Geri Dön

Hava araçlarının yıldırımla etkileşimi

Aircraft – lightning interaction

PDF İndir

  1. Tez No: 921895
  2. Yazar: ORÇUN SAYANER
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ÖZCAN KALENDERLİ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 75

Özet

Yıldırım bulut ile yeryüzü arasında meydana gelen akım seviyesi 200 kA, gerilim seviyesi ise 100 MV'lara kadar çıkabilen hızlı bir yük boşalmasıdır. Aynı zamanda bulutlar arasında, bulutun kendi içinde de yıldırım oluşmaktadır. Yıldırım çarpmasına maruz kalan nesnelerde tehlike sonuçlar oluşabilmektedir. Seyir halindeki hava araçları da yıldırım darbesine maruz kalabilmektedir. Bu nedenle hava araçlarının uçuş güvenliği tehlike altına girebilmektedir. Günümüzde ağırlık ve dayanım konusundaki avantajları nedeniyle iletkenliği geleneksel metallere göre daha az olan karbon kompozit malzemelerin kullanımı yaygınlaşmaktadır. Bu durumda yıldırımın doğrudan ve dolaylı etkileri artmaktadır. Artan yıldırım etkilerine karşı HA yıldırım koruma seviyeleri artırılarak uçuş emniyet ve güvenilirliği sağlanmalıdır. Yıldırımın doğrudan etkileri genellikle HA yüzeyinde, iç yapıda ve metalik bağlantı noktalarında fiziksel hasarlar olabilmektedir. Bununla birlikte HA yapısalında kararma, yanma ve erime gibi fiziksel hasarlarda doğrudan etkilere örnek olarak gösterilebilmektedir. Dolaylı etkiler ise genellikle hava aracının uçuş kontrol sistemleri ve haberleşme sistemlerini içeren aviyonik sistemlerin hasar görmesine neden olabilmektedir. Bu durumda aviyonik sistemlerde işlev kaybı veya işlevin doğru şekilde yerine getirilememesi gibi durumlar oluşabilmektedir. Dolaylı etkilere karşı etkin bir koruma sağlamak amacıyla özenli bir ekranlama, topraklama ve aşırı gerilim bastırma donanımlarının kullanımı, yıldırımın dolaylı etkilerini azaltabilir. Böylelikle hava aracı uçuş emniyet ve güvenilirliğinin artırılabileceği değerlendirilmektedir. Bu çalışmada yıldırım darbesinin hava araçlarına etkileri üzerine çalışılmıştır. Yıldırımın hava aracı üzerinde oluşturduğu akım yoğunluğu ve manyetik alan dağılımlarını incelemek amacıyla ANSYS'de elektromanyetik bir model sunulmuştur. Uçak, yıldırım akımının uçağa giriş-çıkış noktaları ve uçak içerisinde farklı konumlarda 5 adet kablo modellenmiştir. Uçak içerisindeki kablolar alüminyum malzeme, uçağın yapısalı ise alüminyum ve titanyum olarak iki farklı malzeme ile tanımlanmıştır. ANSYS'de kurulan modele sınır koşulları uygulanarak, model sonlu elemanlar ağına bölünmüştür. Yıldırım akımı uyarması olarak SAE ARP 5412 ile belirtilen yıldırım akımı A bileşeni kullanılmıştır. A bileşeni akım uyarması 6.4 µs süre içerisinde 200 kA tepe değerine ulaşmakta ve 500 µs sürmektedir. Yıldırım akımının giriş ve çıkış noktaları için SAE ARP 5414B-2018 ile belirtilen yıldırım bölgeleri dikkate alınmıştır. Yıldırım bölgeleri uçak üzerindeki elektik alan dağılımına bağlı olarak belirlenmektedir. Hava aracı geometrileri benzer olmakla birlikte radom, kanat ucu ve kuyruk ucu gibi sivri bölgelerde elektrik alan yoğunluğu daha yüksek olmaktadır. Yıldırımın, alüminyum malzeme ile tanımlanmış uçağa farklı noktalardan girdiği ve çıktığı dört farklı senaryo için uçak üzerinde akım yoğunluğu dağılımı ve manyetik alan yoğunluğu dağılımı elde edilmiştir. İlk analiz çalışmasında yıldırım akımının, uçağa radom bölgesinden girdiği ve kuyruk bölgesinden çıktığı durumda akım yoğunluğu dağılımı, manyetik akı yoğunluğu dağılımları ve hava aracı içerisindeki kablolarda indüklenen gerilim seviyeleri incelenmiştir. İkinci analiz çalışmasında yıldırım akımının uçağa radom bölgesinden girdiği ve sağ kanat bölgesinden çıktığı durum için akım yoğunluğu, manyetik akı yoğunluğu ve kablolar üzerinde indüklenen gerilim seviyeleri hesaplanmıştır. Üçüncü analiz çalışmasında yıldırım akımının hava aracına sağ kanat bölgesinden girdiği ve sol kanat bölgesinden çıktığı durum için benzer parametreler hesaplanmıştır. Dördüncü analizde yıldırım akımının uçağa sağ kanat bölgesinden girdiği ve kuyruk bölgesinden çıktığı durum için akım yoğunluğu, manyetik akı yoğunluğu ve kablolar üzerinde indüklenen gerilim seviyeleri hesaplanmıştır. Yıldırım akımı yolu ile uçak üzerindeki manyetik akı yoğunluğu arasındaki ilişki incelenmiştir. Uçak yapısalı titanyum malzeme olarak tanımlanarak, alüminyum uçak için yapılan dört analiz çalışması tekrarlanmıştır. Titanyum uçak üzerinde yıldırımın farklı noktalardan girdiği ve çıktığı durumlar için akım yoğunluğu, manyetik akı yoğunluğu ve kablolar üzerinde indüklenen gerilim seviyeleri hesaplanmıştır. Uçak gövdesinde alüminyum ve titanyum malzeme kullanıldığı durumlarda yıldırımın dolaylı etkileri incelenmiş ve etkin yıldırım koruma sistemi için malzeme önerisi verilmiştir. Ek olarak yapılan kontrollü deney çalışması ile doğru akım geçen bir kablonun etrafında oluşturduğu manyetik akı yoğunluğunun ölçümü yapılmıştır. Ölçüm alınan anten ile kablo arasındaki mesafe değiştirilerek, uzaklık ile manyetik akı yoğunluğu arasındaki ilişki gözlemlenmiştir.

