Target UAV conceptual design optimization using multi-objective genetic algorithm
Çok amaçlı genetik algoritma kullanılarak hedef iha kavramsal tasarım optimizasyonu
- Tez No: 955611
- Danışmanlar: PROF. DR. İBRAHİM ÖZKOL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, 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 ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 122
Özet
İnsansız Hava Araçları (İHA'lar), günümüz savaşlarında giderek artan bir stratejik öneme sahiptir. Hedef İHA'lar, savunma sistemlerinin gerçek tehditler simüle edilerek eğitilmesini ve silah sistemlerinin operasyonel etkinliğinin değerlendirilmesini mümkün kılar. Bu platformlar; düşman hava tehditlerinin gerçekçi biçimde benzetilmesi, hava savunma sistemlerinin tepki sürelerinin ve angajman yeteneklerinin test edilmesi, radar ve elektro-optik izleme sistemlerinin performans analizlerinin yapılması ve çeşitli güdümlü mühimmat sistemlerinin (hava-hava, yer-hava vb.) denenmesi gibi çok yönlü görevlerde aktif olarak kullanılmaktadır. Ayrıca, bu sistemler eğitim amaçlı senaryolarda kullanılmak suretiyle, savaş uçakları ve yer ekiplerinin gerçekçi tatbikatlar yapmasına olanak sağlar. Bu tür görevleri başarıyla yerine getirebilmesi için bir hedef İHA'nın belirli operasyonel gereksinimleri karşılayacak şekilde tasarlanması gerekmektedir. Yüksek manevra kabiliyeti, yüksek seyir hızı, belirli radar kesit alanı değerleri ve yüksek irtifalarda uçuş yeteneği gibi kriterler bu kapsamda ön plana çıkmaktadır. Bu tez çalışmasında, hedef İHA'ların kavramsal tasarım süreci, çok hedefli optimizasyon kullanılarak ele alınmıştır. Özellikle çok hedefli genetik algoritma (İng. Multi-Objective Genetic Algorithm, MOGA) kullanılarak yürütülen bu süreçte, hem aerodinamik performansın hem de uçuş kararlılığının aynı anda optimize edilmesi hedeflenmiştir. İlgili görev senaryoları ve benzer İHA'lar dikkate alınarak belirlenen temel tasarım gereksinimleri; 0.6 Mach seviyesinde seyir hızı, en az 30 dakikalık görev süresi, 6g sürekli ve 9g anlık manevra yüklerine dayanım, ve deniz seviyesinden 15.000 ft yükseklikte güvenli ve kararlı uçuş gerçekleştirme kapasitesidir. Bu parametreler, hedef İHA'nın hem görev etkinliği hem de savaş uçakları gibi hava platformlarını simüle edebilme kabiliyeti açısından kritik öneme sahiptir. Hava aracı tasarımı, doğası gereği aerodinamik, itki, yapısal ve kontrol gibi birbirinden farklı fakat birbiriyle etkileşimli disiplinlerin birlikte değerlendirilmesini gerektiren bir mühendislik sürecidir. Bu çok disiplinli yapı, özellikle kavramsal tasarım aşamasında kritik hale gelir. Çünkü bu aşamada yapılan tanımlar, hava aracının ayrıntılı tasarım, analiz ve prototipleme süreçlerinin başarısını doğrudan etkiler. Kavramsal tasarım, hava aracının genel performans ve görev kabiliyetlerinin belirlendiği temel safha olup; bu safhada kullanılan geometrik parametrelerin doğru şekilde tanımlanması, tasarım doğruluğu ve optimizasyon sonuçları açısından büyük önem taşımaktadır. Bu çalışmada geliştirilen hedef İHA platformu için, boyutsal tanımlamalar belirli tasarım değişkenleri üzerinden gerçekleştirilmiştir. Kanat özelinde; açıklık, en boy oranı, sivrilme oranı, seçilen kanat profili ve kanat konumu temel geometrik parametreler olarak değerlendirilmiştir. Bu değişkenler, kanadın hem taşıma kabiliyeti hem de uçuş karakteristiklerine olan etkisini belirleyen başlıca unsurlardır. Yatay ve dikey stabilizatörler için benzer şekilde açıklık, en