Bonding jumperlar, hava araçlarında elektriksel sürekliliği sağlayarak yıldırım akımının güvenli şekilde iletilmesine yardımcı olur. Çalışmada farklı malzemeler karşılaştırılmış ve elektriksel, mekanik ve korozyon dayanımını birlikte sağlayan yeni bir tel yapısı öne çıkmıştır.

Bir hava aracına yıldırım çarptığında, yaklaşık 30.000 amperlik darbe akımının yapıya zarar vermeden güvenli bir yol üzerinden ilerlemesi gerekir. Bu süreçte yalnızca gövdenin iletkenliği değil, farklı yapı ve komponentler arasındaki elektriksel sürekliliğin korunması da kritik öneme sahiptir. Çoğu zaman göz önünde olmayan bonding jumper’lar, hava aracının elektriksel bütünlüğünün sağlanmasında ve yıldırım akımının güvenli biçimde taşınmasında önemli görev üstlenmektedir.

Gökyüzündeki Elektriksel Tehdit

Atmosferdeki bulutlarda meydana gelen yük ayrışması sonucunda önemli miktarda statik elektrik birikebilir. Bulutlar ile yeryüzü arasında oluşan elektriksel potansiyel farkı 10⁹ V seviyelerine kadar ulaşabilmekte ve belirli koşullar altında bu potansiyel farkının boşalması yıldırım olayını meydana getirmektedir. Yıldırım, havacılık açısından sıra dışı bir olay değildir. Jet motorlu hava araçlarına ilişkin istatistiksel analizler, ortalama olarak her 3340 uçuş saatinde bir yıldırım çarpması meydana gelebildiğini göstermektedir. Yoğun kullanılan ticari hava araçları açısından bu değer yaklaşık yılda bir yıldırım çarpmasına karşılık gelebilmektedir. Araştırmalar, yıldırım çarpmalarının en sık 12.000–16.000 ft arasındaki irtifalarda görüldüğünü göstermektedir. Bununla birlikte daha seyrek olmakla beraber ticari uçakların seyir seviyelerine yakın 40.000 ft irtifalarda da yıldırım olayları meydana gelebilmektedir. Uçuş fazları incelendiğinde çarpmaların özellikle tırmanış sırasında yoğunlaştığı; sıcaklık açısından ise en yüksek olasılığın yaklaşık 0 °C ile 4 °C arasında görüldüğü bildirilmektedir.

Bir yıldırım çarpmasının hava aracına etkisi yalnızca dış yüzeyde oluşabilecek yanık veya izlerle sınırlı değildir. Yüksek akım aşağıdaki etkileri oluşturabilir 

• Elektriksel parazit ve elektromanyetik gürültü

• Haberleşme ve seyrüsefer sistemlerinde

• Elektriksel süreksizlik bulunan bölgelerde ark meydana gelmesi

• Yüksek sıcaklığa bağlı lokal yüzey hasarlarına neden olması

• Yakıt buharı bulunan hassas bölgelerde kıvılcım oluşumu 

Bu nedenle yıldırım akımının hava aracına giriş yaptığı noktadan itibaren yapı üzerinde mümkün olduğunca düşük empedanslı ve kontrollü bir yol izleyerek tekrar atmosfere aktarılması gerekir. İşte bu noktada hava aracının elektriksel bütünlüğü kritik hale gelir.

Hava Aracının Elektriksel Bütünlüğü

Modern bir hava aracı tek parça bir metal yapıdan oluşmaz. Gövde panelleri, kapılar, kontrol yüzeyleri, motor kaportaları, erişim kapakları, bağlantı elemanları, hareketli mekanizmalar ve çok sayıda farklı komponent bir araya gelerek hava aracının yapısını oluşturur. Bu yapıların mekanik olarak birbirine bağlanmış olması, her zaman yeterli elektriksel temas bulunduğu anlamına gelmez. Boya, yüzey kaplamaları, rulmanlar, menteşeler, kompozit yapılar, korozyon ürünleri veya hareketli bağlantılar elektriksel direnci artırabilir.

Yıldırım akımının güvenli bir şekilde ilerleyebilmesi için farklı hava aracı yapıları arasında elektriksel sürekliliğin korunması gerekir. Bu amaçla kullanılan temel elemanlardan biri bonding jumper’dır [3, 4]. Bonding jumperlar, iki yapı arasında düşük dirençli bir elektriksel bağlantı oluşturarak hava aracının elektriksel bütünlüğünün korunmasına katkı sağlar. Böylece yıldırım akımı, statik elektrik ve istenmeyen elektriksel potansiyel farklılıkları için kontrollü bir iletim yolu oluşturulur.

