NASA X-57 Maxwell

NASA X-57 Maxwell, Amerika Birleşik Devletleri Ulusal Havacılık ve Uzay Dairesi (NASA) tarafından yürütülen, genel havacılık sınıfı hava araçlarında tam elektrikli itki sistemlerinin ve Dağıtılmış Elektrikli İtki (Distributed Electric Propulsion - DEP) mimarisinin uygulanabilirliğini test etmek amacıyla geliştirilmiş deneysel bir uçaktır (X-plane). Proje, NASA'nın "Sürdürülebilir Uçuş Göstericileri" portföyü altında, özellikle havacılıkta karbon emisyonlarını azaltma ve enerji verimliliğini artırma hedefleri doğrultusunda bir teknoloji test yatağı olarak kurgulanmıştır.^【1】 

Proje Tanımı ve Teknik Hedefler

• X-57 projesi, İtalyan yapımı Tecnam P2006T hafif uçağının gövde yapısı üzerine inşa edilmiştir. Projenin ana ekseni, geleneksel içten yanmalı motorların (Rotax 912S3) yerine elektrikli motorların entegre edilmesi ve bu değişimin aerodinamik ile enerji tüketimi üzerindeki etkilerinin nicel olarak ölçülmesidir.

Operasyonel Hedefler

• Enerji Verimliliği: Tasarım aşamasında, seyir hızında (yaklaşık 150 knot) enerji tüketiminin geleneksel sistemlere göre 3.3 ile 5 kat arasında azaltılması hedeflenmiştir.
• Sertifikasyon Standartları: Elektrikli itki sistemlerinin uçuşa elverişlilik (airworthiness) kriterlerinin belirlenmesi için Federal Havacılık İdaresi (FAA) gibi düzenleyici kurumlarla teknik veri paylaşımı sağlamak.
• Gürültü Azaltımı: Pervane uç hızlarının optimizasyonu ve elektrik motorlarının karakteristiği sayesinde gürültü seviyesinde azalma sağlamak.

Tasarım Evreleri ve Modifikasyonlar

X-57 projesi, teknolojinin kademeli olarak doğrulanması amacıyla dört ana modifikasyon safhasına ayrılmıştır.

Mod I: Temel Veri Toplama

Bu aşamada, standart Tecnam P2006T uçağı kullanılarak temel performans verileri (baseline) oluşturulmuştur. Yanmalı motorların yakıt tüketimi, tırmanma oranları ve gürültü emisyonları, sonraki aşamalarda elde edilecek verilerle kıyaslanmak üzere kaydedilmiştir.

Mod II: Elektrikli Dönüşüm (Pathfinder)

Orijinal yanmalı motorlar sökülmüş ve yerlerine yaklaşık 60 kW güç üreten iki adet elektrikli seyir motoru entegre edilmiştir.

• Batarya Entegrasyonu: Arka yolcu kabinine yaklaşık 360 kg ağırlığında lityum-iyon batarya paketleri yerleştirilmiştir.
• Amaç: Elektrikli itki sisteminin (motor, batarya, invertör) uçuş emniyetini ve yer testlerindeki stabilitesini doğrulamak.

Mod III: Yüksek En-Boy Oranlı Kanat

Mod II aşamasındaki orijinal kanatlar, %40 oranında küçültülmüş, daha ince ve yüksek en-boy oranına (high-aspect ratio) sahip kompozit bir kanat tasarımı ile değiştirilmiştir.

• Motor Yerleşimi: İki adet ana seyir motoru kanat uçlarına (wingtips) taşınmıştır. Bu yerleşim, kanat ucu girdaplarını minimize ederek indüklenmiş sürüklemeyi (induced drag) azaltmayı amaçlar.

Mod IV: Dağıtılmış Elektrikli İtki (Nihai Yapı)

Mod IV, projenin en kompleks aşamasıdır ve toplam 14 elektrik motorundan oluşur.

• Yüksek Kaldırma Motorları (12 Adet): Kanat hücum kenarı boyunca dizilmiştir. Sadece kalkış ve iniş sırasında çalışarak kanat üzerinden geçen hava hızını artırır (blown wing etkisi). Bu sayede, küçük kanat alanına rağmen düşük hızlarda gerekli kaldırma kuvveti sağlanır.
• Katlanabilir Pervaneler: Seyir irtifasına ulaşıldığında 12 adet küçük motorun pervaneleri hava akışına paralel olarak katlanır; bu mekanizma aerodinamik sürüklemeyi düşürür.

Teknik Alt Sistemler ve Bileşenler

İtki ve Güç Elektroniği

• İnvertörler (Eviriciler): Silisyum Karbür (SiC) MOSFET teknolojisi kullanılarak geliştirilmiştir. Bu üniteler, bataryadan gelen 460V DC akımı, motorlar için AC akıma %98 verimlilikle dönüştürür.
• Motorlar: Joby Aviation tarafından sağlanan hafif ve yüksek torklu elektrikli motorlar kullanılmıştır.

Batarya Sistemi

• Enerji Yoğunluğu: Toplam 147 kWh brüt kapasiteye sahip lityum-iyon hücrelerden oluşur.
• Termal Güvenlik: Bir hücrede meydana gelebilecek termal kaçak (thermal runaway) olayının diğer hücrelere sıçramasını önlemek amacıyla hücreler arası izolasyon bariyerleri ve alüminyum muhafazalar kullanılmıştır.

Aviyonik ve EMI Yönetimi

Yüksek anahtarlama frekansına sahip invertörler, uçaktaki haberleşme ve seyrüsefer sistemlerinde Elektromanyetik Girişim (EMI) oluşturmuştur. NASA, bu sorunu çözmek için kablo zırhlama, toroidal filtreler ve şasi izolasyon protokolleri geliştirmiştir.^【2】 

Mühendislik Analizleri ve Test Metodolojisi

Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD)

NASA Ames ve Langley merkezleri, uçağın aerodinamik veritabanını oluşturmak için LAVA ve Star-CCM+ yazılımlarını kullanmıştır. Pervanelerin kanat üzerindeki etkisi "aktüatör disk" modelleriyle simüle edilmiş ve bu veriler rüzgar tüneli testleriyle doğrulanmıştır.

Termal ve Yapısal Analizler

• Pasif Soğutma: Ağırlığı azaltmak amacıyla uçakta aktif sıvı soğutma sistemi yerine pasif hava akışlı soğutma tercih edilmiştir. CFD analizleri, özellikle düşük hızlı tırmanış safhasında motorların ve invertörlerin ısıl sınırlarını belirlemek için kullanılmıştır.
• Whirl Flutter: Kanat uçlarına yerleştirilen motorların yarattığı aeroelastik salınımlar (whirl flutter) analiz edilmiş ve yapısal bütünlük doğrulanmıştır.^【3】 

Projenin Sonlandırılması ve Mirası

Haziran 2023 itibarıyla NASA, X-57 projesini uçuş testlerini tamamlamadan kapatmıştır. Projenin ana çıktısı bir uçuş gösterisinden ziyade, elektrikli itki sistemlerinin entegrasyonu, yüksek voltaj güvenliği ve EMI yönetimi gibi konularda oluşturulan devasa teknik dökümantasyondur. Elde edilen veriler, endüstriyel standartların (ASTM, FAA) belirlenmesinde referans olarak kullanılmaktadır.