Geri Dön

Numerical study of helicopter ditching and capsize behavior on wavy water

Helikopterin dalgalı suya inişi ve alabora olma karakterinin nümerik olarak modellenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 999342
  2. Yazar: TOLGA KAHVE
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ALİİHSAN KOCA
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2026
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Isı-Akışkan Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Helikopterler hem kara üstü hem de deniz üstü uçuşlarda kullanılan hava araçlarıdır. Bu uçuşlar çeşitli operasyonel görevlere göre ayrılmaktadır. Helikopterler deniz üstü petrol/gaz platformlarına ulaşım ve lojistik görevini görmeleri sebebiyle deniz üstü lojistik sisteminde önemli yer edinmişlerdir. Ayrıca helikopterler daha birçok amaçla deniz üstü operasyonlarda sıklıkla tercih edilmektedir. Deniz üstü helikopter operasyonları, kara üstü operasyonlara kıyasla daha kararsız ve daha yüksek bir meteorolojik belirsizlik ile gerçekleşir. Deniz üstü uçuşlarda özellikle gece ve düşük görüşteki uçuşlarda azalmış görsel referans risk oluşturur. Deniz durumuna bağlı olarak acil iniş sahalarının kısıtlılığı, platforma yaklaşma ve ayrılma safhaları zorluğu, gibi nedenler deniz üstü uçuşlardaki risk karakteristiğini oluştururlar. Helikopter suya inme olayı uçuş el kitabında (RFM) tanımlanan talimatlara uygun olarak, su üzerine kontrollü bir şekilde icra edilen acil iniş manevrası olarak uçuş otoriteleri tarafından tanımlanmıştır. Bu tanım, hem sistematik bir arıza veya kontrol kaybı altında hem de başka bir güvenli seçenek kalmadığında pilotun bilinçli olarak kontrol edilen su inişi şeklinde kabul edilir. Helikopterler suya inme sonrası hızlı bir şekilde yan yatmaya, dönmeye, içlerine su almaya başlarlar ve sonunda alabora olurlar. Suya inme sonrası hayatta kalan personeller helikopterin alabora olması ile boğularak yaşamını yitirmektedir. Suya inme sonrası helikopterin stabilitesini korumak devrilmesini ve batmasını önlemek için şişirilebilir yüzer sistemler kullanılır. Bu sistemler acil yüzdürme sistemleri (EFS) olarak isimlendirilir. Genellikle gövde altı veya yan kısımlara yerleştirilmiş hava tüplerini içerirler. Havacılık otoriteleri EFS sistemlerinin hızlı bir şekilde şişmesi gerektiğini söyler. Üretici teknik belgeleri incelendiğinde 4-6 saniye içinde tam şişme gerçekleşir bilgisi vardır. Tez kapsamında bu değer 5 saniyede tam şişme gerçekleşeceği şeklinde kabul edilmiştir. Suya inme durumunda helikopterlerin batmaması için acil yüzdürme sistemleri (EFS) kullanılır. Ancak EFS genellikle çarpma gerçekleştikten sonra tetiklenir ve sistemlerin açılıp tam şişmesine kadar belirli bir süre gerekir. Bu süre içerisinde helikopter suyun içinde belirli yatma açı değeri kadar döner ise EFS açılsa da helikopter alabora olabilir. Bu tez bir helikopterin deniz durumu 6 olan dalgalı bir suya iniş karakterini ve iniş gerçekleştikten sonra