dış balistik nedir?

4. DIŞ BALİSTİK
Mermi ve yanan barut gazları namluyu terk ettikten sonra, hedefe ulaşılıncaya kadar geçen sürede merminin uçuş hareketini ve bu harekete etki eden faktörleri inceleyen bölüme dış balistik denilmektedir. Yerçekimi dışında merminin havadaki hareketini etkileyen faktörler, mermiyle ilgili olanlar ve merminin içinde hareket ettiği atmosfer ile ilgili olanlar olarak iki kısımda incelenebilmektedir:
a. Mermi ile ilgili olan faktörler
• Kütle
• Kalibre
• Burun şekli
• Dönme hızı
b. Atmosferle ilgili olan faktörler
• Yoğunluk
• Sıcaklık
• Basınç
• Viskozite
• Rüzgar
Mermi tasarımında göz önüne alınan faktörlerden birisi de uçuş yörüngesi boyunca merminin etkin bir şekilde dengelenebilmesidir. Hedefe kadar istikrarlı bir uçuş için merminin dengelenmesi, dönü kazandırılarak veya kuyruk takılarak gerçekleştirilmektedir. Hava direncinin mevcut olmadığı sadece yerçekiminin mermi üzerinde etkin olduğu uçuş yörüngesinin özelliklerini tanımlamak, gerçek uçuş koşullarını anlamak açısından faydalıdır.
4.1. Yerçekimli Ancak Havasız Ortamda (Boşlukta) Merminin Hareketi
İlk hızı V olan ve  açısı ile fırlatılan bir mermi Newton’un birinci kanununa göre dışarıdan bir kuvvet etki etmezse ilk hızını ve doğrultusunu koruyarak hareketine devam edecektir (Şekil 4.1). Fakat yerçekimi kuvvetinden dolayı mermiyi dünyanın merkezine doğru çeken bir kuvvet vardır (Şekil 4.2). Yerçekimi ivmesinin değeri yükseklikle değişmektedir. Fakat yüksek irtifa kazanmayan piyade silahları, kısa menzilli topçu silahları ve tank topu mühimmatları için yerçekimi ivmesinin sabit kaldığı (g=9,81m/s2) kabul edilebilmektedir.

Şekil 4.1: Newton’un Birinci Kanununa Göre Hareket

Şekil 4.2: Boşlukta, Fakat Yerçekimi Kuvveti Altındaki Mermi Yolu

Boşlukta, fakat yerçekimi kuvveti altındaki mermi yolunun özellikleri aşağıda sıralanmıştır:
• Mermi yörüngesi, yörüngenin tepe noktasından geçen dikey hatta göre simetriktir. Mermi parabol adı verilen eğri boyunca hareket etmektedir.
• Bütün yörünge dikey bir düzlem içinde uzanmaktadır.
• Menzil ilk hıza bağlıdır ve yükseliş açısı  45°’ye yaklaştıkça artmaktadır.
• Sabit hızda yapılan atışlar sonucunda en uzun menzile 45°lik yükseliş açısıyla yapılan atışta ulaşılmaktadır.
• Yükseliş açısı 45°nin üzerinde arttırılırsa menzil azalmaya başlamakta ve 90° için menzil sıfır olmaktadır. Bu açıyla maksimum yüksekliğe ulaşılmakta ve en uzun uçuş süresi sağlanmaktadır.
• Vuruş açısı yükseliş açısına, vuruş hızı ilk hıza eşittir. Tepe noktasında hız, dikey bileşeni sıfır olduğu için asgari değerindedir.
• Yörünge merminin yapısından ve şeklinden tamamen bağımsızdır, çünkü uçuş esnasında hava direnci sıfırdır.
Bu uçuş modeli, çok yüksek irtifayı kullanan mermiler için olduğu gibi düşük hızlı ve yüksek kütleli mermiler için de doğruya yakın sonuçlar verebilmektedir. Boşlukta fakat yerçekimi kuvveti altındaki merminin hareketi oldukça basit olmasına karşın, gerçekte uçuş yörüngesine bir çok etken etki etmektedir.
4.2. Havada Gerçek (Yerçekimi ve Hava Direnci Etki Ederken) Mermi Yolu Yörüngesi
Hava direnci, yörüngenin yükselen ve alçalan kısımlarında merminin ilerlemesini zorlaştırarak yukarıda açıklanmış olan boşluktaki mermi uçuş yörüngesini bozmaktadır (Şekil 4.3). Hava direnci, daima mermi hareketini geciktirici olarak ters yönde iş yapan bir kuvvet olarak ortaya çıkmaktadır. Boşluktaki mermi yörüngesinde, hızın dik bileşeni sadece yerçekimi tarafından engellenmekte fakat yatay bileşen sabit kalmaktaydı.
Gerçekte ise merminin yükseliş aşamasında hava direnci yerçekimi ile birlikte hareket ederek daha düşük bir irtifada hızın düşey bileşenin sıfırlanmasına neden olmaktadır. Hızın yatay bileşeni ise hava direnci sebebi ile devamlı olarak uçuş boyunca azalmaktadır. Mermi düşmeye başlayınca hava direnci yerçekimine göre tersi yönde iş yapmaktadır. Bu sebeple merminin düşüş süresi yükselme süresinden daha uzun olmaktadır. Diğer taraftan hava direncinin yerçekimi ile birlikte etkin olduğu durumda belli bir namlu ağız hızı için azami menzile ulaşabilmesi maksadıyla, 450 yükseliş açısı değeri yerine mevcut hava direnci parametrelerine bağlı olarak örneğin 530 gibi daha üst bir yükseliş açısı değeri silah platformuna bağlanmalıdır. Bütün bu etkiler özetlenecek olursa;
• Uçuş yörüngesi simetrik değildir. Tepe noktası vuruş noktasına daha yakındır.
• Tepe noktasının yüksekliği boşluktakine göre daha düşüktür.
• Vuruş açısı başlangıçtaki yükseliş açısından daha büyüktür.
• Vuruş hızı, namlu ağzı hızından daha düşüktür.
• Hava direnç katsayısı düştükçe, mermi boşluktaki azami menziline daha yakın bir noktaya düşecektir (A noktasından B noktasına yaklaşacaktır).
• Merminin tepe noktasından aşağıya olan düşüş süresi, buraya kadar geçen yükseliş süresinden daha uzundur.

