HAFİF SANDVİÇ KOMPOZİT İHA KANADININ YAPISAL TASARIMI VE DİNAMİK ANALİZİ BİTİRME ÇALIŞMASI. Osman ASLAN. Uçak Mühendisliği. Programı. Dr. Öğr.

Transkript

1 İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ UÇAK VE UZAY BİLİMLERİ FAKÜLTESİ HAFİF SANDVİÇ KOMPOZİT İHA KANADININ YAPISAL TASARIMI VE DİNAMİK ANALİZİ BİTİRME ÇALIŞMASI Osman ASLAN Uçak Mühendisliği Anabilim Dalı : Tez Danışmanı: Dr. Öğr. Üye. Demet BALKAN Programı : HAZİRAN 2018

2

3 İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ UÇAK VE UZAY BİLİMLERİ FAKÜLTESİ HAFİF SANDVİÇ KOMPOZİT İHA KANADININ YAPISAL TASARIMI VE DİNAMİK ANALİZİ BİTİRME ÇALIŞMASI Osman ASLAN Uçak Mühendisliği Tez Danışmanı: Dr. Öğr. Üye. Demet BALKAN Anabilim Dalı : Programı : HAZİRAN 2018

4

5 İTÜ, Uçak ve Uzay Bilimleri Fakültesinin numaralı öğrencisi Osman ASLAN, ilgili yönetmeliklerin belirlediği gerekli tüm şartları yerine getirdikten sonra hazırladığı HAFİF SANDVİÇ KOMPOZİT İHA KANADININ YAPISAL TASARIMI VE DİNAMİK ANALİZİ başlıklı tezini aşağıda imzaları olan jüri önünde başarı ile sunmuştur. Tez Danışmanı : Dr. Öğr. Üye. Demet BALKAN İstanbul Teknik Üniversitesi... Jüri Üyeleri : Prof. Dr. Halit Süleyman Türkmen İstanbul Teknik Üniversitesi... Dr. Öğr. Üye. Özge Özdemir İstanbul Teknik Üniversitesi... Teslim Tarihi : Savunma Tarihi :

6

7 Aileme, iii

8 iv

9 ÖNSÖZ Bitirme çalışmamda bana başta ailem olmak üzere yardımcı olan arkadaşlarıma, hocalarıma teşekkürlerimi sunarım. Bitirme çalışmam sırasında beraber çalıştığım dönem arkadaşlarım Fatih ZEREN, Volkan DEMİR arkadaşlarıma, üst dönemim Emre SAĞLAM arkadaşıma, konumu belirlememde ve projemin ilerleyişinde yol göstericim Dr. Öğr. Üye. Demet BALKAN hocama müteşekkirim. İş hayatıma atılmadan önceki bu son düzlükte yardım ve önerilerini esirgemeyen tüm Uçak ve Uzay Bilimleri Fakültesi akademik kadrosuna destekleri için teşekkürlerimi sunarım. Haziran 2018 Osman ASLAN v

10 vi

11 İÇİNDEKİLER Sayfa ÖNSÖZ... v İÇİNDEKİLER... vii KISALTMALAR... ix TABLO LİSTESİ... xi ŞEKİL LİSTESİ... xiii ÖZET... xv SUMMARY... xvii 1. GİRİŞ Sandviç Kompozit Malzeme Sandviç Kompozitit Malzemenin Uçaklardaki Kullanımı İHA SINIFLARININ ARAŞTIRILMASI İHA nın Kullanım Alanları Silahlı İHA Geliştiren Ülkeler Türkiye nin İHA Süreci Türkiye nin Yerli Üretim İHA ları Türkiye nin Yerli Üretim Silahlı İHA ları Örnek İHA Araştırması ANKA Bayraktar Taktik İHA MQ-1 Predatör Karayel IAI Heron Hermes 900 (Kochav) KANAT GEOMETRİSİ ÖZELLİKLERİ Kanat Konumu Alttan Kanat Üstten Kanat Ortadan Kanat Ok Açısı Sivrilme Oranı Açıklık Oranı Dihedral Açısı Kök Veteri ve Uç Veterinin Hesaplanması Kanat Profilinin Seçimi Uçuş Koşulları İHA NIN KANADININ İÇ YAPISININ BELİRLENMESİ Spar Tasarımı Spar Kesitinin Belirlenmesi Spar Konumunun Belirlenmesi Rib Tasarımı Kabuk Tasarımı vii

12 KAYNAKLAR viii

13 KISALTMALAR İHA SİHA TAI CFD :İnsansız Hava Aracı :Silahlı İnsansız Hava Aracı :TUSAŞ Aerospace Industries :Computational Fluid Dynamics ix