Başka bir ifadeyle bonding jumper, fiziksel olarak küçük olmasına rağmen hava aracının elektriksel olarak tek ve sürekli bir yapı gibi davranmasına yardımcı olan önemli bir bağlantı elemanıdır.

Farklı Koşullar, Farklı Malzeme Gereksinimleri

Hava araçlarındaki bonding jumper uygulamalarında farklı malzemeler kullanılabilmektedir. Bunların başlıcaları şunlardır

• Saf bakır

• Kalay kaplı bakır

• Nikel kaplı bakır

• Gümüş kaplı bakır

• Paslanmaz çelik

• Alüminyum

Her malzemenin elektriksel, mekanik ve çevresel açıdan farklı avantajları bulunmaktadır. Saf bakır, düşük özdirenci sayesinde yüksek elektriksel iletkenlik sunar. Bununla birlikte bakır yüzeyinin çevresel koşullara karşı korunması gerektiğinden birçok havacılık uygulamasında kaplanmış bakır teller tercih edilmektedir.

Kalay kaplı bakır, elektriksel iletkenlik, korozyon direnci ve maliyet arasında dengeli bir çözüm sunmaktadır. Kalay kaplama bakır yüzeyini oksidasyona karşı korurken üretim maliyetinin de görece düşük tutulmasını sağlar. Bununla birlikte kalay kaplamanın yüksek sıcaklıktaki performansı sınırlıdır ve yaklaşık 150 °C seviyelerine kadar olan uygulamalarda avantaj sağlamaktadır. Gümüş kaplı bakır, çok yüksek elektriksel iletkenliği nedeniyle performansın öncelikli olduğu uygulamalarda dikkat çekmektedir. Yaklaşık 200 °C çalışma sıcaklıklarına kadar kullanılabilmesi de önemli bir avantajdır. Buna karşılık gümüşün yüksek maliyeti ve belirli çevresel koşullardaki korozyon davranışı kullanım alanını sınırlandırabilmektedir. Nikel kaplı bakır ise özellikle yüksek sıcaklık ve zorlayıcı çevresel şartların bulunduğu bölgelerde öne çıkmaktadır. Yüksek korozyon direnci ile birlikte geniş bir çalışma sıcaklığı aralığında kullanılabilmesi önemli avantaj sağlamaktadır. Havacılık uygulamalarında nikel kaplı bakır teller yaklaşık -65 °C ile 260 °C arasındaki çalışma koşullarında tercih edilebilmektedir. Buna karşılık nikelin manyetik özellikleri bazı uygulamalarda dikkate alınması gereken bir tasarım kriteridir. Paslanmaz çelik, yüksek mekanik dayanım, sıcaklık dayanımı ve korozyon direnci açısından oldukça güçlüdür. Ancak elektriksel özdirencinin bakıra göre önemli ölçüde yüksek olması, yüksek iletkenlik gereken uygulamalarda dezavantaj oluşturur. Alüminyum ise düşük yoğunluğu sayesinde ağırlığın kritik olduğu bölgelerde avantaj sağlar. Özellikle yakıt tankı gibi belirli hava aracı bölgelerinde malzeme uyumluluğu ve ağırlık avantajı nedeniyle tercih edilebilmektedir.

Bonding Jumper Malzemesinde Yeni Bir Alternatif Arayışı

Bonding jumperlarda kullanılan mevcut malzemelerin farklı avantaj ve sınırlamalarının bulunması, bu alanda yeni malzeme ve kaplama sistemlerinin geliştirilmesini önemli hale getirmektedir.

Bu amaç doğrultusunda Kapadokya Üniversitesi akademisyenlerinden Burak GÜLER tarafından, Erciyes Üniversitesi Havacılık Elektrik ve Elektroniği Anabilim Dalı’nda Prof. Dr. Veysel ERTURUN danışmanlığında gerçekleştirilen “Hava Araçlarında Kullanılan Bonding Jumper Üretimindeki Kaplamaların Karşılaştırılmalı İncelenmesi” başlıklı doktora tezinde farklı bonding jumper tel malzemeleri ve kaplama yöntemleri karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Çalışmanın temel amacı, mevcut bonding jumper malzemelerine alternatif oluşturabilecek ve elektriksel, mekanik ve çevresel performansı birlikte sağlayabilecek yeni bir tel yapısının geliştirilmesidir.