Şekil 4.3: Yerçekimi ve Hava Direnci Etki Ederken Gerçek Mermi Yolu Yörüngesi

4.3. Hava Direnci
Hava direncinin mermi menzilini kısıtladığı Şekil 4.3’te görülmektedir. Bir merminin balistik performansını ifade etmenin en uygun yolu o mermiye ait bir hava direnç katsayısı tanımlamaktır. Hava direnci bir çok değişik bileşene ayrılabilmektedir. Ancak toplam hava direnç kuvveti aşağıdaki şekilde ifade edilmektedir.

Hava Direnç Kuvveti: V2ACd/2
 : Hava yoğunluğu
V : Mermi hızı
A : Mermi kesit alanı
Cd : Direnç katsayısı

Şekil 4.4: Hıza Göre Cd Katsayısı Değerinin Değişimi

Cd katsayısı 0 ile 2 arasında değerler almaktadır. Klasik mermi şekli için genellikle 0.3’lük bir Cd katsayısı değeri kabul edilmesine rağmen, eğitim topu gibi küt burunlu gövdesi olan mermiler için Cd değeri 0.8 olarak alınmaktadır. Cd katsayısı değeri düştükçe ilk hızdaki ve menzildeki azalma miktarı da orantılı olarak düşecektir. 300 m/s altında ve 1500 m/s üstündeki hızlarda Cd sabittir (Şekil 4.4) ve hava direnç kuvveti mermi hızının karesi ile orantılıdır.

Merminin havada ilerlemesi, havanın yer değiştirmesine neden olmaktadır. Havanın yer değiştirmesi için gerekli olan enerji, sürekli olarak merminin kinetik enerjisinin azalmasına neden olmaktadır. Hava direnci adı verilen bu sürekli enerji kaybı, merminin de hızının sürekli azalmasına sebep olmaktadır. Mermide hava direncini oluşturan dört etken aşağıda açıklanmaktadır:

4.3.1. Mermi Burun Direnci
İlerleme esnasında merminin hemen önünde bir hava sıkışması meydana gelmekte ve bu sıkışma çevreye bir basınç dalgası olarak iletilmektedir. Bu dalga ses hızında ilerleyen karışıklıklara neden olmaktadır. Merminin önünde oluşan bu karışıklıklar burun direncini meydana getirmektedir. Eğer mermi havada ses hızının (normal koşullarda 340 m/s) altında ilerliyorsa, bu karışıklık mermiden daha hızlı hareket edecek ve mermiden ayrılacaktır. Sesten hızlı hareket eden mermilerde ise ses hızında hareket eden bu karışıklıkların hiçbirisi mermiden kaçamamaktadır. Bu karışıklıklar birleşmekte ve merminin önünde bir şok dalgası oluşturmaktadır (Şekil 4.5). Bu sıkıştırılmış dalgaların şok cephesi şeklinde oluşması, merminin daha yoğun bir burun direncine maruz kalmasına sebep olmaktadır. Ses hızı üstü bölgede burun direnci oldukça büyük bir öneme sahiptir.

Şekil 4.5: Ses Hızı Altı (Solda) ve Ses Hızı Üstü Bölgede (Sağda) Hava Sıkışması
Sonucu Oluşan Basınç Dalgalarının Hareket Tarzları

Genel olarak ses üstü hızlarda konik şok dalgası  açısı ile oluşmaktadır. Buradaki açı değerini hesaplamak için Sin =1/M formülü kullanılmaktadır. M Mach sayısıdır ve mermi hızının (V) ses hızına (a) bölünmesi ile elde edilmektedir (M=V/a). Hızın artması ile birlikte Mach sayısı da artmakta ve koniklik açısı hızlı bir şekilde düşmektedir (Tablo 4.1). Hipersonik hızlarda Mach sayısı beşten fazladır ve şok dalgası hemen hemen merminin gövde şeklini izlemektedir.

M 1 1.5 2 3 10
 900 420 300 190 <60

Tablo 4.1: Mermi Hızındaki Değişimin Konik Şok Dalgası Açısına Etkisi

Keskin uçlu mermilerde şok dalgası merminin ucunda oluşmakta ve bu şok dalgası mermiye bağlanmaktadır. Küt burunlu mermilerde ise şok dalgası mermi burnunun bir miktar önünde ayrı olarak oluşmaktadır (Şekil 4.6). Merminin burnunun kütlüğü arttıkça hava direnci artmakta ve menzil kısalmaktadır. Süpersonik hızda ilerleyen mermilerde oluşan şok dalgaları, süpersonik uçaklarda da duyulduğu gibi ses patlamasına neden olmaktadır.

