Detailed design of a long endurance small unmanned aerial vehicle
Yüksek seyir süresine sahip küçük bir insansız hava aracının detay tasarımı
- Tez No: 878657
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ HAYRİ ACAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Uçak Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 153
Özet
İnsansız hava araçları basitçe düşünülenin aksine içinden mürettebat çıkarılmış ve yerine bilgisayar sistemi yerleştirilmiş bir uçak olmaktan ziyade bir sistemler bütünüdür. Uçak (Platform) bu sistemin ana öğesi alsa da sistemin yalnızca bir parçasıdır. Sistemin diğer parçaları basitçe şu şekilde sıralanabilir, faydalı yük, sistem operatörlerini barındıran bir kontrol istasyonu, kontrol girdilerini hava aracına ileten ve araçtan geri bildirim almayı münkün kılan iletişim sistemi, uçak kalkış ve iniş sistemileri, destek alt sistemleri, nakliye alt sistemi, vb. Bu çalışmanın amacı en kısa ifadesiyle yüksek seyir süresine sahip küçük bir insansız hava sisteminin gereksinim kümsesi göz önüne alınarak bu gereksinimleri karşılayacak tasarım çözümünün ortaya konmasıdır. Çalışmada ana gayret uçak alt sisteminin tasarımına verilmiş olsa da iniş kalkış sistemlerinin tasarımı ve bu tasarımların uçak üzerindeki etkilerine de yer verilmiştir. Ayrıca projenin geliştirme ve üretim maaliyetleri analiz edilerek birim satış fiyatı elde edilmiştir. Çalışmaya ilk olarak systemin gereksinim kümesi tanımlanarak başlanmıştır. Bu gereksinimleri karşılayacak görev çerçevesi ve safhaları ve dahi hangi safhanın önem arz ettiği ortaya konmuştur. Sonrasında gereksinimleri karşılayacak şekilde uygun görülen iniş ve kalkış sistemi belirlenmiştir. Iniş-kalkış sistemi uçağın kavramsal tasarımını etkileceyecek ek gereksinimler türettiğinden bunları da göz önüne alarak uçağın tahrik tipi ve tahrik teçhizatının uçak üzerindeki konumu belirlenmiştir. Tahrik teçhizatının konumunun olası faydalı yük konumlarının seçim kümesini daraltığı göz önüne alınarak faydalı yük konumu belirlenmiştir. Kanadın gövde üzerindeki konumu, yaklaşık geometrik biçimi; gereksinimler ve benzer insansız hava sistemleri göz önüne alınarak tespit edilmiştir. Kuyruk tespiti de kanat tespitinde izlenen yola uyularak yapılmıştır. Uçağın kavramsal tasarım süreci yukarıda bahsedilenler ışığında sonlandırılıp ortaya çıkan kavramsal tasarımın 3-görünüşü kabaca resmedilmiştir. Bu aşamadan sonra uçağın ön dizayn aşamasına başlanmıştır. Ön dizayn aşaması ilk ağırlık tahmini ile başlamaktadır. İlk ağırlık tahmini için gerekli ön değerler uçağın gereksinim kümesi, görev çerçevesi ve benzer uçak verilerinden gelmektedir. İlk ağırlık tahmini sonrası uçağın kalkış ağırlığı, boş ağırlığı ve yakıt ağırlığı elde edilmiştir. Sonrasında uçağın gereksinimlerini karşılayacak performans girdilerinin meydana getirdiği“kısıt şeması”çizdirilmiş ve tasarım noktası tespit edilmiştir. Bu şema ile elde edilen kanat yüklemesi ve güç yüklemesi oranları ve bir önceki kısımda hesaplanan kalkış ağırlığı yardımıyla uçağın kanat alanı ve güç gereksinimi hesaplanmıştır. İlerleyen kısımlarda uçağın alt parçalarına dair tasarımlara başlanmıştır. Öncelikle kanat sonrasında kuyruk boyutlandırılmıştır. Kanat ve kuyruk için uygun kanat profili adayları belirlenip bu adaylar arasında bir karşılaştırma yapılarak uygun profil xxx belirlenmiştir. Geometrilerin belirlenmesinde benzer uçak verilerinden faydalanarak insansız hava sisteminin performans ve görev kriterlerini karşılamasına dikkat edilmiştir. Gövde boyutlandırmasında kritik olan alt sistemlerin boyutlarını belirlemek esas teşkil ettiğinden öncelikle tahrik sistemi için motor ve faydalı yük seçimi yapılmıştır. Gövde dört ana kısma ayrılmak suretiyle boyutlandırılmıştır: faydalı yük modülü, aviyonik modülü, yakıt modülü, ve motor bloğu. Bu şekilde ana komponentlerin boyutlandırması tamamlanmış olup