Özet (Çeviri)

Lightning represents a rapid and intense discharge of electrical energy characterized by extraordinarily high current levels, reaching up to 200 kiloamperes (kA) and accompanied by formidable voltage levels as high as 100 megavolts (MV). This natural atmospheric phenomenon can manifest not only as cloud-to-ground discharges but also as discharges occurring between clouds or within an individual cloud itself. Objects that are exposed to these powerful electrical discharges may face severe and potentially hazardous consequences, owing to the intense electromagnetic forces involved. Among the various objects susceptible to the impacts of lightning strikes, aircraft in flight are notably vulnerable. This susceptibility arises due to the elevated altitude of aircraft operations, often placing them in environments where lightning activity is prevalent. Consequently, the occurrence of lightning strikes poses significant potential risks to aircraft flight safety. Such risks underscore the critical need for comprehensive evaluation and mitigation strategies to ensure the safety and structural integrity of aircraft in the presence of lightning-related phenomena. This study focuses on the effects of lightning strikes on aircraft. Nowadays, the use of carbon composite materials, which have lower conductivity compared to traditional metals, is becoming increasingly common due to their advantages in terms of weight and strength. As a result, the direct and indirect effects of lightning are increasing. To counter these heightened effects, the levels of lightning protection in aircraft must be improved to ensure reliable flight safety. The direct effects of lightning typically include physical damage to the aircraft's surface, internal structure, and metallic connection points. Examples of direct effects include darkening, burning, and melting of the aircraft's structure. Indirect effects, on the other hand, generally affect the avionics systems, which include the aircraft's flight control and communication systems. This can result in a loss of function or incorrect operation of these systems. To mitigate indirect effects, effective shielding, grounding, and surge suppression equipment must be used to reduce the impact of lightning. This can ultimately enhance the safety and reliability of aircraft operations. In order to comprehensively analyze the electromagnetic effects of lightning strikes on aircraft, a sophisticated electromagnetic model was meticulously developed using the advanced computational capabilities of ANSYS software. The primary aim of this modeling effort was to accurately determine the distribution of current density and the associated magnetic field induced by a lightning strike impacting the aircraft. The model encompassed several critical components, including the aircraft itself, the designated entry and exit points for the lightning current, and an internal cable situated within the aircraft's structure. The aircraft, the cable, and the entry and exit points were meticulously defined utilizing aluminum material properties to ensure the model accurately reflected real-world conditions. This choice reflects aluminum's prevalent use in aircraft construction due to its favorable characteristics of lightweight and conductivity. The next phase of the modeling process involved the rigorous application of appropriate boundary conditions within the ANSYS environment. These conditions are crucial for simulating the interaction of the aircraft structure with the electromagnetic forces generated by the lightning strike, ensuring realistic and reliable simulation outputs. Furthermore, the complexity of the aircraft geometry necessitated the subdivision of the model into a finite element mesh. This mesh discretization process is essential for the finite element analysis, enabling the precise calculation of electromagnetic variables at each discrete point within the modeled space. By leveraging this meshed framework, the model can provide detailed insight into how current density and magnetic field distributions vary throughout the aircraft structure when subjected to the severe transient conditions introduced by a lightning strike. Through this sophisticated modeling approach, researchers are equipped with valuable data that contributes to a deeper understanding of lightning interactions with aircraft, ultimately guiding the development of more effective lightning protection strategies and enhancing the safety and reliability of aviation operations. The A component of the lightning current stimulus, as specified in SAE ARP 5412, was used. The A component reaches a peak current of 200 kA in 6.4 µs and lasts for 500 µs. For the entry and exit points of the lightning current, the lightning zones specified in SAE ARP 5414B-2018 were considered. Lightning zones are determined based on the electric field distribution over the aircraft. While aircraft geometries are similar, electric field intensity is higher in sharp regions such as the radome, wingtip, and tail tip. The analytical investigation facilitated the derivation of both current density distribution and magnetic flux density distribution across the aircraft structure under four distinct scenarios. These scenarios were characterized by varying entry and exit points for lightning strikes, with the aircraft's structural composition defined through the use of aluminum material. This choice reflects the material's conventional application in aerospace industries due to its favorable mechanical and conductive properties. Specifically, in the initial scenario of the analysis, the lightning current was postulated to penetrate the aircraft via the radome section, subsequently departing through the tail section. This particular configuration was strategically selected to assess the electromagnetic impact along the longitudinal axis of the aircraft, encompassing its most extended path. For this scenario, a detailed examination was conducted, focusing on several critical electromagnetic parameters, namely the current density distribution and the magnetic flux density distribution. Additionally, the analysis extended to the evaluation of induced voltage levels within the aircraft's internal wiring systems. In the second analysis, the lightning current entered from the radome section and exited from the right-wing section. Current density, magnetic flux density, and induced voltage levels on the cables were calculated for this case. The third analysis considered a scenario where the lightning current entered the aircraft from the right wing and exited from the left wing, and similar parameters were evaluated. In the fourth analysis, the lightning current entered from the right wing and exited from the tail section, with current density, magnetic flux density, and induced voltage levels being assessed. The relationship between the lightning current path and the magnetic flux density on the aircraft was investigated. The same four analyses were repeated with the aircraft structure defined using titanium material. For scenarios where lightning entered and exited the titanium aircraft at different points, current density, magnetic flux density, and induced voltage levels in the cables were calculated. The indirect effects of lightning were compared for aluminium and titanium materials used in the aircraft structure. Based on these analyses, material recommendations were provided for an effective lightning protection system. In addition, measurements of the magnetic flux density generated around a cable carrying direct current were conducted. By altering the distance between the measurement antenna and the cable, the relationship between this distance and the magnetic flux density was observed.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    825909