boy oranı, sivrilme oranı, kanat profili ve konumu ayrı ayrı tanımlanarak modelleme yapılmıştır. Kuyruğun aerodinamik katkısı ve denge (İng. trim) durumu üzerindeki rolü göz önüne alınarak, bu parametreler hassasiyetle belirlenmiştir. Ek olarak, kontrol yüzeyi olarak görev yapan irtifa dümeni için yatay stabilizatöre göre tanımlanmış veter oranı gibi boyutsal ilişkiler kullanılmış; dümenin konumu da modelde dikkate alınmıştır. Bu oranlar, kontrol yüzeylerinin etkinliğini ve kararlılık üzerindeki etkisini analiz etmede kritik öneme sahiptir. Tanımlanan bu parametrik yapı, optimizasyon sürecinde geniş bir tasarım uzayının etkili bir biçimde taranmasını mümkün kılmakta; aynı zamanda, görev odaklı performans gereksinimlerine uygun, kararlı ve yeterli manevra kabiliyetine sahip tasarımların kolayca belirlenmesini sağlamaktadır. İtki sistemi seçimi, hedef İHA'nın görev profili, hız aralığı ve taşıma kapasitesi gibi parametrelerle doğrudan ilişkilidir. Bu çalışmada, benzer sistemlerde yaygın olarak kullanılan ve literatürde yüksek hızlı hedef İHA uygulamalarında kullanılmış olan AMT Nike turbojet motoru tercih edilmiştir. Bu motor, yaklaşık 784 Newton itki üretme kapasitesine sahiptir ve bu değer, Mach 0.6 seyir hızına sahip bir hedef İHA'nın görev ihtiyaçlarını karşılamak için yeterlidir. AMT Nike'ın kompakt geometrisi ve hafif yapısı, gövde hacmi sınırlı olan küçük ölçekli insansız hava araçlarında kolay entegrasyon sağlamaktadır. Jet motorunun itki karakteristiği ve ses altı rejimdeki performansı da bu motoru hedef İHA tasarımı açısından uygun bir aday haline getirmiştir. Tasarlanan İHA'nın kütlesi ise tarihsel veriler ve benzer sistemlere ait literatür incelemeleri kullanılarak bir yaklaşım ile hesaplanmıştır. Bu yaklaşım, kavramsal tasarım aşamalarında sıklıkla başvurulan mühendislik yöntemlerinden biri olup, kavramsal tasarım aşaması için yeterli doğrulukta kütle tahminine imkân tanımaktadır. Uçuş mekaniği analizlerinde hava aracının kütlesinin doğruluğu büyük önem arz etmektedir. Ayrıntılı şekilde yapılan literatür taraması sayesinde elde edilen kütle değerine ve bu kütle ile yapılan performans ve kararlılık hesaplamalarının güvenilirliği artırılmıştır. Aerodinamik parametrelerin belirlenmesinde, hava aracı kavramsal tasarım aşamalarında yaygın olarak kullanılan ve Amerikan Hava Kuvvetleri tarafından geliştirilmiş olan USAF Digital DATCOM yazılımı kullanılmıştır. Bu yazılım sayesinde, uçuş kararlılığı ve performans analizleri için gerekli olan aerodinamik katsayılar elde edilmiş ve bu veriler optimizasyon sürecinde doğrudan kullanılmıştır. Digital DATCOM, özellikle ses altı uçuş rejiminde yüksek doğruluk sunmakta ve bu yönüyle hedef İHA tasarım ihtiyaçlarıyla doğrudan örtüşmektedir. Ayrıca, kullanım kolaylığı ve hesaplama hızı sayesinde, parametrik çalışmalar ve tekrarlı optimizasyon döngüleri için oldukça uygundur. Kavramsal tasarım aşamasında hızlı ve çok sayıda tasarım konfigürasyonunun analiz edilmesi gereken durumlarda, DATCOM'un sunduğu aerodinamik veriler yeterli doğrulukta olup, geniş tasarım uzayının etkin şekilde taranmasına olanak sağlamaktadır. Bu çalışmada yürütülen optimizasyon sürecinde, çok amaçlı genetik algoritma (İng. Multi-Objective Genetic Algorithm) kullanılmıştır. Genetik algoritmalar, doğal seçilim mekanizmasını temel alarak biyolojik evrim sürecini matematiksel olarak modelleyen ve bu çerçevede seçim, çaprazlama ve mutasyon gibi temel işlemleri uygulayan evrimsel optimizasyon