Çalışma sonucunda geliştirilen yeni malzeme yapıları için TUSAŞ, Kapadokya Üniversitesi, Erciyes Üniversitesi ve Karadeniz Teknik Üniversitesi iş birliğiyle iki patent başvurusu gerçekleştirilmiştir. Araştırma kapsamında saf bakır, kalay kaplı bakır, gümüş kaplı bakır, nikel kaplı bakır ve patent başvurusuna konu olan yeni tel numuneleri farklı karakterizasyon ve performans testlerinden geçirilmiştir. Numuneler SEM-EDX analizleri, Raman spektroskopisi, çekme testleri, dört nokta prob elektriksel iletkenlik ölçümleri ve tuz püskürtme testleri ile değerlendirilmiştir. Böylece yalnızca elektriksel iletkenlik değil, malzemenin mekanik dayanımı, yüzey özellikleri ve korozyon performansı da birlikte incelenmiştir.

Elektriksel İletkenlik Tek Başına Yeterli mi?

Bonding jumper söz konusu olduğunda ilk akla gelen parametre doğal olarak elektriksel dirençtir. Ancak gerçek hava aracı ortamında yalnızca çok düşük dirençli bir tel üretmek yeterli değildir. Tel aynı zamanda titreşime, mekanik zorlanmalara, çevresel etkilere ve korozyona karşı dayanım göstermelidir. 

Doktora çalışmasında gerçekleştirilen çekme testlerinde en yüksek mekanik performans nikel kaplı bakır tel ile patent başvurusuna konu olan numunelerde elde edilmiştir. Patent başvurusu yapılan numune, saf bakır tel ile karşılaştırıldığında maksimum gerilme değerinde yaklaşık %22,26, akma noktasında ise yaklaşık %93,18 daha yüksek performans göstermiştir [10].

Elektriksel ölçümlerde ise düşük özdirenç değerleri gümüş kaplı bakır ve patent başvurusuna konu olan numunelerde elde edilmiştir. Patent başvurusu yapılan telin özdirenci 1,33 × 10-⁸ Ω·m olarak ölçülmüş ve saf bakır numuneye kıyasla yaklaşık %3,62 daha düşük özdirenç değeri elde edilmiştir. Gümüş kaplı bakır ile karşılaştırıldığında ise patent başvurusu yapılan numunenin özdirenci yaklaşık %22,02 daha yüksek olmasına rağmen, mekanik performansta önemli bir avantaj sağladığı görülmüştür. Maksimum gerilme yaklaşık %12,61, akma noktası ise yaklaşık %16,73 daha yüksek bulunmuştur.

Bu sonuç, bonding jumper malzemesi geliştirilmesinde yalnızca en düşük elektriksel direnç hedefinin yeterli olmadığını göstermektedir. Asıl önemli olan, düşük elektriksel direnç ile yeterli mekanik ve çevresel dayanımı aynı malzeme üzerinde dengeleyebilmektir. Bir bonding jumper üretildiği gün çok düşük elektriksel dirence sahip olabilir. Ancak gerçek uçak ortamında nem, tuz, sıcaklık değişimleri ve çeşitli kimyasal etkiler zaman içerisinde tel ve bağlantı yüzeylerinde korozyona neden olabilir. Korozyon yalnızca yapısal bütünlüğü bozmaz. Aynı zamanda temas direncini yükselterek bonding fonksiyonunun zayıflamasına yol açabilir. Bu nedenle araştırmada numuneler tuz püskürtme testine de tabi tutulmuştur. Testler sonucunda özellikle nikel kaplı bakır ile patent başvurusuna konu olan numunenin olumlu korozyon performansı sergilediği görülmüştür. Patent başvurusu yapılan numunenin dikkat çekici özelliği; korozyon direnci, mekanik dayanım ve elektriksel performansı tek bir yapıda birlikte sunabilmesidir.

Patente Başvurulan Numunenin Performans Dengesi

Çalışmada geliştirilen patent başvurusuna konu tel numunesinin çapı 0,08 mm›dir. Numunede 321,95 MPa maksimum gerilme, 309,52 MPa akma noktası, 1,33 × 10⁻⁸ Ω·m özdirenç ve başarılı bir tuz püskürtme testi performansı elde edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, yeni tel yapısının bonding jumper uygulamaları açısından önemli bir potansiyele sahip olduğunu göstermektedir. Geleneksel malzemeler değerlendirildiğinde nikel kaplı bakır mekanik ve çevresel dayanımıyla, gümüş kaplı bakır ise yüksek elektriksel iletkenliğiyle öne çıkmaktadır. Patent başvurusuna konu olan yeni malzemenin ise bu iki temel avantajı aynı yapı içerisinde bir araya getirmeye yaklaşması çalışmanın en dikkat çekici sonuçlarından biri olmuştur.