alabora olma durumunu inceler. Tez kapsamında helikopterin gelen dalganın farklı konumlarına çarptığı durumlar nümerik olarak incelenmiştir. Helikopterin farklı yatma ve sapma açılarında suya iniş gerçekleştirdiğindeki etkisi farklı parametreler özelinde incelenmiştir. EFS açılması için geçen süre göz önüne alınarak açıların alabora olma süresine etkisi de araştırılmıştır. Ayrıca helikopterin ağırlık merkezinin (CoG) de suya iniş sonrası alabora olma durumuna etkisi incelenmiştir. Tez kapsamında farklı parametrelerin suya inme anı ve sonrasındaki alabora olma durumuna etkisinin tespit edilmesi amaçlanmıştır. Literatürde nümerik olarak yapılan çalışmalarda genellikle bir kama veya diskin suya düşürülmesi doğrulanmış ve bu model hava aracına uygulanmıştır. Helikopter suya inme çalışmaları için literatür incelendiğinde genellikle suya inme anında oluşan hidrodinamik etkilerin araştırıldığı konular çoğunluğu oluşturmaktadır. Ancak ditching sonrasında EFS'nin şişmesi için gereken süre içerisinde helikopterin devrilme karakteristiğini inceleyen çalışmaların eksikliği göze çarpmaktadır. Yetteo tarafından deneysel olarak yapılan bir kama serbest düşmesi deneyi seçilerek zamana bağlı bir şekilde nümerik olarak modellenmiştir. Deneyde 94 kg bir kama 1.3 m yükseklikten serbest bırakılmaktadır. Modeldeki basınç, hız, ivme, konum değerleri serbest düşürülen kama testi çalışması ile doğrulanmış, helikopter suya inme modelinin doğruluğu ise bu çalışmalar ile değerlendirilmiştir. Bu çalışmada, helikopterin suya iniş anını ve ardından gelen serbest yüzey etkileşimlerini, hidrodinamik yükleri, helikopter gövdesinin maruz kaldığı ivme değerlerini ve helikopterin sudaki yatma davranışını, zaman içinde kararsız Reynolds Ortalamalı Navier-Stokes (RANS) yaklaşımı kullanılarak analiz etmektedir. Hacim Akışkan (VOF) ve 6 Serbestlik Derecesi (6-DOF) yöntemleri kullanılarak, hava-su arayüzünün evrimi ve 6-DOF helikopter gövdesinin sudaki dikey ve açısal tepkileri hesaplanmıştır. Suya inme durumunu çözerken oluşacak büyük kafes değişimlerini çözebilmek için Overset modeli kullanılmıştır. Analizler ticari bir çözücü program olan Siemens StarCCM+ kullanılarak yapılmıştır. Oluşturulan model helikopter 1/10 oranında ölçeklendirilerek analizler yapılmıştır. Ölçeklendirme ile analiz süresinin kısalması sağlanmıştır. Helikopter için başlangıç koşulu olarak yatma ve sapma açıları +10° ve -10° olarak belirlenmiş. Yükselme açısı ise sabit tutulmuştur. Dalganın çukuru ve yükselen dalga olarak 2 farklı dalga koşulunda suya inme durumu incelenmiştir. Helikopterin ağırlık merkezi maksimum kaydığı durum ve maksimum kalkış ağırlığındaki durum için ele alınmıştır. Bu durumlar birbirleri ile çaprazlanarak 12 vaka calışması oluşturulmuştur. Helikopterin suya giriş ileri ve inme hızı, dalganın fiziksel özellikleri her durum için aynıdır. Bu değerler CS29.801 standartlarına uygun olacak şekilde belirlenmiştir. Deniz durumu 6 için oluşan dalgaların çukur