Geri Dön

Modeling and simulation of a hydraulic booster system for aircraft fight control applications

Uçak uçuş kontrol uygulamaları için hidrolik bir takviye sisteminin modellenmesi ve benzetimi

PDF İndir

  1. Tez No: 1024246
  2. Yazar: ABDULKADİR ELMALI
  3. Danışmanlar: PROF. DR. AYŞE FİLİZ BAYTAŞ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Enerji, Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Energy, Aeronautical Engineering, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2026
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Enerji Bilimi ve Teknolojileri Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Uçak hidrolik güç sistemleri (HGS), modern hava araçlarında yüksek kuvvet üretimi ve hassas kontrol gerektiren alt sistemlerin çalıştırılmasında kritik bir rol oynamaktadır. Uçuş kontrol yüzeyleri, iniş takımı mekanizmaları, fren sistemleri ve çeşitli yardımcı sistemler, yüksek güç yoğunluğu ve güvenilirlik gereksinimleri nedeniyle büyük ölçüde hidrolik sistemler tarafından beslenmektedir. Hidrolik sistemler, mekanik enerjinin hidrolik enerjiye dönüştürülmesi ve bu enerjinin basınçlı akışkan aracılığıyla sistem içerisinde dağıtılması prensibine dayanır. Bu sayede yüksek kuvvetlerin kompakt bir yapı içerisinde iletilmesi mümkün olmakta ve sistemler geniş bir operasyonel zarf içerisinde güvenilir şekilde çalışabilmektedir. Bir uçak hidrolik güç sistemi, yalnızca enerji üretiminden ibaret olmayıp aynı zamanda bir enerji yönetim ve dağıtım ağı olarak da değerlendirilmelidir. Sistem içerisinde pompalar tarafından üretilen enerji, hidrolik hatlar ve valfler aracılığıyla farklı tüketicilere yönlendirilir. Bu süreçte rezervuar, akümülatör ve kontrol valfleri gibi yardımcı bileşenler, sistem basıncının dengelenmesi, geçici yüklerin karşılanması ve güvenli operasyonun sağlanması açısından kritik rol oynar. Dolayısıyla HGS'nin performansı yalnızca tekil bileşenlerin özelliklerine değil, bu bileşenler arasındaki etkileşimlere ve sistemin dinamik davranışına bağlıdır. Ancak uçak hidrolik sistemleri, özellikle geçici rejimlerde ve yüksek yük gereksinimlerinin ortaya çıktığı durumlarda çeşitli performans sınırlamaları ile karşı karşıya kalmaktadır. Sistem içerisinde oluşan basınç kayıpları, akışkan sıkıştırılabilirliği, doğrusal olmayan akış karakteristikleri ve zaman gecikmeleri, sistemin dinamik tepkisini sınırlandıran temel faktörlerdir. Özellikle yüksek aerodinamik yükler altında çalışan uçuş kontrol sistemlerinde, aktüatörlerin hızlı ve hassas şekilde hareket etmesi gerekmektedir. Bu durum, sistem üzerinde ani ve yüksek güç talepleri oluşturur. Bu taleplerin karşılanamaması durumunda, sistem basıncında düşüşler meydana gelmekte ve aktüatör performansında gecikmeler gözlemlenmektedir. Bu tür performans kayıpları, uçuş kontrol kalitesini doğrudan etkileyen kritik unsurlar arasında yer almaktadır. Geleneksel mühendislik yaklaşımında bu tür problemler, hidrolik pompa kapasitesinin artırılması ile çözülmeye çalışılmaktadır. Ancak bu çözüm yöntemi, sistem ağırlığında artış, enerji verimliliğinde azalma ve motor güç çekişinde artış gibi önemli dezavantajlar doğurmaktadır. Ayrıca bu yaklaşım, yalnızca kısa süreli yüksek güç taleplerini karşılamak amacıyla tüm sistemin yeniden boyutlandırılmasını gerektirdiğinden, mühendislik açısından sürdürülebilir ve verimli bir çözüm