Şekil 4.6: Sivri ve Küt Burunlu Mermilerde Şok Dalgası

4.3.2. Mermi Taban Direnci
Uçuş esnasında merminin taban kısımlarında önemli büyüklükte türbülans meydana gelmektedir. Merminin hızlı hareketi sebebiyle hava, merminin tabanını hemen dolduramamaktadır. Bu sebeple mermi tabanında harekete direnç olarak yansıyan bir vakum etkisi (alçak basınç bölgesi) oluşmaktadır. Bu emme etkisi mermiyi geriye doğru çekmeye çalışmakta, sonuçta yavaşlatmaktadır. Bu olay mermi taban direnci olarak adlandırılmaktadır (Şekil 4.7).

Şekil 4.7: Mermi Taban Direnci

4.3.3. Gövde (Yüzey) Sürtünmesi
Merminin hareketine ek bir direnç de mermi yüzeyini saran havanın sebep olduğu yüzey sürtünmesidir. Mermi yüzeyine yapışık olan hava, mermi ile aynı hızda ilerlemeye çalışmaktadır. Ona komşu olan dış tabaka daha az hızda, onun da dışındaki hava tabakası ise biraz daha az bir hızda ilerlemektedir. Bu şekilde ortaya çıkan sürtünme direnci genellikle bir çok mermi için oldukça küçüktür fakat büyük çaplı uzun roketler ve mermiler için mutlaka hesaba katılmalıdır. Düzgün ve parlak bir dış yüzey, bu tür hava direncini önemli ölçüde azaltacaktır.
4.3.4. Fazlalık Direnci
Fazlalık direnci mermi çıkıntılarından ortaya çıkan ve bu çıkıntıların kaldırılması ile asgari düzeye indirilebilen bir hava direnci türüdür. Örneğin namlu içinde yiv-set sistemine oturarak mermiye dönü kazandıran ve sevk barut gazlarının kaçışını büyük oranda engelleyen bakır sevk çemberleri fazlalık direncine sebep olmaktadır. Çünkü işlevleri sadece namlu içi ile sınırlı olup, uçuş esnasında hava direncini artıracaklarından oldukça dikkatli tasarlanmalıdırlar.

Merminin sahip olduğu uçuş hızı düzeyine göre bu hava direnci çeşitleri bütün olarak Şekil 4.8’de incelemeye tabi tutulmuştur. Hız arttıkça burun direnci orantılı bir şekilde artmaktadır. Ses üstü bölgeye geçilirken hızlı bir yükseliş meydana gelmektedir. Bu yüksek orandaki artış bir süre devam etmekte ve daha sonra hız daha da artıkça burun direncindeki artış azalma eğilimine girmektedir. Taban direnci ses üstü bölgesine kadar hızla birlikte artmakta ve bu seviyeden itibaren sabit kalmaktadır. Bunun nedeni mermi ses hızına yaklaştıkça mermi tabanındaki basınç neredeyse sıfıra yaklaşmakta ve bu düşük seviyeyi idame ettirmektedir. Gövde sürtünmesinin toplam direnç üzerindeki etkisi azdır. Gövde sürtünmesi kaynaklı hava direnci ses hızına kadar artış gösterip daha sonra belli bir değerde sabitlenmektedir.

Şekil 4.8: Mermi Hız Düzeyine Göre Hava Direnç Çeşitlerinin Değerlendirilmesi

Transonik bölge ses altı hız bölgesinden ses üstü hız bölgesine geçiş aşamasıdır ve hava direnci açısından önem arz etmektedir. Ses hızı civarında hava direnci çok hızlı değiştiğinden dolayı mermi davranışı sağlıklı olarak tahmin edilememektedir. Özellikle burun direnci açısından transonik bölgede mermi hızındaki küçük değişiklikler, dirençte büyük değişimlere sebep olmaktadır. Bu nedenden ötürü transonik alana girerken merminin dengede olması çok önemlidir. Silah tasarımcıları tarafından namlu ağzında mermi ilk hızının ses hızına yakın bir hızda olmamasına dikkat edilmektedir. Genelde ses hızını mermiler namlu içinde ilerlerken aşmakta ve namlu ağız hızları ses hızının oldukça üzerinde olmaktadır.
4.4. Direnç Azaltma Yöntemleri
Hareketli hedeflere karşı vuruş ihtimalinin artırılması ve hedef tarafından atıcıya karşı reaksiyon gösterilememesi için muharebelerde yüksek hızlı mermiler tercih edilmektedir. APFSDS tank topu mermilerinde olduğu gibi yüksek hıza sahip mermilerin tasarımında hava direnci faktörü mutlaka göz önünde bulundurulmalıdır. Hava direnci azaltma yöntemleri olarak, ikisi taban direncini biri ise burun direncini azaltan üç yöntem üzerinde durulacaktır.
4.4.1. Kuyruk Konisi Yöntemi
Taban direncini azaltmak için tabanın konikleştirilmesi mermi tasarımında sık kullanılan bir yöntemdir. Kuyruk konisine sahip mermilerin düz tabanlı mermilere oranla daha fazla menzile sahip olduğu aynı ağırlık ve hızla yapılan atışlarda tespit edilmiştir. Kuyruk konisi (Şekil 4.9), genellikle uzunluğu 0,5–0,75 kalibre olan kesik bir konidir. Konikliğin derecesini belirleyen β açısının en uygun değeri 7,5° olarak alınmaktadır. Kuyruk konisi, hava akımının mermi taban bölümüne akışını kolaylaştırarak hava direncini düşürmektedir.

