Conceptual design of unmanned aerial vehicle
İnsansız hava aracı kavramsal tasarımı
- Tez No: 705480
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ HAYRİ ACAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Savunma ve Savunma Teknolojileri, Uçak Mühendisliği, Defense and Defense Technologies, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 83
Özet
İnsansız hava araçları gün geçtikçe daha popüler hale gelmektedir. İnsansız hava araçları kullanıldıkları farklı alanlarda sağladığı faydalar nedeniyle yeni alanlarda da kullanılmak üzere tercih edilmektedir. Gösteri dünyası, pazarlama, tarım, kargo, sağlık, acil yardım ve haberleşme, haritacılık ve yangına müdahale gibi alanlarda büyük fayda sağlayan İHA'lar aynı zamanda hedef belirleme ve yem olarak, keşif ve gözetleme amaçlı çatışmalarda ve yüksek riskli görevlerde de kullanılmaktadır. İnsansız teknolojilerin kullanımının yaygınlaşmasının sebebi gelişen teknolojinin sağladığı imkânla birlikte bazı maliyetli ya da sorunlu kalemleri aşabilmenin getirisi bulunmaktadır. İnsansız uçakların otonom ya da bir yer istasyonu aracılığıyla kontrol edilebiliyor olması insanlı uçakların idamesi için gerekli yaşamsal sistemler ve kokpit için gerekli yer ve mürettebatın getirdiği ağırlık yükü gibi maliyet nedenleri, insanlı uçakların manevra ve operasyon kabiliyetinin yorgunluk, çalışma saati, G kuvveti gibi insan kabiliyetleriyle sınırlanmasına benzer operasyonel kabiliyetle ilgili zaafiyetler, düşman tarafından fark edilme ya da vurulabilme olasılığının düşük olması gibi sebepler İHA'ları daha tercih edilebilir kılmaktadır. Daha da önemlisi, insansız hava araçlarının zayiat maliyetidir. Tüm dünya ordularında yetiştirilmesi en maliyetli personel gruplarından birisi pilotlardır. Bir pilotun yetişmesi çok büyük maliyetlere karşılık gelir. Bu sebeple hava aracıyla zayiatıyla birlikte yetişmiş personelin de zayi olması ordular için hem maddi hem de kabiliyet olarak büyük kayıptır. İnsansız Hava Araçları, zayiat maliyetinin düşük olması açısından da orduları cezbetmektedir. İHA'lar tarihte birçok kez düşman hava savunma unsurlarının oyalanmasında, asıl taarruz unsurlarının ateş hattını geçebilmesi için yem olarak kullanılmasında çok büyük rol oynamışlardır. Kamikaze insansız hava aracı mühimmatın hedef alanın etrafında uzun süre dolandığı bir silah sistemi kategorisidir. Bir süre hedef arar ve bir hedef bulunduğunda saldırır. Kamikaze insansız hava araçları, hava savunma sistemleri gibi yüksek değerli platformları hedef alarak, hedefe yakın bölgelerden kısa sürelerde ortaya çıkar. Gizli hedeflere karşı daha hızlı tepki süreleri sağlar ve ayrıca gerçek saldırı görevi iptal edilebileceği için daha seçici hedeflemeye izin verir. Kamikaze insansız hava aracı, seyir füzeleri ile insansız savaş hava araçları arasında bir köprü görevi görür ve her ikisiyle de aynı özellikleri paylaşır. Seyir füzelerine göre, hedeflediği alan çevresinde nispeten uzun bir süre oyalanmak üzere tasarlanmaları ve silahlı insansız hava araçlarına göre, kamikaze insansız hava aracının bir saldırıda harcanmak üzere tasarlanması ve yerleşik bir savaş başlığına sahip olması bakımından farklıdırlar. Bu tezde, kamikaze insansız hava aracı, askeri operasyonlara katılmak, keşif ve imha görevlerini gerçekleştirmek için kavramsal olarak tasarlanmıştır. Kavramsal olarak tasarlanan kamikaze insansız hava aracı sistemi belirli bir ara nokta verildiğinde, hareketli veya sabit bir hedefi tespit edebilmesi ve hedefe kitlenerek yok edebilmesi amaçlanmaktadır. Hedef tespit edilememe veya planın