yöntemleridir. Bu algoritmalar, çok parametreli ve doğrusal olmayan tasarım problemlerinde etkin çözümler üretebilmeleriyle öne çıkar. Çok amaçlı genetik algoritma, özellikle çok sayıda çelişen hedefin eş zamanlı olarak değerlendirildiği mühendislik problemlerinde, tasarımcılara farklı optimum koşullarda çözümler sunabilme kabiliyeti nedeniyle tercih edilmektedir. Bu tez çalışmasında, çok hedefli optimizasyon algoritması kullanılırken dört temel amaç fonksiyonu ele alınmıştır: sürdürülebilir normal yük faktörü ve denge durumunda sürükleme katsayısının minimize edilmesi, irtifa dümeni kontrol etkinliğinin maksimize edilmesi ve irtifa dümeni menteşe momentinin minimize edilmesi. Bu hedefler, hedef İHA'nın manevra kabiliyeti ile menzilini doğrudan etkileyerek tasarım kararlarını yönlendirmektedir. Genetik algoritma, bu hedefler doğrultusunda Pareto önü (İng. Pareto front) oluşturarak, farklı tasarım senaryoları için optimal çözümler üretmiştir. Pareto-optimal çözümler arasında, bir hedefte iyileştirme yapılmak istendiğinde diğer hedeften belirli bir ödün verilmesi gerekebilir; bu nedenle tekil en iyi çözümden ziyade, bir çözüm kümesi sunulur. Bu yaklaşım, tasarımcılara görev profiline göre karar verme imkanı sağlar. Böylece, elde edilen tasarım sonuçları yalnızca hesaplama düzeyinde değil, aynı zamanda operasyonel ihtiyaçlara yanıt verecek nitelikte pratik bir karar destek aracı olarak değerlendirilebilir. Optimizasyona dahil edilen tasarım değişkenleri arasında kanat ve kontrol yüzeylerinin geometrik karakteristikleri (veter uzunlukları, en-boy/sivrilme oranları, konumları) yer alırken, tasarımda bazı kısıtlamalar tanımlanmıştır. Kısıtlamalar, aday çözümlerin stabilitesini, performansını ve uygulanabilirliğini garanti altına almak amacıyla belirlenmiştir. Bu kısıtlamalar, elde edilen tasarımın yalnızca görev profiline uygun aerodinamik performans sağlamasını değil, aynı zamanda kararlı bir uçuş sağlayabilmesi de amaçlanarak tanımlanmıştır. Böylece, çok hedefli genetik algoritmanın kavramsal tasarım optimizasyonu bağlamında uygulanması, İHA'nın yeterli manevra kabiliyetine sahip ve kararlı olmasını mümkün kılmaktadır. Aerodinamik modelleme ile optimizasyon yöntemlerinin bütünleştirilmesiyle geliştirilen bu yaklaşım, görev ihtiyaçlarına uygun hedef İHA konfigürasyonlarının etkin bir şekilde geliştirilmesini sağlamaktadır. Söz konusu metodoloji, yalnızca literatürdeki geleneksel tasarım süreçlerinden ayrılmakla kalmayıp, aynı zamanda sayısal analiz araçlarının ve optimizasyon algoritmalarının kavramsal tasarım süreçlerinde ne kadar önemli bir rol üstlenebileceğini de ortaya koymaktadır. Hızlı değerlendirme kapasitesi, çok sayıda tasarım alternatifi üretme yeteneği sayesinde, geliştirilen yöntem hedef İHA sistemleri için uygulanabilir, optimize edilmiş ve görev odaklı çözümler sunabilmektedir. Sonuç olarak, bu tez çalışması, yüksek manevra kabiliyeti ve operasyonel performans gereksinimlerine sahip hedef İHA sistemlerinin kavramsal tasarım sürecinde çok hedefli genetik algoritmaların başarılı bir şekilde uygulanabileceğini göstermiştir. Geliştirilen yöntem, çok disiplinli ve çok hedefli bir tasarım yaklaşımı sunmakta; kavramsal tasarım aşamasında alınan kararların genel sistem performansına olan etkilerini en doğru şekilde değerlendirmeye olanak tanımaktadır. Böylece, gelecekteki hedef İHA tasarımlarında optimize edilmiş çözümlerin daha kısa sürede geliştirilmesine katkı sağlayacak bir metot ortaya konmuştur.