Şekil 4.9: Kuyruk Konisi Yöntemi ile Taban Direncinin Azaltılması

Kuyruk konisi özellikle ses altı hızlarda oldukça etkili olmaktadır. Ancak ses üstü hızlarda vuruş sıhhatini olumsuz etkileyebilmektedir. Kuyruk konisi ayrıca daha fazla namlu aşınmasına ve erozyona neden olmaktadır. Fakat mermi taban direncini yenerek oldukça etkili bir menzil artışı sağladığından, bir çok ses üstü mermi tasarımında kullanımı devam etmektedir.
4.4.2. Art Yanma Yöntemi
Özellikle büyük mermiler için direnci düşürmenin pratik bir metodu da art yanmadır. Bu işlemde merminin gerisine takılmış olan bir miktar ileri sevk edicinin yakılması suretiyle, mermi tabanında bir gaz fışkırması oluşturulmaktadır. Bu olay mermi tabanındaki basıncı arttırmakta ve taban direncini %50’ye kadar olan bir oranda düşürebilmektedir. Bu metod sayesinde genellikle %10 ile %30 arasında bir menzil artışı sağlanması mümkündür (Şekil 4.10,11).

Şekil 4.10: Örnek Bir Topçu Mermisi İçin Art Yanmanın Menziline Olan Etkisi

Şekil 4.11: Art Yanmalı Merminin Taban Kısmı

4.4.3. Burun Şekli

Burun direnci mermiye uygun bir burun şekli kazandırılarak önemli ölçüde azaltılabilmektedir. Şekil 4.12’de üç değişik burun şekli için özellikle ses altı bölgede, mermi hız değişimleri ile direnç katsayısı arasındaki ilişki gösterilmektedir.

Şekil 4.12: Değişik Hava Direnç Katsayılarının Burun Şekilleri İle Değişimi

Ses üstü hızlarda taban direnci ve gövde sürtünmesi değerleri ses altı hızlardaki değerlerinden pek fazla farklılık göstermemektedir. Fakat mermi burun şekli, burun direnci ve dolayısıyla toplam hava direnci üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Dönme ile dengelendirilmiş klasik bir merminin toplam uzunluğu, genellikle 2.7 ile 4 kalibresi burun uzunluğu olmak üzere 4.5 ile 6 kalibre arasında değişmektedir.
4.5. Merminin Dengelenmesi
Uçuş esnasında mermi ağırlık merkezinin çizdiği yörüngenin teğeti ile merminin uzunlama ekseni arasında oluşan açı sapma açısı olarak adlandırılır (Şekil 4.13).

Şekil 4.13: Sapma Açısı (Yaw Angle)

Sapma açısına bağlı, mermiye etki eden iki aerodinamik kuvvet, hava direnç kuvveti ve kaldırma kuvvetidir. Hava direnç kuvveti yörünge boyunca mermi hareketini geciktirmekte ve sapma açısına göre değişmektedir. Herhangi bir dengeleme yöntemi kullanılmadığı bir uçuş boyunca mermi, normal olarak bir miktar sapmakta ve hızla yörüngeden çıkabilmektedir. Bu durum dirençte önemli derecede artışa neden olmaktadır. Uç bir örnek olarak, ses üstü bir merminin havada 900 saptığı düşünülürse, hava direnci 150 kat artmaktadır. Sapma gösteren bir mermide oluşan kaldırma kuvvetinin işlevi, kanat tarafından oluşturulan kaldırma kuvvetine benzemektedir. Bu kuvvet yörüngeye dik ve sapma yönünde iş yapmaktadır. Sıfır derece sapma açısı için kaldırma kuvveti oluşmamaktadır. Kaldırma kuvveti normal uçuş esnasında oluşan sınırlı sapma açılarında sapma miktarının yükselmesiyle artmaktadır. Büyük sapma açılarına geçildiği durumda ise, süratle azalma göstermektedir. Kaldırma kuvveti ve direnç kuvveti, mermi ekseni üzerinde basınç merkezine etki etmektedir. Merminin aerodinamik özellikleri, sürekli değişen hız ve mermi davranışı ile değiştikçe, basınç merkezinin pozisyonu da değişkenlik göstermektedir. Klasik mermilerde kütle merkezi ile basınç merkezi çakışmamaktadır. Böylece bu kuvvetler (Şekil 4.14), sapma açısına bağlı olarak devrilme momentine sebep olmaktadırlar. Bu yüzden uçuş boyunca merminin hassas olarak dengelenmesi büyük önem taşımaktadır. Mermiler aşağıda açıklanan iki temel yöntemle dengelenmektedir.

Şekil 4.14: Devrilme Momenti
4.5.1. Kanat Takılarak Dengeleme
Merminin uçuşu boyunca öngörülebilen bir yörüngeye sadık kalması, silahın vuruş ihtimalinin yüksek olması için şarttır. Bir mermiyi yörüngede dengelemenin en basit yolu, ağırlık merkezinin ön kısımda oluşturulmasıdır. Tarihte uzun menzilli ilk silahlar olarak kullanılan oklarda bulunan delici metal uçlar aynı zamanda bu işlevi de görmekteydi. Buna ilaveten okların kuyruk kısımlarına kanatlar takılarak hava direnç kuvvetinden faydalanılmakta ve kanatlar geride kalacak şekilde yörünge boyunca etkin bir dengeleme sağlanabilmekteydi (Şekil 4.15).