sonraki safha olan ağırlık analizi safhasına geçilmiştir. Ağırlık analizi için uçağın ağırlık kalemlerinin tespit edilmesi gereklidir. Bu iki şekilde yapılmıştır. İlki benzer uçakların ağırlık kesirleri kullanılmak suretiyle parçaların ağırlıkları tahmin edilmiştir. İkinci olarak da her parça için oluşturulmuş istatistiki verilere dayanan denkem kümeleri kullanılarak ağırlık tahmini yapılmıştır. Bu iki yöntem beraber ele alınarak uçağın ağırlık kalemleri elde edilmiştir. Bu aşamadan sonra kütle merkezinin tespitine girişilmiştir. Bunun için öncelikle her bir parçanın ağırlık merkezinin tayin edilmesi gerekir. Bu işlem için uçakların tipik kütle merkezi verilerinden yardım alınmıştır. Uçağın farklı yükleme durumları göz önünde bulundurularak uçağın kütle merkezinin gezinti zarfı çizdirilmiştir. Bu zarfın uçak tipi için ön görülen sınırlar içerisinde olmasını sağlayacak şekilde uçak sistemlerinin konumları ile oynanmıştır. Sonrasında uçağın eylemsizlik momenti bileşenleri elde edilmiştir. Ağırlık merkezi konumundan tatmin olunaraktan uçağın denge ve kontrol analizlerine geçilmiştir. Bu çalışmada Denge ve kontrol analizleri sadece boylamsal denge için gerçekleştirilmiştir. Boylamsal denge için gereken aerodinamik hesaplamalar ilerleyen kısımlarda gerçekleştirilmiştir. Uçağın aerodinamik karakterine dair hesaplamlar 4 kısımda gerçekleştirmiştir. Bunlar, Taşıma Analizi (Lift Analysis), Sürükleme Analizi (Drag Analysis), Yunuslama Momenti Analizi (Pitching Moment Analysis), ve Türevler (Derivatives). Bu kısımlardaki aerodinamik hesaplamalar ve modeler ihitiyaç halinde daha da genişletilip detaylandırılabilir fakat güncel şekli çalışmanın ihtiyaçlarını görmektedir. Bu kısımın tamamlanmasıyla beraber Ön Dizayn aşaması tamamlanmş kabul edilir ve tezin sonraki kısımlarına geçilir. İnsansız hava sisteminin kalkış safhası mancınık yardımıyla gerçekleştirilecektir. Sistemin gereksinimleri, uçağın boyutu ve kalkış hızı isteri göz önüne alınarak uygun bir fırlatma sistemi (mancınık) seçilmiştir. Sonrasında mancınığın boyutları da göz önüne alınarak kalkış seneryoları ve kalkış performansı analiz edilmiştir. Uçağın fırlatmadan sonra irtifa kaybetmemesi şart koşularak asgari kalkış hızı hesaplanmıştır. İleriki kısımlarda bu kalkış hızı göz önüne alınarak uçağa kalkış esnasında uygulanacak kuvvetler hesaplanmıştır. Geri dönüş safhası insansız hava sistemini diğer insansız hava sistemlerinden ayırıan en büyük farklılıktır. Dikey Kablolu Yakalama Sistemi (Vertical Rope Arresting System) adı verilen bir sistem yardımıyla geri dönüş safhasının gerçekleştirilmesi sağlanacaktır. Bu systemin yakalama esnasında uçağa uygulayacağı ve uçağın da yakalama sistemine uygulayacağı yükün belirlenmesi elzemdir. Bu tez kapsamında geri dönüş safhasını konu alan bir modelleme çalışması yapılmamıştır fakat benzer çalışmalar göz önüne alınarak ve bunların sonuçları yorumlanarak çıktılar elde edilmiştir. Bu çıktılar kısaca, yakalama sonrası uçağın kütle merkezinin durgun xxxi haldeki kablo ekseni etrafında izledği yörüngenin azami yarıçapı ve yakalama esnasında uçağa 3 eksende etki eden kuvvetlerin G, yerçekimi ivmesinin katı cinsinden ifadesinin elde edilmesidir. Bunlar ışığında uçağa etki eden geri dönüş yükleri elde edilmiş olup ayrıca yakalama sistemi için de önemli olan tasarım kriterleri vurgulanmıştır. Uçağa inişte kalkışta ve uçarken etkiyecek yükler en basit şekliyle listelenmiştir. İniş yükleri yukarıda bahsedildiği şekliyle elde edilmiştir. Kalkış yükleri ise fırlatıcı boyutları ve asgari kalkış hızı göz önüne alınırak sabit ivmeli hareket denklermleri yardımıyla hesaplanmıştır. Uçuş yükleri ise v-N diagramı çizdirilerek elde edilmiştir. Bu yüklere göz önüne alınarak uçağın ön yapısal boyutlandırmasına başlanılabilir fakat bu tez kabsamında içeriği daha da fazla şişirmemek için yapısal boyutlandırma ve yapısal tasarım kısımlarına değinilmemiştir. Son olarak projenin maaliyet analizi gerçekleştirilmiştir. Bu analizler sonucunda projenin geliştirme maaliyeti, değişken maaliyet, asgari satış fiyatı gibi değerler elde edilmek suretiyle bu tarz bir projeye başlamak isteyen kurum ve ya yatırımcıya öngörü sağlanmıştır.