14 x

15 TABLO LİSTESİ Sayfa Tablo3.1 :Örnek Kanat Profilleri xi

16 xii

17 ŞEKİL LİSTESİ Sayfa Şekil 1.1 : Sandviç Kompozit Malzeme Şekil 2.1 : İHA Kullanımı... 4 Şekil 2.2 : Bayraktar Taktik İHA Şekil 2.3 : Vestel Karayel İHA Şekil 2.4 : ANKA Şekil 2.5 : Bayraktar Taktik İHA Şekil 2.6 : Bayraktar Taktik İHA Şekil 2.7 : MQ-1 Predatör Şekil 2.8 : Karayel Şekil 2.9 : IAI Heron Şekil 2.10 : Hermes 900 (Kochav) Şekil 3.1 : Ok Açısı Gösterimi Şekil 3.2 : Sivrilme Oranının Lift Dağılımına Etkisi Şekil 3.3 : Çeyrek Veter Sivrilme Oranı Şekil 3.4 : Dihedral Açısının Belirlenmesi Şekil 3.5 : Kanat Profili Şekil 3.6 : HQ 3.0/15 Kanat Profili Şekil 3.7 : HQ 3.0/15 Kanat Profili CD/CL Grafiği Şekil 4.1 :Kanat İç Yapısı Şekil 4.2 : Spar Kesiti C Profili Şekil 4.3 : Sparların Üstten Görünümü Şekil 4.4 : Sparların Yandan Görünümü Şekil 4.5 : Sparların Kabuk İçerisindeki Görüntüsü Şekil 4.6 : Spar ve Riblerin Üstten Görünümü Şekil 4.7 : Kabuğun Görünümü Şekil 4.8 : Tasarlanan Kanadın Bütün Görünümü xiii

18 xiv

19 HAFİF SANDVİÇ KOMPOZİT İHA KANADININ YAPISAL TASARIMI VE DİNAMİK ANALİZİ ÖZET İnsansız hava araçları 8 ülkede üretilmesine rağmen birçok ülkede kullanılmaktadır. Ülkemizin önde gelen şirketlerinden TAI, Baykar Makine, Vestel gibi şirketlerin yaptığı insansız hava aracı üretimi, insansız hava aracı anlamında yabancı ülkelere olan bağlılığımızı azaltmıştır. Son yıllarda ihracat girişimleri de devam etmektedir.böylece ülkemiz için önemli bir gelir kaynağı havuzu oluşturmak hedeflenmektedir. Dünya ülkeleri tarafından daha çok tercih edilen insansız hava araçları geliştirmek için bir çok çalışma yapılmaktadır. Bu çalışmada da hafif sandviç kompozit malzemeden yapılmış bir insansız hava aracı kanadının dinamik analizinin yapılması hedeflenmiştir. Kullanım amaçlarına göre farklılık gösteren insansız hava araçları için kanadın performansı çok büyük önem arz etmektedir. Optimum hafiflik ve optimum mukavemet odak noktamız olmaktadır. Bu odak noktaları dolayısıyla hafif sandviç kompozit malzeme tercih edilmiştir. Böylece bu optimum değerlerin getirisi olarak kanadın performansı artmaktadır. Kanadın artan performansı ile birim sürede ve birim yolda harcanan yakıt miktarını düşürerek daha fazla uçuş süresi hedeflenmiştir. Çalışmamda literatür araştırmalarında hareketle kanadın gerekli ölçüleri, tasarım konfigürasyonları, uçağımızın hızı, uçuş irtifası gibi özellikleri belirlenmiştir. Ölçüleri belirlenen kanadımız CATIA V5R19 çizim programında tasarlanmıştır. Kanadımızın tasarımı ANSYS Workbench e aktarılmıştır. Kanadımızın üzerine etkiyen yüklemeleri belirlemek için öncelikle akış analizi gerçekleştirilmiştir.uçağımızın kanadının gerekli kaldırma kuvvetini sağladığı teyit edildikten sonra uçağın dinamik analizi yapılmıştır. Yapılan çalışma sonrasında gerekli değerlendirme ve yorumlar yapılmıştır. xv