    Numerical investigation of rotorcraft pressure error correction by utilization of air dams

    Dönerkanatlı hava araçlarının basınç ölçüm hatalarının düzeltilmesi için hava bentleri kullanımının nümerik olarak incelenmesi

    AHMET OĞULCAN SEZER

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Havacılık MühendisliğiAnkara Yıldırım Beyazıt Üniversitesi

    Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MUNİR ELFARRA

  2. Tez No

    633785

    Experimental investigation of a single spanwise vortex gust impinging on a rectangular wing

    Açıklık boyunca uzanan tekil bir girdap sağanağın dikdörtgen platforma sahip kanat ile etkileşiminin deneysel incelenmesi

    KADER ENGİN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NURİYE LEMAN OKŞAN ÇETİNER YILDIRIM

  3. Tez No

    672856

    Experimental investigation of leading edge suction parameter on massively separated flow

    Hücum kenarı emme parametresinin sıddetlı ayrık akışta deneysel incelenmesi

    EGEMEN AYDIN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NURİYE LEMAN OKŞAN ÇETİNER YILDIRIM

  4. Tez No

    597773

    Increasing air traffic control (ATC) efficiency with integrated human machine interface

    İnsan ve makine etkileşimi ile hava trafik kontrol verimliliğini artırmak

    BÜŞRA TUZLUPINAR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolAnkara Yıldırım Beyazıt Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BAHA ŞEN

  5. Tez No

    310591

    Experimental investigation of flow structures around a plunging wing - fixed tail couple in steady flow

    Serbest akıma dik doğrultuda salınım yapan kanat - sabit kuyruk çiftinin etrafındaki akım yapısının deneysel olarak incelenmesi

    CEYHUN TOLA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. N. L. OKŞAN ÇETİNER YILDIRIM

    PROF. DR. M. FEVZİ ÜNAL

Geri Dön