Şekil 4.15: Kanat Takılarak Dengeleme

G noktası okun ağırlık merkezidir. Eğer ok sapar ve eğimli hareket etmeye başlarsa, basınç merkezi okun gerisine kaymakta ve oku G noktası üzerinde çevirerek tekrar yörüngeye sokmaktadır. Çünkü bu durumda okun kuyruk kısmında bulunan kanatlarla, hava direncine karşı toplam yüzey alanı artırılmış olmaktadır. Basınç merkezi (P) ağırlık merkezinin (G) arkasında olduğu müddetçe ok, burnu doğrultusunda yörüngede kalacak şekilde hareketine devam edecektir. Bu tarz kanatlarla dengeleme, statik dengeleme olarak sınıflandırılmaktadır. Kanatlar ile dengeleme uçak bombaları, havan mermileri ve APFSDS tank topu mermileri gibi mühimmatta kullanılmaktadır. Ancak mermilere takılan kanatlar rüzgarın olumsuz etkisinin artmasına da neden olmaktadır. Özellikle roket ve füzelerde motor itme kuvveti ve rüzgarın bileşke etkisi, roket veya füzenin rüzgarın estiği yöne doğru yönelmesine neden olabilmektedir. Uzun yanma süresine sahip güdümsüz roketlerin kuvvetli bir rüzgarda atılması, hedefte vuruş ihtimalini oldukça düşürecektir.
4.5.2. Dönme ile Dengeleme
Yanma esnasında oluşan yüksek basınç ve sıcaklıktaki gazın etkilerine dayanabilmesi için, klasik mermilerin tabanının kalın ve ağır olarak tasarlanması gerekmektedir. Ayrıca bu tür mermilerin tasarımında, burun direncinin azaltılabilmesi için burun kısmının sivrileştirilmesi kaçınılmazdır. Bu iki faktör merminin ağırlık merkezinin tabana yakın olacak şekilde arka kısımda, basınç merkezinin ise ön kısımdaki burun bölgesinde oluşmasına neden olmaktadır. Ağırlık merkezi oldukça geride olan bir merminin, dengelenmeden hedefe kadar istikrarlı bir uçuş gerçekleştirmesi mümkün değildir. Bu tür mermilerde dengeleme, çok güçlü jiroskobik kuvvetler oluşturan hızlı bir dönü hareketi ile dinamik olarak sağlanabilmektedir. Jiroskopun en basit şekli olarak bir topaç düşünülebilir. Topaç dik olarak bırakılırsa hemen devrilir, fakat yeteri kadar bir hız verilip çevrilirse hem dik pozisyonda kalmayı başarır, hem de bu pozisyonunun bozulmasına neden olacak kuvvetlere karşı direnç gösterir. Şekil 4.16’daki dönme hızı azalan topaç düşecekmiş gibi bir izlenim verse de gerçekte hemen düşmez ve bir çeşit dairesel hareketle hem kendi etrafında hem de AB ekseni etrafında dönmeye devam eder. Bu durum giderek artan bir orandaki prezisyon hareketidir. Mermiler için prezisyon hareketi, normal koşullarda ağırlık merkezi etrafında daralan helozoni şeklini alan bir dairesel sapma olarak değerlendirilebilmektedir.

Şekil 4.16: Prezisyon Hareketi

Eğer topaç Şekil-16’daki gösterilen istikamette aşağıya doğru çekilirse, topaç buna direnç gösterir ve o yöne gitmek yerine sola doğru hareket eder. Döndürülen bir topaçta gözlemlenen diğer bir hareket ise nutasyon hareketi olarak adlandırılmaktadır. Dönü dengeli mermilerde de gözlemlenen bu hareket, uçuş esnasında mermi burnunun küçük bir çember içinde bir gül şeklini andıran dairesel bir dönü hareketi yapmasıdır (Şekil 4.17). Namlu içinde yiv-set sistemi yardımıyla oluşturulan kuvvetli jiroskobik etki sayesinde, namludan atıldıktan sonra göreceli olarak çok kısa bir mesafede prezisyon ve nutasyon hareketleri kaybolacak ve mermi dengelenmiş bir şekilde hedefe doğru uçmaya devam edecektir.

Şekil 4.17: Giderek Azalan Nutasyon ve Prezisyon Hareketi

Kısa boylu ve büyük çaplı bir klasik mermi, uzun ve ince bir mermi ile karşılaştırıldığında, çok daha kolay dengelenebilmekte ve uçuş esnasında karşılaşılabileceği yörünge bozucu etkilerden daha az etkilenmektedir. Roket mühimmatı ise genelde uzun ve incedir. Sadece döndürerek bir roketin dengesini sağlamak, bir kurşun kalemi döndürerek dik tutmaya benzemektedir. Bu yapılabilir fakat çok yüksek bir dönü hızına ihtiyaç vardır. Deneyler göstermiştir ki boyu çapının yedi katından fazla olan mermilere, ne kadar hızlı dönü verilirse verilsin etkili bir dengeleme sağlanamamaktadır. Bu yüzden roketler daha çok kanat takılarak dengelenmektedir. Ancak roketlere dahi uçuş esnasında dengelenmesini kuvvetlendirmek için, genellikle düşük seviyede bir dönü kazandırılmaktadır. Bu dönü hareketi, roketin kanatlarına belli bir açıda eğim verilerek sağlanabilmektedir.