Havacılıkta bir malzemenin yalnızca tek bir özelliğinin yüksek olması çoğu zaman yeterli değildir. Çok yüksek elektriksel iletkenliğe sahip ancak korozyona karşı dayanıksız bir malzeme uzun süreli kullanımda sorun oluşturabilir. Benzer şekilde çok yüksek mekanik dayanım sağlayan ancak elektriksel direnci yüksek olan bir yapı da bonding jumper açısından ideal değildir. Bu nedenle bonding jumper tasarımında elektriksel direnç, mekanik dayanım, esneklik, korozyon direnci, sıcaklık performansı, ağırlık ve maliyet birlikte değerlendirilmelidir.

Gerçekleştirilen doktora çalışmasının sonuçları da bu yaklaşımı desteklemektedir. Nikel kaplı bakır teller mekanik ve çevresel dayanım açısından, gümüş kaplı bakır teller elektriksel performans açısından, kalay kaplı bakır teller ise maliyet ve yaygın kullanım açısından farklı avantajlara sahiptir. Patent başvurusuna konu olan yeni tel yapısının önemi ise bu özelliklerden yalnızca birinde maksimum performans sağlamasından değil, farklı performans kriterleri arasında dengeli bir mühendislik çözümü sunabilmesinden kaynaklanmaktadır.

Sonuç: Elektriksel Bütünlük Küçük Ayrıntılarda Gizlidir

Bir hava aracına yıldırım çarptığında yolcuların ve sistemlerin korunmasını sağlayan unsur tek bir komponent değildir. Gövde yapısından bağlantı elemanlarına, yüzey kaplamalarından bonding sistemlerine kadar çok sayıda mühendislik çözümünün birlikte çalışması gerekir. Bonding jumperlar bu sistem içerisinde fiziksel boyutlarına kıyasla oldukça önemli bir göreve sahiptir. 

Gelecekte bonding jumper teknolojilerindeki gelişimin yalnızca daha iletken teller üretmek üzerine kurulması beklenmemelidir. Daha düşük ağırlık, daha yüksek mekanik dayanım, yüksek sıcaklık performansı, uzun süreli korozyon direnci ve düşük elektriksel direnç gibi farklı gereksinimlerin aynı malzeme içerisinde bir araya getirilmesi gerekecektir. Bu açıdan yeni kaplama teknolojileri ve çok fonksiyonlu tel yapıları, hava araçlarının elektriksel bütünlüğünün geliştirilmesinde önemli bir araştırma alanı oluşturmaktadır. Çünkü gökyüzünde yıldırıma karşı güvenliğin sağlanması, çoğu zaman dışarıdan fark edilmeyen küçük bir bağlantının görevini eksiksiz yerine getirmesine bağlıdır.

KAYNAKLAR

Fisher, F. A., Perala, R. A., Plumer, J. A., 2004. Lightning Protection of Aircraft Second Edition. Lightning Technologies Inc., 186 s./pp.

Uman, M. A., 1969. Lightning. McGraw Hill, New York, 264 s./pp.

Sweers, G. J., 2010. Methodology for the Design Assurance of Aircraft Lightning Protection Systems Continued Airworthiness. TU Delft, Faculty of Aerospace Engineering, Doktora Tezi, Delft, 132 s.

Department of Commerce National Oceanic & Atmospheric Administration National Weather Service, 2017. Lightning Protection, Grounding, Bonding, Shielding, and Surge Protection Requirements. National Weather Service Manual 30-4106, 186 s./pp.

Fisher, F. A., Plumer, J. A., Perala, R. A., 1989. Aircraft lightning protection handbook (No. DOT/FAA/CT-89/22).

Federal Aviation Administration, 1977. Florida Institute of Technology Workshop on Grounding and Lightning Protection. Federal Aviation Administration, 84 s./ pp.

Glenair, 2023. Grounding and bonding in aircraft. QwikConnect 27(3): 27 s./pp.

Department of Commerce National Oceanic & Atmospheric Administration National Weather Service, (2017). Lightning Protection, Grounding, Bonding, Shielding, and Surge Protection Requirements. National Weather Service Manual 30-4106, 186 pp.

International Wire Group, 2024. Product catalog. (Web sayfası: https:// internationalwire.com/wp-content/uploads/Product-Catalog-HPC.pdf), (Erişim tarihi: Ağustos 2024).

Güler, B. 2026. Hava Araçlarında Kullanılan Bonding Jumper Üretimindeki Kaplamaların Karşılaştırılmalı İncelenmesi. Erciyes Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, Kayseri