değişmesi durumlarında, sistemin kurtarma kabiliyeti, ana kampına dönmesini, paraşüt ve hava yastığı kullanarak güvenli bir şekilde inmesini sağlamayı amaçlamaktadır. Mancınıktan fırlatılacak insansız hava aracının, gündüz ve gece kanallarına sahip çoklu sensörlü bir kamera taşıması planlanırken görev süresi boyunca havada kalmasını sağlayacak itki sistemi ve aerodinamik özelliklere sahip olması beklenmektedir. İHA navigasyon sisteminin, küçük ve kişisel bir GPS kullanarak çalışan basit bir tasarıma sahip olması amaçlanmıştır. İHA'nın, son derece taşınabilir özelliğe sahip tasarlanması istenmektedir. Böylelikle hız gerektiren ve tehlike içeren gizli operasyonlar, savunma hem de sınır güvenliği görevleri için ideal olması hedeflenmektedir. Kavramsal tasarım, istenilen görev profiline göre aşamalar halinde gerçekleştirildi. Yöntem kısmı beş aşamadan oluşturuldu. İlk aşamada istenilen görev profiline benzer kamikaze insansız hava araçları araştırılarak sahip olduukları tasarım ve performans özelliklerinin ortalamaları elde edildi. İkinci aşamada, tasarlanacak insansız hava aracının görev profili çizilerek ilk ağırlık hesaplaması yapıldı. Üçüncü aşamada, uygun kanat profili için analizler gerçekleştirildi. Dördüncü aşamada, insansız hava aracının en-boy oranı, dihedral, insidans vb. gibi kanat dizayn parametreleri belirlendi. Yatay ve dikey kuyruk tasarlandı. Gövde içi yerleşim kararlaştırıldı ve tasarlandı. Ağırlık dengesi ve ağırlık tekrar hesaplandı. Tüm tasarımlardan sonra ağırlık dengesi belirlendi ve tüm parçalar birleştirildi. İnsanız hava aracının bütün hali biligisayr destekli çizim programı kullanılarak 3 boyutlu olarak çizildi. Beşinci aşamada, basınçlı hava tankı çalışma prensibi gösterildi. Sonuçlar ve analizler kısmı iki aşamadan oluşmuştur. İlk aşamada, tasarlanan insansız hava aracının istenilen tüm performans parametreleri (durma hızı, maksimum hız, maksimum irtifa, menzil, güç, vb.) hesaplandı. İkinci aşamada ise tasarlanılan insansız hava aracının manevra kabiliyetleri incelendi. Hız-yük faktörü grafiği çizildi. Tüm bu aşamalar gerçekleştirilirken analiz, kod ve sayısal yineleme aşamalarında SOLIDWORKS, XFOIL, XFLR5, MATLAB, EXCEL gibi bilgisayar uygulamalarından yararlanıldı. Sayısal yinelemelerin sonucu dış tasarımı elde edilen kamikaze insansız hava aracının performans parametreleri hesaplamaları için, alışılagelmiş itki sistemlerinin dışında gücü basınçlı havadan alan bir basınçlı hava tankı kullanıldı. Tasarımı gereği planör prensibinden de yararlanacak olan İHA'nın eksen hareketlerini de basınçlı hava ile yapması beklenmektedir. Sonuç olarak, herhangi bir hareketli parçaya sahip olmayan insansız hava aracının, görev profilinde kendini yok etmesi de göz önüne alınarak maliyeti ucuz bir tasarım olması hedeflenmektedir. Tüm bu özgün tasarımla birlikte daha çevreci ve daha ucuz yakıt kullanılması amaçlanmaktadır. Bu tezde yukarıda bahsedilen özgün tasarım konusu kısaca ele alındı. Tez sonuçlandığında, çalışmanın başında istenen gereksinimlerin başarıyla sağlandığı gözlemlendi. Görev süresi, menzil, maksimum irtifa, maksimum hız, durma hızı, ağırlık değerlerinde istenilen sonuçlar elde edildi. Kağıt üzerinde ve bilgisayar programlarında sayısal hesaplamalarda herhangi bir sorunla karşılaşılmadı. İstenilen ihtiyaçlara uygun bir kamikaze insansız hava aracı kavramsal tasarımı elde edildi. Bir sonraki aşamada, orijinal üretimin test uçuşlarının yapılması tavsiye edilmektedir. İtki sisteminde elde edilen başarı oranına göre basınçlı hava tankı kullanımının yaygınlaşması amaçlanmaktadır.