ve tepe uzunluğu 6 metre ve dalga periyodu 7.269 saniyedir. Helikopterin suya iniş için belirlenen limit hızlar 15 m/s ileri hız ve 1.5 m/s iniş hızıdır. Analizlerde 4.9 m/s ileri hız ve 1.1 m/s iniş hızı kabulü yapılmıştır. Kullanılacak ızgara yapısı suya inme analizleri için önemlidir. Bu sebeple trim ızgara yapısı seçilerek analizin ızgara yapısının etkilerinden bağımsızlaştırmak amacıyla çalışmalar yapılmıştır. Buradan uygun olan ızgara yapısı seçilmiş ve zaman ayrıklaştırmalarından bağımsızlaştırmak için zaman adımı bağımsızlığı çalışmaları yapılarak analizler için en uygun ızgara yapısı elde edilmiştir. Belirlenen 12 farklı durum için analizler koşturularak her bir analiz için helikopterin suya iniş anı ve sonrasında sonuçlar incelenmiştir. Analiz sonuçları olarak ivme ve basınç değerlerinin suya iniş anında zirve yaptığı durumları ve sonrasındaki değişimleri ortaya koyulmuştur. Ayrıca helikopterin yatma açısının zamana bağlı değişimi de elde edilerek alabora olma karakteri incelenmiştir. Zamana bağlı olarak helikopterin su üzerindeki konturleri açı değerleri ile gösterilerek verilmiştir. Analizler sonucunda şu sonuçlar elde edilmiştir; Helikopterin yatma ve sapma açıları +10° veya -10° olduğunda, yani açılar aynı yönde olduğunda, suya iniş sırasında zirve ivme ve basınç değerleri arttı. Bu durumda helikopter suya giren gövdenin tarafına doğru saparsa, çarpma hızı aynı tarafa yoğunlaşır, ıslanan alan artar, böylece yerel çarpma yoğunluğu artar ve momentum transfer süresi kısalır. Böylece ivme ve basınç değerleri artar. Ortalama maksimum basınç ve ivme değerleri, çukur dalga koşulları ve kaydırılmış CoG konfigürasyonu için elde edildi. Yükselen dalga durumlarında, helikopter dalga tepesinden sekerek havada biraz daha uzun süre kaldı ve tekrar suyla temas etti. Yatma ve sapma açıları aynı yönde olduğunda, dalga tepesinden sekerek havada kalınan süre arttı. Bu durumda dikey hızlar arttı ve ikinci temasta yüksek tepe basınç-ivme değerleri üretti. Suya inişten sonra, helikopter 30° yatma açısına ulaşmazsa, düzeltme momenti nedeniyle 0°'ye geri döndü. Ancak, 30° yatma açısına ulaşırsa, hızla alabora oldu. Helikopter, çukur dalga koşullarında ve kaymış CoG konfigürasyonunda en yoğun alabora davranışını sergiler ve kısa sürede 30° yatma açısına ulaşır. Çukur dalga koşullarında ve MTOW CoG konfigürasyonunda alabora davranışı düşüktür ve 30° yatma açısına ulaşmak uzun zaman alır. Tam EFS konuşlandırması için gereken süreyi alabora olmadan tamamlar. Bu bulgular, farklı yatma ve sapma açılarının, dalga koşullarının ve CoG konfigürasyonunun, helikopterin suya iniş sırasında nasıl etkilendiğini sayısal olarak göstermektedir. Ayrıca, helikopterin suya iniş sonrası devrilme davranışı, belirtilen parametrelere göre incelenmiş ve sonuçlar sunulmuştur. Bu model, helikopter sertifikasyon süreçleri için değerli olabilir ve tam ölçekli model testlerine göre daha ekonomik, tekrarlanabilir ve esnek bir alternatif sunar.