değildir. Bu nedenle, sistem performansını artırmak amacıyla daha yenilikçi ve enerji etkin yaklaşımlara ihtiyaç duyulmaktadır. xxii Bu tez çalışmasında, söz konusu sınırlamaların aşılmasına yönelik olarak hidrolik takviye (booster) sistemi incelenmiştir. Hidrolik takviye sistemi, enerji üretimi ile enerji tüketiminin zaman açısından ayrıştırılması prensibine dayanmaktadır. Bu yaklaşımda sistem, düşük güç talebi olan zaman aralıklarında hidrolik enerjiyi depolamakta ve yüksek güç gereksinimi ortaya çıktığında bu enerjiyi hızlı bir şekilde sisteme geri vererek anlık güç ihtiyacını karşılamaktadır. Bu prensip, sistemin sürekli olarak yüksek kapasitede çalışmasını gerektirmeden, yalnızca ihtiyaç duyulan anlarda yüksek güç sağlanmasına olanak tanımaktadır. Hidrolik takviye sisteminin temel bileşeni olan akümülatör, bu enerji depolama ve geri verme sürecinde merkezi bir rol üstlenmektedir. Gaz sıkıştırma prensibine dayalı olarak çalışan akümülatörler, hidrolik enerjiyi basınç altında depolamakta ve gerektiğinde hızlı bir şekilde sisteme geri sağlamaktadır. Bu yapı sayesinde, ani debi ve basınç gereksinimlerinin karşılanması mümkün hale gelmekte ve sistem basıncında meydana gelen düşüşler önemli ölçüde azaltılmaktadır. Bunun sonucunda, aktüatör performansı iyileşmekte ve sistemin genel dinamik davranışı daha kararlı bir hale gelmektedir. Bunun yanında, hidrolik sistem parametrelerinin sistem davranışı üzerindeki etkisini incelemek amacıyla çeşitli parametrik değerlendirme çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Akümülatör hacmi, akümülatör basınç seviyesi, sistem debisi ve farklı tüketici yüklerinin sistem performansı üzerindeki etkileri geçici çalışma koşulları altında analiz edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, akümülatör kapasitesi ve sistem debisinin artırılmasının genel olarak basınç kararlılığı ve dinamik sistem tepkisini iyileştirdiğini göstermektedir. Ayrıca, hidrolik takviye sisteminin yüksek tüketici yükleri altında sisteme ek destek sağlayarak basınç düşüşlerini azalttığı gözlemlenmiştir. Bununla birlikte, belirli parametre seviyelerinden sonra performans iyileşmesinin sınırlı kaldığı görülmüş ve dengeli sistem tasarımının önemi ortaya konulmuştur. Bu çalışma kapsamında, hidrolik takviye sisteminin davranışı yığılmış parametreli modelleme (LPM) yaklaşımı kullanılarak matematiksel olarak modellenmiştir. Bu yaklaşımda sistem, birbirine bağlı kontrol hacimleri ve akış elemanları olarak temsil edilmekte ve her bir bileşenin davranışı temel fiziksel denklemler aracılığıyla ifade edilmektedir. Bu kapsamda, akışkan sürekliliği denklemi ile sistem içerisindeki kütle korunumu sağlanırken, orifis akış denklemleri valf ve daralma bölgelerindeki debi davranışını tanımlamaktadır. Aktüatör kuvvet dengesi, hidrolik basıncın mekanik kuvvete dönüşümünü ifade ederken, akışkan sıkıştırılabilirliği sistem basınç dinamiklerini belirleyen temel parametrelerden biri olarak modele dahil edilmiştir. LPM yaklaşımı, sistemin üç boyutlu akış detaylarını çözmek yerine, sistem seviyesinde baskın fiziksel davranışları yakalamayı hedefler. Bu sayede model, hesaplama açısından verimli hale gelirken, sistemin dinamik tepkileri hakkında anlamlı sonuçlar elde edilmesine olanak sağlamaktadır. Bu özellik, özellikle karmaşık hidrolik sistemlerin erken tasarım ve analiz aşamalarında LPM yaklaşımını