Özet (Çeviri)
Unmanned aerial vehicles are becoming more and more popular day by day. Unmanned aerial vehicles are preferred to be used in new areas due to the benefits they provide in different areas where they are used. UAVs, which provide great benefits in fields such as show business, marketing, agriculture, cargo, health, emergency aid and communication, cartography and fire response, are also used as target determination and bait, in conflicts for reconnaissance and surveillance and in high-risk missions. The reason for the widespread use of unmanned technologies is the possibility of overcoming some costly or problematic items with the opportunity provided by the developing technology. Cost reasons such as the fact that unmanned aircraft can be controlled autonomously or through a ground station, vital systems necessary for the maintenance of manned aircraft, and the weight of the ground and crew required for the cockpit, limit the maneuver and operation capability of manned aircraft to human capabilities such as fatigue, working hours, and G force. Weaknesses related to similar operational capabilities and low probability of being noticed or hit by the enemy make UAV's more preferable. Even more important is the casualty cost of drones. Pilots are one of the most expensive personnel groups to train in armies all over the world. Training a pilot comes at huge costs. For this reason, the loss of trained personnel along with the casualties in the aircraft is a great loss for the armies both in terms of material and capability. Unmanned Aerial Vehicles also attract armies in terms of low cost of casualties. UAV's have played a great role in delaying the enemy air defense elements many times in history and using them as bait so that the main attack elements can cross the line of fire. Loitering munition is a category of weapon system in which ammunition travels around the target area for an extended period of time. It searches for a target for a while and attacks when a target is found. Kamikaze emerges from areas close to the target in a short time by targeting high-value platforms such as unmanned aerial vehicles and air defense systems. It provides faster response times against stealth targets and also allows for more selective targeting as the actual attack mission can be cancelled. The loitering munition acts as a bridge between cruise missiles and unmanned combat aircraft and shares the same characteristics with both. They differ from cruise missiles in that they are designed to linger around the targeted area for a relatively long time, and from armed drones, the loitering munition is designed to be spent in an attack and has a built-in warhead. In this thesis, the loitering munition is conceptually designed to participate in military operations and perform reconnaissance and destruction missions. The conceptually designed loitering munition system is intended to be able to detect a moving or fixed target and destroy it by locking it when a certain waypoint is given. In the event of no target detection or a change of plan, the system's recovery capability is aimed at ensuring its return to base camp and landing safely using parachutes and airbags. The unmanned aerial vehicle to be launched from the catapult is planned to carry a multi-sensor camera with day and night channels, while it is expected to have a propulsion system and aerodynamic features that will allow it to stay in the air throughout its mission. The UAV navigation system is intended to have a simple design that works using a small and personal GPS. It is desired that the UAV be designed with an extremely portable feature. Thus, it is aimed to be ideal for covert operations that require speed and danger, as well as for defense and border security tasks. Conceptual design was carried out in stages according to the desired task profile. The method part consisted of five stages. In the first stage, loitering munition similar to the desired mission profile were researched and the averages of their design and performance characteristics were obtained. In the second stage, the first weight calculation was made by drawing the mission profile of