Özet (Çeviri)
Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) are finding applications in various fields both in our country and around the world, driven by steadily increasing demand. The applications of UAVs span diverse sectors, including agriculture, surveillance, environmental monitoring, disaster response, and delivery services. In agriculture, UAVs equipped with multispectral cameras contribute to precision farming by providing real-time data for crop health assessment. In surveillance and security, UAVs play a pivotal role in monitoring large areas and critical infrastructure. Moreover, UAVs have proven invaluable in disaster response scenarios, offering rapid and efficient aerial assessments of affected areas. Hence, this study presents an overview of our ongoing study focused on the design and development of a small Unmanned Aerial Vehicle (UAV) tailored for low altitude, long endurance Intelligence, Surveillance, Reconnaissance (ISR) missions. The project aims to address current gaps in UAV technology in Turkey for efficient and sustainable ISR operations. One of the key features of the UAV design is its independence from traditional runways for takeoff and landing. It integrates a catapult-assisted takeoff system, which allows for rapid deployment from confined spaces. For recovery, the UAV is designed to be captured using a hook system. This capability significantly enhances the UAV's operational flexibility, allowing it to be deployed and retrieved in diverse environments, including remote or rugged terrains and also on ship decks. Although the main effort of the study focuses on the design of the UAV platform, requirements for launch and recovery are determined, and the load created in these phases is calculated to determine the structural requirements of the airframe. Since the recovery system mentioned in the study is a little-known system, it is aimed to increase interest in this and similar systems by emphasizing the advantages of this system. In addition, the development cost, fixed cost and variable costs of the project are revealed and it is shown how much the UAV system mentioned in the study will cost to the investor or institution that wants to realize this project.
Benzer Tezler
- Investigation of fatigue crack behavior on near threshold region of AISI 4340 steels for different heat treatment conditions
Farklı ısıl işlem koşullarında AISI 4340 çeliklerin yorgunluk çatlak davranışının eşiğe yakın bölgede incelenmesi
SALİM ÇALIŞKAN
Doktora
İngilizce
2023
Metalurji MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RIZA GÜRBÜZ
- Kıyı yanaşma yapılarının tasarımı, onarım ve güçlendirilmesi
Design, repair and strengtening of a shore docking structure
EZGİ TOPSOY
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TURGUT ÖZTÜRK
- Bürolarda çalışma ünitelerinin yeni teknolojilere adaptasyonu için bir yaklaşım
Başlık çevirisi yok
BANU BİNAT
Yüksek Lisans
Türkçe
1996
Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİGAN BAYAZIT
- Küçük ölçekli inşaat şantiyelerinde yüksekte çalışanların iş sağlığı ve güvenliğinin demografik özellikleri ve iş deneyimleri açısından değerlendirilmesi
Evaluation of occupational health and longevity of workers at height in small entrance construction sites from the perspective of demographic characteristics and work lives
HARUN GÖZÜKATI
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Sağlık EğitimiArtvin Çoruh Üniversitesiİş Sağlığı ve Güvenliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ KAZIM ONUR DEMİRARSLAN