Span morphing rotorcrafts: Performance analysis and mechanism selection
Döner kanatlarda değişken pal açıklığı: performans analizi ve mekanizma seçimi
- Tez No: 953859
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ÖZGE ÖZDEMİR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Uçak Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak Mühendisligi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 95
Özet
Havacılık sektörü, sürekli olarak gelişmekte olan ve daha verimli hava araçları üretmeyi hedefleyen bir sektördür. Günümüzde farklı görevleri yerine getirebilen çok çeşitli hava araçları kullanılmaktadır. Bu doğrultuda hem sabit kanatlı hem de döner kanatlı sistemlerde tek bir hava aracının farklı uçuş koşullarında yüksek performans ve verimlilikle çalışması önemli bir hedef haline gelmiştir. Bu gereksinimleri karşılayabilmek adına şekil değiştirebilen, morphing, yapıların kullanımı giderek daha da yaygınlaşmaktadır. Morphing, yani şekil değiştirebilen yapılar, uçuş sırasında hava aracının aerodinamik yüzeylerinin şekil değiştirmesine olanak sağlayan sistemlerdir. Bu değişiklikler, kanat açıklığı, veter uzunluğu, burulma açısı, dihedral açısı ve kamburluk oranı gibi çeşitli aerodinamik parametreleri kapsayabilir. Böylece, hava araçları değişen uçuş koşullarına uyum sağlayarak performans, verimlilik ve kontrol kabiliyeti açısından önemli avantajlar kazanır. Geleneksel hava araçlarında kullanılan kontrol sistemleri, flapler ve slatlar, morphing yapıların temel mantığını anlamada yol göstericidirler. Örnek olarak, uçaklarda kullanılan flap sistemleri genellikle iniş ve kalkış gibi düşük hız koşullarında kanatların kamburluğunu artırarak yüzey alanını genişletir ve kanatlardaki taşımanın artmasını sağlar. Ancak flaplar uçak kanadına dış bir mekanizma yardımıyla eklenen ayrı bir parça olduğu için kanat yüzeyinde süreksizliklere neden olur. Bu durum seyir uçuşu gibi yüksek hızlarda kanat üzerindeki hava akışını bozarak sürüklemeyi artırabilir ve dolayısıyla uçuş performansını olumsuz etkileyebilir. Bu noktada morphing sistemler, geleneksel kontrol yüzeylerine kıyasla önemli avantajlar sağlarlar. Öncelikle, kanat yüzeyinde sürekliliği koruyacak şekilde tasarlandıkları için hava akışını daha az bozarlar. Bu durum sürüklemeyi azaltarak hava aracının performans ve verimliliğinin artmasına katkı sağlar. Ayrıca şekil değiştirebilen sistemler uçuş sırasında aerodinamik yüzeyleri dinamik olarak değiştirebildiğinden tek bir hava aracının farklı görev profillerine uyum sağlamasına olanak sağlar. Şekil değiştirebilen yapılar, sabit kanatlı hava araçlarına kıyasla döner kanatlı sistemlerde daha az yaygındır. Bunun başlıca nedeni, helikopter pallerinin çok yüksek dönme hızlarında çalışması ve her bir devirde sürekli değişen aerodinamik ve yapısal yükler, göreli hızlar ve akış şekilleriyle karşı karşıya kalmalarıdır. Bu dinamik koşullar altında, şekil değiştirebilen sistemlerin pallere entegre edilmesi için eklenen mekanizmalar veya aktüatörler, rotor sisteminde ek bir kütle getirir. Yüksek devirli rotor sistemlerinde, paller üzerine etkiyen merkezkaç kuvveti göz önünde bulundurulduğunda, pal kütlesindeki küçük bir artış bile yapısal yüklerin ciddi şekilde artmasına neden olabilir. Bu durum yalnızca yapısal dayanımı zorlamakla kalmaz aynı zamanda sistemde dengesizlik oluşturarak titreşim seviyelerinin artmasına yol açabilir. Artan titreşim seviyeleri yorulma sebebiyle rotor sistem bileşenlerinin ömrünü azaltır ve dolayısıyla rotor sisteminin güvenilirliği ve performansı üzerinde olumsuz etkiler yaratabilir. Her ne kadar şekil değiştirebilen yapıların döner kanatlı sistemlere entegrasyonu mühendislik ve operasyonel açıdan önemli zorluklar içerse de NASA, ONERA, ATIC, JAXA gibi