tercih edilir kılmaktadır. Geliştirilen matematiksel model, Siemens AMESim simülasyon ortamı kullanılarak uygulanmıştır. AMESim, hidrolik, mekanik ve kontrol sistemlerinin birlikte modellenmesine olanak sağlayan çok disiplinli bir benzetim platformudur. Bu ortamda, sistem bileşenleri fiziksel alt modeller kullanılarak temsil edilmiş ve sistemin zamana bağlı davranışı sayısal olarak çözülmüştür. Simülasyon ortamı, farklı senaryolar altında sistem davranışının analiz edilmesine ve performans karşılaştırmalarının yapılmasına olanak sağlamaktadır. xxiii Modelleme sürecinde, sistemin karmaşıklığını azaltmak ve hesaplama verimliliğini artırmak amacıyla çeşitli sadeleştirmeler yapılmıştır. Isıl etkiler ihmal edilmiş, akışkan özellikleri sabit kabul edilmiş ve detaylı üç boyutlu akış etkileri modele dahil edilmemiştir. Ayrıca bazı parametreler literatür verileri ve mühendislik kabulleri doğrultusunda belirlenmiştir. Bu nedenle elde edilen sonuçlar, kesin sayısal doğruluk yerine sistem davranışının genel eğilimlerini değerlendirmeye yöneliktir. Çalışma kapsamında, hidrolik takviye sisteminin performansını değerlendirmek amacıyla bir kıyaslama (benchmark) analizi gerçekleştirilmiştir. Bu analizde, takviyesiz (baseline) ve takviyeli (booster) sistem konfigürasyonları aynı çalışma koşulları altında incelenmiştir. Bu yaklaşım, gözlemlenen performans farklarının yalnızca takviye sisteminin etkisinden kaynaklandığını net bir şekilde ortaya koymaktadır. Simülasyon sonuçları, takviyeli sistemin dinamik performans açısından belirgin avantajlar sağladığını göstermektedir. Takviyeli sistemde, basınç daha hızlı yükselmekte ve sistem daha kararlı bir şekilde çalışmaktadır. Ayrıca, aktüatör tepki süresinin azaldığı ve gerekli kontrol girdisi kuvvetinin düştüğü gözlemlenmiştir. Bununla birlikte, ana hidrolik pompa üzerindeki anlık yükün azaldığı ve sistemin daha dengeli bir çalışma karakteristiği sergilediği görülmüştür. Bu sonuçlar, hidrolik takviye sistemlerinin geçici durum performansını iyileştirmede etkili bir çözüm sunduğunu ortaya koymaktadır. Elde edilen bulgular, literatürde raporlanan çalışmalarla genel eğilimler açısından uyum göstermektedir. Her ne kadar model bazı sadeleştirmeler içerse de, sistem davranışını temsil etme açısından yeterli doğruluk seviyesine sahiptir. Bu durum, geliştirilen modelin sistem seviyesinde analizler ve karşılaştırmalı çalışmalar için uygun bir araç olduğunu göstermektedir. Bu çalışma, uçak uçuş kontrol sistemleri bağlamında gerçekleştirilmiş olmakla birlikte, önerilen modelleme yaklaşımı farklı platformlara da uygulanabilir niteliktedir. Hidrolik takviye sistemleri; sabit kanatlı uçaklar, helikopterler, insansız hava araçları ve yüksek güç gerektiren endüstriyel sistemler gibi farklı uygulama alanlarında da benzer performans iyileştirmeleri sağlayabilir. Sonuç olarak, bu tez çalışması hidrolik takviye sistemlerinin uçak hidrolik güç sistemlerindeki rolünü kapsamlı bir şekilde incelemekte ve bu sistemlerin dinamik performans üzerindeki etkilerini ortaya koymaktadır. Geliştirilen modelleme ve benzetim yaklaşımı, hem akademik çalışmalar hem de mühendislik uygulamaları için değerli bir analiz aracı sunmaktadır. Ayrıca bu çalışma, gelecekte yapılacak daha detaylı modelleme çalışmaları, parametre optimizasyonu ve deneysel doğrulama süreçleri için sağlam bir temel oluşturmaktadır.