Özet (Çeviri)

Helicopters are aircraft used for both land and sea operations. These operations are categorized according to various operational tasks. Helicopters have gained significant importance in offshore logistics systems due to their role in transportation and logistics for offshore oil/gas platforms. Additionally, helicopters are frequently preferred for numerous other purposes in offshore operations. Maritime helicopter operations are conducted under more unstable conditions and higher meteorological uncertainty compared to land operations. In maritime flights, reduced visual references pose a risk, especially during night flights and flights with low visibility. Factors such as the limited availability of emergency landing areas depending on sea conditions and the difficulty of approaching and departing from the platform contribute to the risk characteristics of maritime flights. A helicopter ditching is defined by flight authorities as an emergency landing maneuver performed in a controlled manner on water, in accordance with the instructions outlined in the flight manual (RFM). This definition is accepted as a pilot-controlled ditching, both under systematic failure or loss of control and when no other safe option remains. After landing on water, helicopters quickly begin to roll over, rotate, take on water, and eventually capsize. Personnel who survive the water landing lose their lives by drowning when the helicopter capsizes. Inflatable flotation systems are used to maintain the helicopter's stability after landing on water, preventing it from capsizing and sinking. These systems are called emergency flotation systems (EFS). They usually contain air tubes placed under the fuselage or on the sides. Aviation authorities state that EFS systems must inflate quickly. A review of the manufacturer's technical documentation indicates that full inflation occurs within 4-6 seconds. For the purposes of this thesis, it has been accepted that full inflation will occur in 5 seconds. Emergency flotation systems (EFS) are used to prevent helicopters from sinking when they occur ditching. However, EFS are usually triggered after impact, and it takes a certain amount of time for the systems to open and fully inflate. If the helicopter rotates to a certain roll angle within the water during this time, it may capsize even if the EFS opens. This thesis examines the ditching characteristics of a helicopter on wavy water with sea state 6 and the capsizing situation after ditching. Within the scope of the thesis, situations where the helicopter hits different positions of the incoming wave were examined numerically. The effect of the helicopter ditching on water at different roll and yaw angles was examined in terms of different parameters. Considering the time required to deploy the EFS, the effect of angles on the capsizing time was also investigated. Additionally, the effect of the helicopter's center of gravity (CoG) on the capsizing situation after landing on water was examined. The thesis aims to determine the effect of different parameters on the ditching and the subsequent capsizing situation. In the literature, studies conducted numerically have generally verified the dropping of a wedge or disk into water, and this model has been applied to aircraft. When reviewing the literature on helicopter ditching, the majority of studies focus on investigating the hydrodynamic effects that occur during ditching. However, there is a noticeable lack of studies examining the helicopter's capsize characteristics during the time required for the EFS to inflate after ditching. An experimental wedge free-fall test conducted by Yetteo was selected and numerically modeled in a time-dependent manner. In the experiment, a 94 kg wedge is released from a height of 1.3 m. The pressure, velocity, acceleration, and position values in the model were validated by the free-fall wedge test, and the accuracy of the helicopter water landing model was evaluated through these studies. This study analyzes the helicopter's ditching and the subsequent free-surface interactions, hydrodynamic loads, acceleration values experienced by the helicopter fuselage, and the helicopter's rolling behavior in water using the time-dependent Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) approach. Using the Volume of Fluid (VOF) and 6 Degrees of Freedom (6-DOF) methods, the evolution of the air-water interface and the vertical and angular responses of the 6-DOF helicopter fuselage in the water were calculated. An overset model was used to solve the large mesh changes that occur when solving the landing situation. The analyses were performed using Siemens StarCCM+, a commercial solver program. The model helicopter was scaled down to a 1/10 ratio for analysis. Scaling reduced the analysis time. The initial conditions for the helicopter were set at a roll and yaw angle of +10° and -10°. The pitch angle was kept constant. The landing conditions were examined in two different wave conditions: trough and rising wave. The helicopter's center of gravity was considered for the maximum shifted condition and the maximum takeoff weight condition. These conditions were cross-referenced to create 12 case. The helicopter's forward and descent velocity upon entering the water and the physical characteristics of the wave are the same for each condition. These values were determined in accordance with CS29.801 standards. For sea state 6, the trough and crest length of the waves is 6 meters and the wave period is 7.269 seconds. The limit velocity determined for the helicopter's ditching are 15 m/s forward velocity and 1.5 m/s descent velocity. In the analyses, a forward velocity of 4.9 m/s and a descent velocity of 1.1 m/s were assumed. The grid structure to be used is important for ditching analyses. Therefore, studies have been conducted to select the trim grid structure in order to make the analysis independent of the effects of the grid structure. From this, the appropriate grid structure was selected, and studies were conducted on time step independence to isolate it from time discretizations, thereby obtaining the most suitable grid structure for the analyses. Analyses were conducted for 12 different cases, and the results were examined for each analysis, focusing on the moment the helicopter ditching and after ditching. The analysis results revealed the situations in which the acceleration and pressure values peaked during and after ditching changes. In addition, the time-dependent change in the helicopter's roll angle was obtained, and the capsizing characteristics were examined. The contours of the helicopter on the water were shown with angle values depending on time. The following results were obtained from the analyses: The peak acceleration and pressure values during ditching increased when both the roll and yaw angles of the helicopter were +10° or -10°, i.e., when the angles were in the same direction. In this case, if the helicopter yaws toward the side of the fuselage entering the water, it concentrates the impact speed on the same side, increasing the wetted area, thus increasing the local impact intensity and shortening the momentum transfer time. In this case, it is thought that the peak acceleration and pressure values increase. Average maximum pressure and acceleration values were obtained for trough wave conditions and shifted CoG configuration. In rising wave cases, the helicopter rebounded from the wave crest, remained in the air a little longer, and made contact with the water again. When the roll and yaw angles were in the same direction, the time spent in the air after bouncing off the wave crest increased. In this case, the vertical speeds increased and produced high peak pressure-acceleration values on the second contact. After ditching, if the helicopter does not reach a 30° roll angle, it will return to 0° due to the righting moment. However, if it reaches a 30° roll angle, it will capsize rapidly. The helicopter exhibits the most intense capsize behavior in trough wave conditions and shifted CoG configuration, reaching a 30° roll angle in a short time. In trough wave conditions and MTOW CoG, capsize behavior is low, taking a long time to reach a 30° roll angle. It completes the time required for full EFS deployment without capsizing. These findings numerically demonstrate how different roll and yaw angles, wave conditions, and CoG configuration affect a helicopter during ditching. Furthermore, the capsize behavior of a helicopter after ditching has been examined based on the specified parameters, and the results have been presented. This model could be valuable for helicopter certification processes and offers a more economical, repeatable, and flexible alternative to full-scale model tests.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    223990