Özet (Çeviri)
In particular, target UAVs, which simulate enemy threats for training, detection, tracking, and weapon testing, modern military operations rely much on unmanned aerial vehicles (UAVs). Among the performance criteria these vehicles must meet are high maneuverability, exact speed thresholds, and unique radar cross sections. The thesis addresses the conceptual design optimization of target UAVs with the specific objective of maximizing their operational effectiveness by meeting important performance criteria, including a cruise speed of Mach 0.6, a minimum flight endurance of 30 minutes, the capacity to support 6 g sustained and 9 g instantaneous maneuvering loads, and reliable flight at altitudes at 15,000 feet. In the context of aircraft design, which inevitably involves multidisciplinary factors in the areas of aerodynamics, propulsion, structures, and control, the exact identification of geometric and performance parameters during the conceptual design phase is crucial. The design variables define the size and position of the wing, the horizontal tail, the vertical tail, and the elevator. AMT Nike gas turbine engine for the propulsion system; At full power, it generates roughly 784 N of thrust and has a lightweight construction that fits high-speed target UAV operations. Using historical data and similar systems to estimate the mass properties of the UAV allowed a realistic mass estimation to be maintained throughout the conceptual design stage. This enables the accurate prediction of stability metrics and aerodynamic performance, which are absolutely essential for the consequent optimization process. The aerodynamic parameters were computed using USAF Digital DATCOM software, which gave stability and performance data to guide the optimization process. Typical target UAVs have an appropriate operational envelope given the reliable accuracy of digital DATCOM in the subsonic flight range. Its simplicity of use and computational efficiency make it perfect for iterative optimization processes and parametric studies. The aerodynamic data obtained from DATCOM is judged to be sufficiently accurate for conceptual design applications, where effective design space exploration depends on fast evaluation of many configurations. MOGA leads the optimization framework. This evolutionary algorithm searches a large design space by simulating the natural genetic processes of cross-over, mutation, and selection. Its primary strength is its ability to manage multiple, often conflicting objectives, in this case, minimizing trim drag and maximizing sustainable normal load factor while minimizing the elevator hinge moment sustainable elevator control effectiveness. The method discovers the optimal trade-offs by building a Pareto front, whereby no design concurrently meets all of its objectives. This helps designers to base their decisions on performance criteria specific to the mission. The constraints are determined to guarantee the stability, performance, and feasibility of the candidate solutions. In addition, design variables include the geometric characteristics of the wings and control surfaces (span, aspect/taper ratios, positions). The study shows that in the conceptual design of UAVs, the use of MOGA in the context of MDO presents an efficient approach to achieve the balance between stability and performance. By combining aerodynamic modeling with optimization strategies, the method presented in this thesis provides a quick way to conceptual design of target UAVs. The suggested method allows designers to satisfy demanding mission-specific criteria and yet produce design solutions with aerodynamic stability. The work also highlights how well digital analysis tools and optimization algorithms manage the complex needs of conceptual aircraft design.
Benzer Tezler
- Jig shape optimization for desired shape of a high-altitudelong-endurance class unmanned aerial vehicle underaeroelastic effects
Hale sınıfı bir ınsansız hava aracının aeroelastik etkileraltında hedeflenen şekle ulaşmak için jig şeklioptimizasyonu
AKIN ATEŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiHesaplamalı Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MELİKE NİKBAY
- Drone ve insansız hava araçları için çoklu ateşleme sistemi tasarımı, prototipi ve üretimi
Multiple ignition system design, prototype and production for drone and unmanned vehicles
ALPER HASAN KOCATAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Savunma ve Savunma TeknolojileriGazi Üniversitesiİmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İHSAN KORKUT
- 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
- Conceptual design of unmanned aerial vehicle
İnsansız hava aracı kavramsal tasarımı
HEYZEM DOĞUKAN DELİBAŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Savunma ve Savunma Teknolojileriİstanbul Teknik ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ HAYRİ ACAR