Özet (Çeviri)

Aircraft hydraulic power systems (HPS) are widely employed in modern aircraft to generate, transmit, and control the high-power levels required by flight control surfaces, landing gear mechanisms, braking systems, and other safety-critical subsystems. A typical aircraft HPS comprises a hydraulic power source—most commonly engine-driven or electrically driven pumps—together with fluid reservoirs, filters, pressure relief and check valves, accumulators, distribution lines, control valves, and hydraulic actuators. Operating as an integrated network, these components ensure reliable force transmission over a wide range of load cases and environmental conditions. Owing to their high power density, robustness, and operational maturity, hydraulic systems remain a fundamental element of both conventional and advanced aircraft architectures. Despite these advantages, aircraft HPS exhibit several inherent limitations that can affect overall system performance and controllability. Pressure losses within distribution lines, nonlinear valve flow characteristics, and delays in dynamic response may reduce system effectiveness, particularly under high aerodynamic loading. As flight speed and maneuvering demands increase, the forces acting on control surfaces rise significantly, resulting in increased pilot effort or higher actuator force requirements in non-assisted configurations. These effects become especially pronounced during demanding flight conditions, where rapid and precise control surface actuation is essential. To address such challenges, hydraulic booster systems are commonly integrated into flight control architectures to amplify input forces, improve dynamic response, and enhance system stability margins. This thesis focuses on the modeling and simulation of a hydraulic booster system as a functional subsystem of an aircraft HPS used in flight control applications. The booster system is examined in terms of its contribution to force amplification, pressure regulation, and overall dynamic performance. In order to enable focused analysis while maintaining physical relevance, the booster is isolated from the complete aircraft hydraulic network. This approach allows a simplified yet representative system model to be established, facilitating detailed investigation of booster behavior and its interaction with control inputs. A physics-based mathematical model of the hydraulic booster system is developed using lumped-parameter modeling (LPM) techniques. The governing equations describing fluid continuity, orifice flow, actuator force balance, and fluid compressibility are formulated based on fundamental fluid mechanics principles. The model is implemented in a one-dimensional system-level simulation environment, where appropriate simplifications are introduced to reduce complexity while preserving the dominant physical effects. Such simplifications enable efficient xx numerical simulation and support parametric studies without compromising the qualitative accuracy of system behavior. The developed simulation model is benchmarked against a reference study from the open literature to evaluate its structural consistency and dynamic response trends. Comparative analyses focus on pressure build-up characteristics, actuator response, flow rate from the system and force amplification behavior under comparable operating conditions. Preliminary simulation results indicate that the inclusion of a hydraulic booster system leads to improved pressure response and reduced required control input forces when compared to a non-boosted configuration. These trends are consistent with observations reported in the literature and highlight the potential of booster systems to enhance overall flight control effectiveness. Furthermore, several parametric evaluation studies are conducted to investigate the influence of key hydraulic system parameters on overall system behavior. The effects of accumulator volume, accumulator pressure level, system flow rate, and varying consumer loads are analyzed under transient operating conditions. The results show that increasing accumulator capacity and system flow rate generally improve pressure stability and dynamic response, while the hydraulic booster system provides additional support under higher consumer load conditions. These analyses also demonstrate that beyond certain parameter ranges, the improvement in system performance becomes limited, indicating diminishing returns and emphasizing the importance of balanced system design. Although the present study is primarily motivated by aircraft flight control applications, the proposed modeling approach and findings are not limited to fighter aircraft. The developed methodology is also applicable to other platforms, including fixed-wing transport aircraft, helicopters, unmanned aerial vehicles, and high-load industrial hydraulic systems, where force amplification and dynamic response are critical performance considerations. Future work will focus on further refinement of the simulation model, improved parameter identification, and extension of the analysis to a wider range of operating conditions. Additional studies may include control system integration, assessment of nonlinear effects, and correlation with experimental or higher-fidelity reference data to enhance the reliability and applicability of the proposed modeling framework.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    410006

    Su dağıtım şebekelerinde ek klorlama planlarının simülasyon optimizasyon modelleri kullanılarak belirlenmesi

    Determination of the booster chlorination plans in water distribution networks using simulation optimization models

    ŞERİFE GÖKÇE

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    İnşaat MühendisliğiPamukkale Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MUSTAFA TAMER AYVAZ

  2. Tez No

    338295

    Modeling, simulation and experimental verification of a hydraulic fan drive system

    Hidrolik tahrikli fan sisteminin modellenmesi, simülasyonu ve deneysel yöntemle doğrulanması

    ERSEN TORAMAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. RAİF TUNA BALKAN

  3. Tez No

    635030

    The modeling and simulation of a stewart platform using the labview environment

    Labvıew ortamı kullanılarak stewart platformun modellenmesi ve benzetimi

    YUNUS GENÇAY

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Bilgi Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AHMET DENKER

  4. Tez No

    116127

    Dynamic modeling and control of a stewart platform type motion simulator

    Stewart platformu biçimindeki bir hareket benzeticisinin dinamik modellenmesi ve kontrolü

    MEHMET ÖZDAĞLAR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2001

    Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. KEMAL ÖZGÖREN

    PROF. DR. TUNA BALKAN

  5. Tez No

    985015

    Aktif çamur modelleri (ASM) kullanılarak evsel nitelikli atıksulardan organik madde (KOİ ) ve azot gideriminin kesikli bir işletme ile matematiksel modelleme ve simülasyon ortamında değerlendirilmesi

    Evaluation of organic matter (COD) and nitrogen removal from domestic wastewater using activated sludge models (SAMS) in a mathematical modeling and simulation environment with a batch operation

    SALİH KURÇİN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Çevre MühendisliğiBursa Uludağ Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. AHMET UYGUR

Geri Dön