önde gelen araştırma kurumları bu alandaki araştırmalarını sürdürmektedir. Ancak günümüzde bu tarz teknolojilerin askeri ve ticari alanlarda kullanımı hala sınırlı durumdadır. Bununla birlikte, şekil değiştirebilen yapıların geliştirilmesi, helikopterlerin farklı uçuş rejimlerinde performans optimizasyonu açısından büyük önem taşımaktadır. Bu doğrultuda, helikopterlerin çeşitli uçuş koşullarında maruz kaldığı aerodinamik kuvvetlerin doğru bir şekilde analiz edilebilmesi için her rejime özgü matematiksel modellerin kullanılması gerekmektedir. Söz konusu uçuş rejimleri genel olarak askıda kalma, dikey tırmanış ve ileri uçuş olmak üzere üç ana başlık altında sınıflandırılır. Askıda kalma durumu, helikopterin sabit bir noktada, yatay düzlemde yer ile belirli bir mesafede, herhangi bir yönde hareket etmeden havada asılı kaldığı uçuş rejimidir. Askı koşulunda ortaya çıkan kaldırma kuvvetinin tamamı helikopterin rotor sistemi tarafından üretilir ve üretilen bu kuvvetin büyüklüğü helikopterin ağırlığına eşit olmalıdır. Bu nedenle askıda kalma, helikopterlerin en fazla güç tükettiği uçuş rejimi olarak kabul edilir. Dikey uçuş, helikopterin yanal eksende sabit kaldığı, ancak yer düzlemine dik olacak şekilde yukarı (tırmanış) ya da aşağı (alçalma) yönlü hareket ettiği uçuş rejimidir. Bu rejimde, hava akımı rotor düzleminde tırmanış sırasında yukarıdan aşağıya, alçalma sırasında ise aşağıdan yukarıya hareket eder. Tırmanış durumunda helikopterin yukarı yönlü hareketini gerçekleştirebilmesi için ağırlığından daha fazla bir kaldırma kuvveti üretmesi gerekir. Bu nedenle tırmanış esnasında rotorun güç gereksinimi alçalma durumuna kıyasla daha fazladır. İleri uçuş rejimi, helikopterin yatay düzlemde yönlü hareket gerçekleştirdiği uçuş durumudur. Bu rejimde rotor düzlemi, hareket yönüne doğru eğilerek hem kaldırma kuvveti üretir hem de itki kuvveti sağlayarak helikopterin ileri doğrultuda hareketini mümkün kılar. Helikopterlerin farklı uçuş rejimlerindeki performanslarının ve güç gereksinimlerinin incelenebilmesi amacıyla çeşitli aerodinamik modeller geliştirilmiştir. Bu kapsamda yapılan performans analizlerinde genellikle üç temel aerodinamik teori kullanılmaktadır. Bunlar, momentum teorisi, pal eleman teorisi ve pal eleman momentum teorisidir. Momentum Teorisi, rotor sistemini ideal bir disk yüzeyi olarak kabul eder ve özellikle askıda kalma gibi basitleştirilmiş uçuş koşulları için itki ve güç tahminleri yapmaya yardımcı olur. Momentum teorisi, rotordan geçen havanın kütlesinin, momentumunun ve enerjisinin korunduğu varsayımına dayanır. Bu teori, rotor pallerinin geometrik özelliklerini (örneğin burulma açısı) ve bunlara bağlı olarak ortaya çıkan lokal aerodinamik etkileri analiz kapsamına dahil etmez. Bu nedenle yalnızca ortalama performans değerlerini inceleyerek ilk tahminleri yapmak için uygundur. Ancak ileri uçuş gibi daha karmaşık uçuş rejimlerinin performans analizinde yetersiz kalmaktadır. Pal Eleman Teorisi, rotor pallerini çok sayıda küçük elemana ayırarak, her bir eleman üzerindeki lokal aerodinamik kuvvetlerin analiz edilmesine dayanır. Bu yöntem sayesinde, her bir kesitte pal geometrisinde yer alan burulma açısı, hücum açısı ve veter uzunluğu gibi parametreler doğrudan itki, sürükleme ve güç hesaplamalarında kullanılabilir. Her bir pal elemanı için kaldırma ve sürükleme kuvvetleri ayrı ayrı hesaplanarak toplam rotor kuvvetleri elde edilir. Bu model, özellikle ileri uçuş gibi daha karmaşık uçuş rejimlerinde daha hassas sonuçlar elde edilmesini sağlar. Ancak Pal Eleman Teorisi, havanın rotordan geçerken maruz kaldığı hız değişimini doğrudan hesaba katmaz. Bu nedenle, indüklenmiş hız genellikle sabit kabul edilir ve Newton-Raphson gibi nümerik yöntemlerle iteratif olarak