4.6. Aşırı veya Az Dengelenmiş Mermiler

Mermi burnunun uçuş boyunca yaklaşık olarak yörüngeyi gösterecek şekilde hareket etmesi için, mermi uygun bir prezisyon hızına kavuşturulmalıdır. Mermi prezisyon hızı, öncelikle mermi dönü hızı ile mermi burnunda hava basıncını belirleyen uçma hızı arasındaki göreceli ilişkiye, daha sonra merminin ağırlık dağılımına, mermi şekline ve mermi ağırlık merkezi konumuna bağlıdır. Mermi hızlı döndürülürse prezisyon hızı yavaşlamakta, fakat dönme hızı uzun menzillerde zamanla azalacağından prezisyon hızı zamanla artış göstermektedir.

Aşırı yüksek dönü hızına sahip mermilerin atışlarında, mermi burun kısmı yörüngenin düşüş safhasında dahi yukarı yönü gösterecek şekilde kalabilmekte ve bu durum merminin tabanı üstüne düşmesine neden olmaktadır. Bu durumdaki mermiler aşırı dengelenmiş mermiler olarak tanımlanmaktadır. Başlangıçta merminin dönme hızı oldukça düşük tutulduğunda ise, mermi namluyu terk eder etmez derhal prezisyon hareketi artan bir oranda gözlenecektir. Kısa süre sonrada mermi burnu yörüngenin altını gösterecek ve zamanla mermi havada takla atabilecektir. Bu durumda mermi normal menzilden oldukça kısa bir mesafeye düşecektir. Böyle mermiler az dengelenmiş mermiler olarak değerlendirilecektir.

4.7. Mermilerde Dönme Hareketinin Neden Olduğu Problemler

Rüzgarın saptırıcı etkisi hariç tutulduğu halde, yivli setli silahlardan atılan mermilerin dönüye sahip olmalarından ötürü atış doğrultusundan bir miktar saptıkları görülmektedir. Tabii yan denilen bu sapma merminin dönüş yönüne göre sağa veya sola doğru olabilmektedir. Merminin atış doğrultusundan sapmasına neden olan etkenler; Magnus, Poisson ve Jireskobik etkiler olarak sıralanabilmek- tedir:

4.7.1. Magnus Etkisi

Mermiyi dönü yönünün tersi istikamette saptırmaya çalışan bu etki özellikle büyük yükseliş açılarında kuvvetli bir şekilde hissedilmektedir. Mermiyi havada ileri doğru hareket ettiğinden ziyade, yerinde sabit kalarak dönüyor kabul edip havanın karşı taraftan kendisine doğru aktığını kabul etmek fiziksel açıdan bir farklılık oluşturmaz. Merminin sağa doğru dönüşlü olduğu, Magnus etkisini açıklamak için kabul edilebilir. Gövde sürtünmesi sonucu oluşan hava direncindeki gibi, dönü esnasında mermi yüzeyine yakın hava katmanlarının dönü yönünde hareket etmek istemeleri doğaldır. Mermiye arkadan bakıldığında sağ tarafında, bu dönü etkisi ile hareket eden havanın yönü ile merminin ileri hareketi nedeniyle karşıdan gelen ana hava akımının yönü arasında bir zıtlık meydana geldiği görülür. Dolayısıyla merminin sağındaki hava akımında toplamda bir yavaşlama söz konusudur. Mermiye arkadan bakıldığında sol tarafta ise, hem dönü kaynaklı hava akımının hem de karşıdan gelen ana hava akımının aynı yönde daha büyük bir hızla aktıkları gözlemlenebilmektedir. Akışkanlar Mekaniği’ndeki Bernoulli denklemine göre akışkan hızının yüksek olduğu noktada basınç daha düşük olacaktır. Buradan merminin sol tarafındaki hava basıncının sağ taraftakine göre göreceli olarak daha düşük olacağı sonucuna ulaşılmaktadır. Bu basınç farkı mermiyi alçak basınç olan tarafa doğru dolayısıyla sola doğru kaydıracaktır. Mermiyi dönü yönünün tersi istikamette saptırmaya çalışan bu tesire, Magnus etkisi denilmektedir. Bu etki, dönme eksenine dik doğrultuda ve ağırlık merkezi ile mermi tabanı arasında bulunan bir noktada mermiye etki etmektedir. Magnus kuvvetinin tatbik noktası olan bu nokta genellikle hacim merkezi ile çakışıktır.

4.7.2. Poisson Etkisi

Mermi ağırlık merkezinden geçen yörünge teğeti ile mermi boyuna ekseni arasındaki sapma açısının mermi yolu boyunca değiştiği ve genelde mermi ucunun yörünge teğetinin üst kısmında olduğunu kabul edersek ve merminin kendi ekseni etrafında döndüğü ve havanın mermi hızına eşit bir hızla mermi hareketine karşı doğrultuda püskürtüldüğünü düşünecek olursak, merminin hedefe bakan yüzünde bir hava sıkışması, arka yüzünde ise bir hava seyreltisi olacağı öngörebilmektedir. Bu nedenle merminin ön yüzündeki hava sürtünmesi arka yüzündekinden daha fazla olacaktır. Böylece merminin ön yüzü dönü hareketi için daha etkin bir tutunma sağlayacak ve sağa dönülü olarak atılan merminin sağa doğru sapmasına neden olacaktır. Mermi için Poisson etkisi olarak adlandırılan bu tesir, Magnus ve Jireskobik etkilerinlerinden daha zayıftır.