20 xvi

21 STRUCTURAL DESIGN AND DYNAMIC ANALYSIS OF LIGHT SANDWICH COMPOSITE UAV WING SUMMARY Although unmanned aerial vehicles are produced in 8 countries, they are used in many countries. Unmanned aerial production by companies such as TAI, Baykar Makine and Vestel, one of the leading companies in our country, has reduced our commitment to foreign countries in the sense of unmanned aerial vehicles. Export initiatives are also continuing in recent years. It is aimed to create an important revenue pool for our country. Much work has been done to develop unmanned aerial vehicles, which are preferred by the countries of the world. In this study, it was aimed to perform a dynamic analysis of an unmanned aircraft wing made of light sandwich composite material. The performance of the wing is of great importance for unmanned aerial vehicles, which vary according to their intended use. Optimum lightness and optimum strength are our focal points. Because of these focal points, light sandwich composite material is preferred. Thus, the performance of the wing increases as a result of these optimum values. With the increased performance of the wing, more flight times were targeted by reducing the amount of fuel spent per unit time and unit. In my study, the characteristics of the wing such as the required measurements, design configurations, speed of the aircraft, flight altitude were determined with the help of literature researches. Our measured gauge is designed in the CATIA V5R19 drawing program. The design of our wing has been transferred to ANSYS Workbench. Flow analysis was first performed to determine the impacts on our wing. A dynamic analysis of the aircraft was made after it was confirmed that the wing of the wing provided the required lifting force. The necessary evaluations and comments were made after the work was done. xvii

22 xviii

23 1. GİRİŞ 1.1 Sandviç Kompozit Malzeme Kompozit malzeme ; birbirinden farklı en az 2 malzemenin birleşmesiyle oluşturulan bir yapıdır.kompozit yapı kendisini oluşturan malzemelerin özelliklerinden daha üstün özelliklere sahiptir.sandviç kompozit malzeme ise bir malzemenin altına ve üstüne kendisinden farklı malzeme veya malzemeler yapıştırılarak veya eklenerek oluşturulmuş kompozit malzemedir.tabii ki avantajlarının yanı sıra dezavantajları da mevcuttur. Bu avantaj ve dezevantajlar aşağıdaki gibidir. Sandviç kompozit malzemeler iki adet rijit apının arasına daha hafif ve daha az mukavemete sahip bir yapı yerleştirilerek hem mukavemetli hem de hafif olması hedeflenerek üretilmektedir. (Kaynak 2) Avantajları: 1-Hafiflik 2-Yüksek mukavemet 3-Kolay şekillendirilebilirlik 4-Korozyon dayanımı 5-Yüksek yorulma kabiliyeti 6-Geri dönüşümünün kolay olması 1

24 Dezavantajları: 1-Yüksek maliyet 2-Onarımının zor olması 3-Darbe dayanımları düşüktür 4-Yanıcıdırlar Çekirdek malzemenin alt ve üst kısımlarına yapıştırılarak aşağıdaki gibi sandviç yapı elde edilir. Bu yapı bileşenlerinden daha hafif ve dirençlidir. (Kaynak 1) Şekil 1.1 : Sandviç Kompozit Malzeme (Kaynak 2) 1.2 Sandviç Kompozitin Uçaklardaki Kullanımı Kompozitlerin en yaygın olarak kullanıldığı alan olarak ilk sırada havacılık gelmektedir. Uçakların yapılarının büyük bir çoğunluğu kompozit malzemelerden oluşmaktadır. Bunun başlıca sebebi ise hafifliktir ancak bu hafiflik özelliklerine karşın mekanik özelliklerinin de üstün olması önemli bir etkendir.sanviç kompozit malzemeler ise kendisini oluşturan malzemelerden daha üstün özelliklere sahip oldukları için havacılıkta kullanılmaya uygundurlar.uçak ve helikopterler ve diğer 2