hesaplanır. Pal Eleman Momentum Teorisi ise, Pal Eleman Teorisinin ve Momentum Teorisinin birleştirilmiş halidir. Bu yöntem, rotoru küçük pal elemanlarına ayırırken aynı zamanda momentum korunumu varsayımını kullanır. Böylece, lokal aerodinamik etkileri analiz ederken her bir pal elemanındaki akış koşulları ile rotor genelindeki indüklenmiş hız arasında tutarlı bir ilişki kurularak daha doğru sonuçlar elde edilir. Pal Eleman Momentum Teorisi, farklı uçuş rejimlerinde rotor performansını tahmin etmek için uygun bir modeldir ve rotor geometrisi ile akış koşulları arasındaki etkileşimi daha detaylı bir şekilde ele alır. Helikopter performanslarının karşılaştırmalı olarak değerlendirilmesinde en sık kullanılan parametreler disk yüklemesi ve güç yüklemesidir. Disk yüklemesi, rotor diskinin birim alanına düşen ağırlık olup rotorun askıda kalma performansı ile ilişkilidir. Güç yüklemesi ise birim ağırlık başına ihtiyaç duyulan güç miktarıdır. Bu iki parametre arasındaki ilişki, rotor sisteminin genel askıda kalma verimliliği hakkında fikir verir. Helikopter pallerinin uzunluğu, rotor alanını doğrudan etkilediği için disk yüklemesi üzerinde belirleyici bir rol alır. Disk yüklemesinin düşük, güç yüklemesinin ise yüksek olduğu durumlar, helikopterin askı performansının arttığını gösterir. Buna karşılık, disk yüklemesinin arttığı ve güç yüklemesinin azaldığı durumlarda ise ileri uçuş performansında iyileşme gözlemlenir. Rotor uzunluğunun aktif ya da pasif sistemlerle değiştirilebilmesi, helikopterlerin farklı uçuş koşullarına daha verimli bir şekilde uyum sağlamasına olanak tanır. Bu uzama, çeşitli mekanik sistemler yardımlıyla sağlanabilir. Rotor pallerinin uzamasını sağlayan başlıca üç tip sistem vardır. Teleskopik paller, katlanabilir paller ve esnek paller. Teleskopik pallerde iç içe geçmiş yapısal parçalar bulunur. Bu sistemlerde uzama, rotorun açısal hızıyla birlikte ortaya çıkan merkezkaç kuvvetinin etkisiyle pasif olarak gerçekleştirilebilir. Paller maksimum uzunluğa ulaştıktan sonra açısal hız düşürülerek pallerin başlangıç konumlarına geri dönmesi kablo veya yay gibi bağlantı elemanları kullanılarak sağlanabilir. Katlanabilir pallerde palin belirli bir bölümü menteşe yardımıyla açılıp kapanabilir durumdadır. Ancak uzama kademeli olarak değil bir bütün olarak yapılır. Esnek paller ise esnek malzemeler kullanılarak üretilir ve rotor kafasında sarılı halde bulunur. Uçuş sırasında bu paller açılarak uzar ve gerektiğinde tekrar sarılarak kısaltılabilir. Uçuş koşullarına bağlı olarak, pal uzunluğunu değiştirebilen bu sistemlerin her birinin kendine özgü avantajları ve dezavantajları vardır. Yapılan karşılaştırmalar sonucunda, mekanizmanın uygulanabilirliği, ağırlığa etkisi ve tepki süresi gibi parametreler göz önünde bulundurularak, pallerin dönmesiyle oluşan merkezkaç kuvvetiyle pasif olarak çalışan yay mekanizmalı teleskopik bir sistem tercih edilmiştir. Bunun sebebi, teleskopik pallerin yapısal bütünlüğü koruyarak pasif şekil değiştirebilen sistemlerle çalışabilmesi ve mevcut rotor tasarımlarına entegrasyonunun görece daha kolay olması gibi avantajlarının olmasıdır. Teleskopik sistemlerde pal uzunluğunun kontrol edilebilmesi için doğrusal olmayan yay sabitine sahip yayların kullanımı değerlendirilmiştir. Bu sayede rotorun açısal hızındaki değişimlere bağlı olarak pal uzunluğunun istenilen doğrulukta ayarlanması sağlanarak uçuş performansı artırılabilir. Bu çalışmalar kapsamında, rotor sistemine entegre edilen teleskopik pal sisteminin farklı açısal hızlarda gösterdiği uzama davranışı ve bunun helikopter performansına etkileri, Momentum Teorisinin MATLAB yardımıyla modellenmesi ile incelenmiştir. Uzun pal konfigürasyonu, askıda kalma rejiminde rotor alanını artırarak disk yüklemesini düşürür; bu sayede taşıma verimliliği yükselir ve güç ihtiyacı azalır. Kısa pal konfigürasyonu ise rotor alanını küçülterek ileri uçuş koşullarında disk yüklemesini artırır, böylece sürükleme ve güç tüketimi optimize edilir. Bu çalışma, pal uzunluğundaki değişimlerin farklı uçuş koşullarına adaptasyon sağlama kapasitesini ve performans iyileştirmeleri arasındaki ilişkiyi ortaya koymaktadır.
