Burada şu kısım vurgulanmalıdır ki; iki farklı sistemin uyumluluğunu düşünmeden biyomimetik uyarlamaları kopyalamak her zaman için doğru sonuçları vermez; bu nedenle çözüm odaklı ve efektif bir tasarım çok önemlidir. Örnek vermek gerekirse, pantografların tasarımında çentiklerin sadece iki boyutlu versiyonları kullanılmıştır. Normalde ise üç boyutlu çentikler çok daha aerodinamiktir ve daha az gürültü oluşturur. Bu noktada maliyet ve üretim kolaylığı da göz önüne alınmalıdır. 3D çentikler hakkında detaylı bilgi için buraya tıklayabilirsiniz.

Soldan itibaren: 700/500/300/100 serisi
Soldan itibaren: 700/500/300/100 serisi

Sonuç

Biyomimetiğin mühendislikle ayrılmaz bir ikili olduğu ve havacılıktaki gelişmelerin sadece kendi içinde kalmayıp başta otomotiv ve demiryolu endüstrisi olmak üzere birçok sektörü geliştirdiği görülmüştür. Shinkansen ise hala geliştirilmeye devam edilen Japonya’nın en yoğun ve dakik ulaşım aracı olarak kendisine yapılan yatırımın karşılığını fazlasıyla vermektedir.

Buradan çıkarılacak ders: Eski gibi görünen ve bir kenara atılmış teknolojiler doğru metodoloji ve görev seçimi yapıldığında en iyi olma potansiyelini taşır.