    Asymptotic predictions and full numerical solution of helicopter rotor noise in the far field

    Askıdaki helikopter rotor gürültüsünün uzak alandaki tam sayısal ve yaklaşıklık çözümleri

    ABDULLAH LEVENT ŞEN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2008

    Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CAN FUAT DELALE

  2. Tez No

    259205

    A numerical investigation of helicopter flow fields including thermal effects of exhaust hot gases

    Motor egzoz sıcak gaz etkilerini de içeren helikopter akış alanlarının sayısal olarak incelenmesi

    ZEYNEP ECE GÜRSOY

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2009

    Havacılık ve Uzay MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YUSUF ÖZYÖRÜK

  3. Tez No

    948655

    Numerical investigation of thermal comfort for passengers in a helicopter cabin

    Helikopter kabini içerisindeki yolcular için termal konforun sayısal araştırması

    MEHMET KÜLTE

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SERTAÇ ÇADIRCI

  4. Tez No

    850141

    Buckling of metallic skin-stringer and sandwich panel structures: A comparative numerical study

    Metalik kiriş-dış panel ve bal peteği sandviç panel yapılarının burkulması: Karşılaştırmalı nümerik bir çalışma

    EMRE APA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Havacılık ve Uzay MühendisliğiAnkara Yıldırım Beyazıt Üniversitesi

    Havacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ORHAN ÖZÇELİK

  5. Tez No

    222127

    Helikopter rotor performansının sayısal analizi

    The numerical analyse of helicopter rotor performance

    CUMHUR METE

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2007

    Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF.DR. ALİM RÜSTEM ASLAN

Geri Dön