4.7.3. Jiroskobik Etki

Jireskobik etki, merminin dönmesinden ötürü, dönme yönüne doğru sapmasıdır. Dönen mermilerin dengesi ile ilgili olarak; uçuş esnasında mermiye simetrik olarak etki etmeyen hava direnç kuvvetinin mermi ağırlık merkezine göre oluşturduğu moment, merminin dönme ekseni doğrultusunda tedrici bir değişme meydana getirmektedir. Böylece mermi atış hattından bir miktar dönü yönüne doğru sapmaktadır.

Mermilerin rüzgar etkisi olmadan, Magnus, Poisson ve jireskobik etki nedeni ile atış hattına göre sağa veya sola sapmasına TABİİ YAN denilmektedir. Sağa dönülü bir mermide, Magnus etkisi mermiyi sola saptırırken Poisson ve jireskobik etkiler mermiyi sağa saptırmaktadır. Toplam etki içinde en belirgin olanı jireskobik etkidir. Böylece sağa dönülü mermilerin tabii yanları atış hattına göre sağ tarafa doğru olmaktadır.

4.8. Mermi Yoluna Etki Eden Diğer Faktörler

4.8.1. Meteorolojik Şartlar (Atmosferin Özellikleri)

Yeryüzünden atışı yapılan her cisim atmosferde uçtuğu süre içinde atmosfer şartlarından ve olaylarından etkilenmektedir. İrtifa artıkça gazların karışım yüzdeleri, yoğunlukları, basınç, viskozite ve sıcaklık değerleri değişiklik göstermektedir. Troposfer tabakası yeryüzünden itibaren ekvatorda 15 km, Orta Avrupa’da 11 km, kutuplarda 8-10 km yüksekliğe kadar uzanmaktadır. Yükseklikle sıcaklığın değişimi, kar, yağmur, rüzgar, fırtına, şimşek gibi olaylar bu tabaka içinde oluşmaktadır. Bu nedenle troposfer tabakası klasik mermi ve roket atışları için oldukça önemlidir. 20 km yüksekliğe kadar atmosferin %75’i nitrojen, %21’i oksijen, %4’ü de su, karbondioksit, hidrojen ve diğer gazlardan oluşmaktadır. Troposferde sıcaklığın yükseklikle değişimi; TALT=To-[L.h] formülü ile bulunabilmektedir.
TALT = h irtifasındaki hava sıcaklığı (K)
To = Deniz seviyesindeki hava sıcaklığı = 288.15 K
L = 0.0065 K/m
h = irtifa (m), (azami 11 km. irtifaya kadar)
* 11 km üzerindeki alçak stratosferde sıcaklık 216.66°K olarak sabit kalmaktadır.

Atmosferin fiziksel özelliğini gösteren bu dinamik parametreler hava direncini ve dolayısıyla silahın menzilini etkilemektedir. Örneğin, hava yoğunluğu yükseklik arttıkça düşmekte ve sonuçta merminin ulaşabileceği menzil mermi yolu yükseldikçe artmaktadır. Bir başka parametre olan sıcaklık artışında ise sıvıların viskozitesi azalırken, gazlarınki artmaktadır. Dolayısıyla sıcaklık artışı atmosferde bir miktar viskozite artışı sonucu hava direncini arttırsa da, yoğunluk azalması daha baskın bir etken olarak belirmektedir. Sonuçta sıcaklık bir bütün olarak değerlendirildiğinde, yüksek sıcaklıklarda yoğunluk düştüğü için vizkozite artışına rağmen menzil uzamaktadır.

Balistik açısından standart bir atmosferin tanımının yapılması gereklidir. Bu nedenle hesaplamalara esas teşkil edecek standart atmosfer değerleri ortaya konmuştur. Günümüzde en çok kullanılan standart atmosfer değeri, Uluslararası Sivil Havacılık Organizasyonu (ICAO) tarafından 1952 yılında tanımı yapılandır (Tablo 4.2). Buna göre standart atmosfer şartları deniz seviyesi için aşağıdaki gibi verilmiştir.
Sıcaklık T0 = 15o C = 288.16 K
Basınç P0 = 1 atm = 1013.25 mbar = 760 mm civa basıncı
Yoğunluk ρ = 1.225 kg/m3

Yükseklik
(km) Yoğunluk
Kg/m3 Sıcaklık
(K) Basınç
(N/m2) Yerçekimi İvmesi
(m/s2) Ses Hızı
(m/s)
-1 1.3470 294.66 113929 9.8097 344.247
0 1.225 288.16 101325 9.8066 340.429
1 1.1117 281.66 89874 9.8036 336.567
5 0.73612 255.66 54020 9.7912 320.657
10 0.41271 223.16 26436 9.7759 299.593
15 0.19367 216.66 12045 9.7605 295.188
20 0.08804 216.66 5474.9 9.7453 295.188