25 hava araçları için yapısal malzeme ve iç mekan tasarımında büyük ölçüde kompozit malzemeler kullanılmaktadır. (Kaynak 3) Savunma sanayinde uçakların süpersonik hareket kabiliyetlerinden dolayı fiber kompozit malzemelere ihtiyaç duyulmaktadır. Örneğin General Dynamics tarafından üretilen F111 lerin gövdesinde bor-epoksi, Northrop F5 lerin gövdelerinde grafitepoksi kullanılmıştır.yine General Dynamics e ait YF16 da karbon epoksi esaslı kompozitler kullanılmıştır. F-16 larda, yatay ve dikey kuyruk ve kontrol yüzeyleri de karbon-epoksi dir.. (Kaynak 2) Karbon Elyaf Takviyeli Termoset Reçineli Prepreg ANKA nın kanat kirişi üretimi için çalışmalar devam etmektedir.(kaynak 4) 2. İHA Sınıflarının Araştırılması İHA ların temeli I. Dünya Savaşına dayanmaktadır. İlk başlarda Uzaktan Komutalı Araç adı verilen hava aracı bir model uçakçı tarafından yapılmıştır. Günümüzden yaklaşık 100 yıl önce başlayan İHA üretimi artık günümüz çağında savunma sanayi için ana ürün haline gelmiştir. Öyle ki küresel güç olarak nitelendirilen ABD 2010 yılında filosunun %30 unu, 2015 te ise hava kuvvetlerinin tamamının %30 unu İHA lardan oluşturmasını öngörmüştür. Ancak İHA üretimi konusunda en gelişmiş ülke olarak İsrail dikkat çekmektedir.her ne kadar savunma amacını bir kenara bırakıp suçsuz insanlar üzerinde bu teknolojisini kullansa da maalesef bu alanda lider durumdadır.ülkemizde yapılan çalışmalar ve önemli şirketlerin atılımlarıyla yerli ve milli İHA lar üretilmiş hatta bazı İHA lar silahlandırılarak SİHA olarak kullanılmaya çalışılmıştır.iha üreten ülke sayısının azlığı ülkemizin bu alanda hızla yükselmesine ve gelişmesine olanak sağlamıştır.başlangıçta savunma sanayinde dışa bağımlılığı azaltmak hedeflenmiş, daha sonra özellikle TAI ve BAYKAR firmalarının İHA ları 3

26 ihraç edilerek ülkemiz için önemli bir gelir kaynağı haline gelmesi hedeflenmiştir.(kaynak 6) Şekil 2.1:İHA Kullanımı 4

27 2.1 İHA ların Kullanım Alanları 1- Gözetleme 2- Keşif 3- İmha gibi askeri amaçlar 4- Taşımacılık (Genişleyen sivil alanlar dahil.) 5- Zirai ilaçlama 6- Kamera çekimi 7- Yangın söndürme (Kaynak 6) SİHA lar çok az ülke tarafından üretiliyor. İHA larda yapılan modifikasyon ve gelişmelerle çeşitli mühimmat ve kamera eklenerek önemli bir silaha dönüşüyor. SİHA lar hedef tespiti ve tespit edilen hedefe minimum kayıpla saldırı gerçekleştirme konusunda oldukça verimli araçlardır. 5

28 Şekil 2.2 : Bayraktar Taktik İHA (Kaynak 7) İHA lar Ülkeler için hayati önem taşır konuma gelmiştir şu anda yaklaşık 30 civarı ülke İHA kullanmaktadır ancak üretici ülkeler 8 tanedir. Bu durum da İHA üretiminin ekonomik ve askeri kazanımlarının bir hayli fazla olması anlamını taşımaktadır. 6

29 2.2 SİHA Geliştiren Ülkeler ABD: MQ 1 Predator / MQ 9 Reaper / X - 47A İsrail: Eitan / Hermes 900 Çin: Pterodactyl 1 / AVIC 601 S İran: Karrar İtalya: Es Falco Hindistan: Rustom 2 Pakistan: Burraq Türkiye: BAYRAKTAR / ANKA Türkiye Silahlı İHA üreten 8 ülke arasına girerek bu alanda ciddi bir güç haline geldi. Ülkemizde toplamda 5 İHA, 2 de SİHA üretilmiştir. 2.3 Türkiye nin İHA Süreci 2004 SSM ve TUSAŞ arasında sözleşme imzaladı Bayraktar Blok A, ilk otomatik uçuş testini tamamladı ANKA ilk test uçuşunu 10 dakika havada kalarak gerçekleştirdi Silahlı Bayraktar Taktik İHA ilk başarılı atış testini yaptı Bayraktar Silahlı İHA olarak hizmete girdi. (Kaynak 6) 7

30 Şekil 2.3 : Vestel Karayel İHA (Kaynak 6) Türkiye nin Yerli Üretim İHA ları 1- Anka 2- Bayraktar 3- Karayel 4- Turna 5- Şimşek (Kaynak 6) Yerli SİHA lar 1- Anka 2- Bayraktar (Kaynak 6) 2.4 Örnek İHA Araştırması ANKA Mürettebat: yok Gövde uzunluğu: 8 m Kanat açıklığı: 17 m Kanat alanı: 13.6 m² Kanat Açıklık Oranı - :

31 Kanat Ok Açısı (çeyrek veter): 0 Toplam Kalkış Ağırlığı: kg Yakıt ağırlığı: 250 kg Yararlı Yük Ağırlığı: 200 kg Motor: 1 Thielert Centurion 2.0 dört-silindirli, turbo dizel, 155 hp (114 kw) Performans Azami hız:217 km/s (117 knot,135 mph) Olağan Seyir Hızı: > 75 knot Servis irtifası: 30,000 ft Havada Kalış Süresi: saat Harekât yarıçapı: 200 km Uydu kontrolü ile sınırsız(anka-s) (Kaynak 8) Şekil 2.4 : ANKA (Kaynak 24) 9