Özet (Çeviri)
The aviation industry is a continuously evolving field that aims to produce more efficient aircraft. Today, a wide variety of aircraft capable of performing different missions are available. Therefore, achieving high performance and efficiency under various flight conditions with a single aircraft has become a significant goal in both fixed-wing and rotary-wing systems. To meet these requirements, the use of shape-changing or morphing structures has become increasingly prevalent. Morphing structures allow the aerodynamic surfaces of an aircraft to change shape dynamically during flight. These changes can include variations in wingspan, chord, twist, camber, and dihedral angle. By changing the geometry of the lifting surfaces, aircraft can adapt to various flight conditions, thereby enhancing the aircraft's flight performance, efficiency, and controllability. While morphing technologies have found strong applications in fixed-wing aircraft, integrating morphing mechanisms into rotary-wing systems, such as helicopters, is much more complex and challenging due to the operational conditions of the blades. The aerodynamic and structural loads acting on each blade at high rotational speeds can significantly affect the rotor's dynamics and structural integrity, especially when considering the added mass from morphing mechanisms. Rotorcraft operate under various flight regimes, including hover, vertical flight, and forward flight. Accurately assessing rotorcraft performance requires the use of a variety of analysis methods, each suited to the specific aerodynamic challenges that occur in different flight conditions. This is primarily due to the complexity of the airflow characteristics through the rotor disk, which changes significantly with each flight condition, affecting lift, drag, and overall rotor efficiency. Performance analysis of rotorcraft is primarily conducted using three main mathematical models. These include momentum theory, blade element theory, and blade element momentum theory. Momentum theory (MT) simplifies the rotor blade into an idealized disk. This model provides a first-order approximation by applying fundamental assumptions, including the conservation of mass, momentum, and energy. The airflow passing through the rotor is considered one-dimensional, quasi-steady, incompressible, and inviscid, allowing for a simplified analysis of thrust and induced velocity. Blade element theory (BET) divides the rotor blade into small sections and calculates the aerodynamic forces on each based-on airfoil geometry and local flow conditions. This model provides a detailed estimation of lift, drag, and thrust by summing the forces along the blade span. Blade element momentum theory (BEMT) combines the principles of both momentum theory and blade element theory. By iteratively solving the inflow distribution along the blade span, BEMT enhances the accuracy of predicting aerodynamic loads and power requirements. This hybrid mathematical model is widely used in rotorcraft performance analysis due to its accuracy and computational efficiency. In addition to mathematical models, rotorcraft performance can also be evaluated and compared using disk loading and power loading graphs across different types of rotorcrafts. Disk loading, defined as the aircraft weight divided by