the unmanned aerial vehicle to be designed. In the third stage, analyzes were performed for the appropriate airfoil. In the fourth stage, the loitering munition 's aspect ratio, dihedral, incidence, etc. Wing design parameters such as horizontal and vertical tails were designed. The interior layout was decided and designed. Weight balance and weight were recalculated. After all designs, the weight balance was determined and all the parts were assembled. The entire state of the loitering munition was drawn in 3D using a computer aided drawing program. In the fifth stage, the working principle of the compressed air tank was demonstrated. The results and analysis section consisted of two stages. In the first stage, all desired performance parameters (stall speed, maximum speed, maximum altitude, range, power, etc.) of the designed unmanned aerial vehicle were calculated. In the second stage, the maneuvering capabilities of the designed unmanned aerial vehicle were examined. Velocity-load factor graph was drawn. While performing all these stages, computer applications such as SOLIDWORKS, XFOIL, XFLR5, MATLAB, EXCEL were used in the analysis, code and numerical iteration stages. For the calculations of the performance parameters of the kamikaze unmanned aerial vehicle, the external design of which was obtained as a result of numerical iterations, a compressed air tank was used, which was powered by compressed air, apart from the conventional propulsion systems. UAV, which will also benefit from the glider principle due to its design, is expected to make its axis movements with compressed air. As a result, it is aimed to be a cost-effective design, taking into account the self-destruction of the unmanned aerial vehicle, which does not have any moving parts, in its mission profile. With all this original design, it is aimed to use more environmentally friendly and cheaper fuel. In this thesis, the above-mentioned original design issue was briefly discussed. When the thesis was concluded, it was observed that the requirements requested at the beginning of the study were successfully met. Desired results were obtained in terms of mission duration, range, maximum altitude, maximum speed, stopping speed and weight. No problems were encountered in numerical calculations on paper and in computer programs. The loitering munition conceptual design suitable for the desired needs was obtained. At the next stage, it is recommended to conduct test flights of the original production. According to the success rate achieved in the propulsion system, it is aimed to expand the use of compressed air tanks.
Benzer Tezler
- Kargo taşıma maksatlı insansız hava aracı kavramsal tasarımı ve kanat aerodinamiğinin incelenmesi
Conceptual design of unmanned aerial vehicle for cargo transportation and investigation of wing aerodynamics
ONUR PARLAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Havacılık ve Uzay MühendisliğiMilli Savunma ÜniversitesiHavacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ HAYRİ ACAR
- Kuşlardan esinlenmiş motorlu bir insansız planör konsept tasarımı
Conceptual design of a bird-inspired unmanned motoglider
GÖKSEL KESKİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Havacılık MühendisliğiEskişehir Osmangazi ÜniversitesiBiyoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMÜHAN POTOĞLU ERKARA
DOÇ. DR. MELİH CEMAL KUŞHAN
- Performans parametreleri iyileştirilmiş yeni insansız hava aracı (İHA) tasarımı
New unmanned aerial vehicle (UAV) design with improved performance parameters
İSMAİL ANIL ARDA
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Uçak MühendisliğiErciyes ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TUĞRUL OKTAY
- Katlanabilir kanatlara sahip bir insansız hava aracının tasarımı, üretimi ve testleri
Design, manufacturing and testing on unmanned air vehicle with foldable wings
İREM ÖZGÜR
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÖKHAN İNALHAN
- Formulation of control strategies for requirement definition of multi-agent surveillance systems
Başlık çevirisi yok
DERYA AKSARAY
Doktora
İngilizce
2014
Astronomi ve Uzay BilimleriGeorgia Institute of TechnologyProf. DIMITRI N. MAVRIS