Tablo 4.2: Standart Atmosfer Değerleri

4.8.2. Rüzgar Etkisi

Troposferde meydana gelen rüzgarlar, merminin hareketine doğrudan doğruya etki etmektedir. Genel olarak rüzgar etkisinin ihmal edilebilmesi için, 1500 metre yüksekliğe kadar rüzgar hızının 5 m/s’den, 1500 metreden fazla yükseklikte ise 7.5 m/s’den büyük olmaması gerekmektedir. Aksi halde yapılacak atışta rüzgar düzeltmesine ihtiyaç vardır. Mermi yoluna rüzgarın etkisi yanca ve mesafece olmak üzere iki çeşittir. Mermiye arkadan etki eden ve menzilin artmasına neden olan rüzgara kuyruk rüzgarı, mermiye önden (burun kısmından) etki eden ve menzilin azalmasına neden olan rüzgara baş veya burun rüzgarı denmektedir. Her iki durum da atış cetvelleri hazırlanırken dikkate alınmalıdır. Yandan esen rüzgar ise, dönü dengeli bir mermiyi estiği açıya ve esiş şiddetine bağlı olarak estiği yöne doğru saptırmaktadır.

4.8.3. Dünya Dönüşünün Etkisi

Uzun menzilli atışlarla ilgilenirken dünyanın dönmesinden doğan etkiler göz önüne alınmalıdır. Örneğin 20 km mesafeye yapılan topçu atışlarında dünyanın dönüşü, dünya üzerindeki konum ve uçuş süresine göre, mermilerin ortalama olarak 100 metrelik bir sapma göstermesine neden olmaktadır. Hafif silahlarla veya havanlarla yapılan kısa menzilli atışlarda dünya dönüşünün etkisi hesaplamalarda gözetilmemektedir. Merminin uçuş süresi içinde dünya dönüşü nedeniyle hedef, yanlara, yukarı veya aşağı kayabilmektedir. Bu nedenle uzun menzilli atışlarda silah tevcih edilirken, başlangıçta gerekli düzeltmeler hesaplanarak silaha uygulanmalıdır.
Dünya kutuplardan geçen bir eksen etrafında batıdan doğuya olmak üzere dönmektedir. Ekvatordaki dünyanın yarıçapı yaklaşık 6378.388 km olarak alındığında, buradaki çizgesel (teğetsel) hız yaklaşık 463.8 m/s’dir. Mermi namluyu terk ettiği andan itibaren uçuş müddeti süresince, hem topun hem de hedefin yeri değişmektedir. Dünyanın dönmesinden ötürü meydana gelen etki, atış yapılan yerin enlemine, atış yönüne ve merminin uçuş süresine bağlıdır.

4.8.3.1. Enlem Boyunca Yapılan Atışlar

Değişik enlemlerde teğetsel hızlar farklı olduğundan, bu farklı noktalardan aynı silah ve mühimmatla, enlem çizgilerine paralel olarak yapılan atışlarda menzil değişiklikleri olmaktadır. Top ve hedefin aynı enlem derecesinde bulunması halinde yapılan atışta menzil, dünyanın dönüş istikametine göre uzayıp veya kısalacaktır. Enlem boyunca doğuya doğru (dünyanın dönüşü yönünde) yapılan atışlarda menzil uzamakta, batıya doğru (dünya dönüşünün aksi yönünde) yapılan atışlarda ise menzil kısalmaktadır (Şekil 4.18).

Şekil 4.18: Enlem Boyunca Yapılan (Enleme Paralel) Atışlar

4.8.3.2. Boylam Boyunca Yapılan Atışlar

Atış kuzey-güney kutup eksenine paralel yapıldığı takdirde, topun bulunduğu yere ve hedefin teğetsel hızına bağlı olarak mermi sağa veya sola düşmektedir. Top başından yapılan gözleme göre kuzey yarım kürede kuzeye doğru atılan mermi, için topun çizgisel hızı hedeften daha fazla olduğu mermi hedefin sağına (doğuya) düşecektir (Şekil 4.19).

Mermi enlem veya boylam boyunca değil de, başka bir yönde çapraz olarak atılsa, hedefin bulunduğu yerin teğetsel hızı ve uçuş süresi hesaplara dahil edilerek sonuç bulunacaktır. Sonuç olarak, kuzey-güney doğrultusunda yapılan atışlarda yanca, doğu-batı yönünde yapılan atışlarda ise mesafece sapma görülmektedir.

4.8.4. Silah Platformunun Eğimi

Eğimli bir yerde duran zırhlı araç platformundan yapılan görerek atışlarda mermi uçuş yörüngesi temel bir değişiklik göstermese de, nişan alınan noktanın vurulmasında nişan aletlerinin paralaksı nedeniyle güçlük çekilebilmektedir. Bu yüzden hedefin sağlıklı olarak vurulabilmesi için mümkün olduğu kadar düz bir zemin üzerinden atışın yapılması veya eğim algılayıcılarla saptanan eğim verilerinin otomatik olarak balistik çözümlemelerde gözetilmesi gerekmektedir. Görmeyerek atış yapan silahlar için ise, öncelikle eğimsiz düz bir konuma mevzilenilmeye çalışılmalı, eğer bu mümkün değilse silah platformu genellikle ruhlular veya otomatik sistemler yardımıyla düzlenerek atış yapılmalıdır.

Şekil 4.19: Kuzey Yarımkürede Kuzeye Doğru Atış

AYDIN BOĞAZ
GUNESLER HIGH SCHOOL
PHYSICS TEACHER

Benzer içerikler