the rotor disk area, gives general information about hover efficiency by influencing the required induced power during hover. Power loading, defined as the aircraft's weight per unit of engine power, reflects how much power is available to support lift and propulsion in various flight regimes such as hover and forward flight. These features make these parameters especially useful for design optimization across a wide range of rotorcraft sizes and configurations. The ability to adapt the rotor span to changing flight conditions provides a performance advantage. A reduced blade span is more suitable for high-speed forward flight, while an extended span improves lift efficiency during hover and climb. This adaptability helps balance disk loading and power loading for optimal performance in each regime. Various morphing blade mechanisms enable such adaptability. These are telescopic blades, foldable blades, and flexible blades. Telescopic blades use nested sections that slide outward under centrifugal force, typically guided by rails or channels. Passive designs rely on spring or damper systems for control. Foldable and flexible blades offer compact storage and rapid deployment but often require active actuation and structural reinforcement. The centrifugal force-actuated telescopic blade system stands out among other span morphing mechanisms due to its simplicity, lightweight design, and passive operation. In this thesis, a telescoping blade mechanism actuated by centrifugal force and constrained by a spring is modeled and analyzed under different flight conditions using momentum theory. The objective is to evaluate its influence on rotor performance across hover, forward flight regimes. In this study, the momentum theory was implemented in MATLAB to model rotor performance and to evaluate the effects of blade extension under varying angular velocities. The study aims to determine whether passive span morphing can provide sufficient performance benefits in rotary-wing aircraft and compare this mechanism to alternative span morphing concepts. Insights from this research could support the development of more efficient and adaptable rotorcraft for both civilian and military applications.
Benzer Tezler
- The effect of twist distribution on rotor performance and its applications on rotor blades
Burulma açısının rotor performansı üzerindeki etkisi ve rotor kanatlarında burulma açısı değişimi uygulama yöntemleri
TACETTİN SANCAK
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZGE ÖZDEMİR
- Aeroelastic analysis of variable-span morphing wing
Kanat açıklığı değiştirilebilen bir uçak kanadının aeroelastik analizi
DAMLA DURMUŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. METİN ORHAN KAYA
- Effects of morphing on aeroelastic behavior of unmanned aerial vehicle wings
Şekil değiştirebilmenin insansız hava aracı kanatlarının aeroelastik davranışına etkileri
LEVENT ÜNLÜSOY
Doktora
İngilizce
2014
Havacılık MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiUzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YAVUZ YAMAN
- Aerodynamic modelling and optimization of morphing wings
Şekil değiştirebilen kanatların aerodinamık açıdan modellenmesi ve eniyilemesi
DURMUŞ SİNAN KÖRPE
Doktora
İngilizce
2014
Havacılık MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiHavacılık Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. SERKAN ÖZGEN
- Span-skewed effect on the response of I-girder prestressed concrete bridges
I-kesitli öngermeli beton kiriş tabliyeye sahip köprülerin davranışına açıklık verevliğinin etkisi
OSAMA GHZAYEL
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
İnşaat MühendisliğiKaradeniz Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SÜLEYMAN ADANUR