32 2.4.2 Bayraktar Taktik İHA Şekil 2.5:Bayraktar Taktik İHA-2 (Kaynak 9) Genel özellikler Mürettebat: yok Gövde uzunluğu: 6.5 m Kanat açıklığı: 12 m Toplam Kalkış Ağırlığı: 650 kg Faydali Yük Ağırlığı: 55 kg Motor: 1 Rotax 912 İçten Yanmalı Enjeksiyonlu Motor, 100 Beygir Performans Azami hız: 135 Knot Olağan Seyir Hızı: > 70 knot Servis irtifası: 27,000 feet Havada Kalış Süresi: > 24 Saat (Kaynak 9) 10

33 Şekil 2.6: Bayraktar Taktik İHA-3 (Kaynak 9) MQ-1 Predatör Genel Özellikler Mürettebat: yok Uzunluk: 8,22 m Kanat açıklığı : 14.8 m ( Block 10/15 MQ-1B olan 55,25 ft (16,84 m)) Yükseklik: 2.1 m Kanat alanı: 11,5 m² Boş ağırlık : 512 kg Yüklü ağırlık: kg Maksimum kalkış ağırlığı : kg Motor: 1 Rotax 914 F turbo Dört silindirli motor, 115 hp (86 kw) Performans Maksimum hız : 217 km / h Seyir hızı : km / h 11

34 Stall hızı : 100 km / saat Aralığı : > km Dayanıklılık : 24 saat Servis tavanı : 7620 m Silâhlanma 2 Hardpoints 2 AGM-114 Hellfire (MQ-1B) AIM-92 Stinger (bilinmeyen numara) (MQ-1B) 6 x Griffin havadan karaya füzeler (Kaynak 10) Şekil 2.7 : MQ-1 Predatör (Kaynak 21) Karayel Servis İrtifası: 22 bin 500 feet Seyir Hızı : knot Havada Kalış Süresi: 20 saat 12

35 Gövde Uzunluğu: 6.5 m Kanat Açıklığı: 10,5 metre Toplam Kalkış Ağırlığı: 550 kg Motor Gücü : 97 Hp (Kaynak 11) Şekil 2.8: Karayel (Kaynak 22) IAI Heron Genel özellikler Mürettebat: None Yükleme sınırı: () Uzunluk: 8.94 m (29 ft 4 in) Kanat açıklığı: m (54 ft 5 in) Maksimum kalkış ağırlığı: 1,150 kg (2,530 lb) Güç ünitesi: 1 Rotax 914, 86 kw (115 hp) Performans Maksimum hız: 207 km/h (113 knots, 130 mph) Menzil: 350 km (189 nm, 217 mi) Servis tavanı: 10,000 m (32,800 ft) 13

36 Tırmanma oranı: 150 m/min (492 ft/min) Kanat yüklemesi: 200 kg/m² (40.9 lb/ft²) (Kaynak 12) Şekil 2.9: IAI Heron (Kaynak 23) Hermes 900 (Kochav) Genel Özellikler Mürettebat: yok Uzunluk: 8.3 Kanat açıklığı : 15 m Maksimum kalkış ağırlığı : 1180 kg Motor: 1 Rotax 914 F turbo Dört silindirli motor, 115 hp (86 kw) (Kaynak 13 ) Şekil 2.10: Hermes 900 (Kochav) (Kaynak 25) 14

37 3. Kanat Geometrisinin Özellikleri 3.1 Kanat Konumu Kanadın gövdeye bağlanma konumu uçağın bir çok özelliğini etkilemektedir.uçağın kullanım amacına göre 3 farklı gövdeye bağlanma konumu bulunmaktadır. Bunlar; -Alttan kanat -Üstten kanat -Ortadan kanat Olmak üzere avantaj ve dezavantajları aşağıda sıralanmıştır Alttan Kanat Kanat gövdeye alttan bağlanmıştır.günümüzde genellikle yolcu uçaklarında kullanılmaktadırlar. Avantajları: - Yakıt ikmali daha kolay gerçekleşmektedir. - Uçağın üst ve yan kısımlarına daha iyi bir görüş imkanı sunmaktadır. - Yer yüzeyine yaklaştığında kaldırma kuvvetini arttıran ve sürükleme kuvvetini azaltan daha iyi yer etkisine sahiptir. - İniş takımlarının kanada bağlanması için idealdir. -Manevra kabiliyetini arttırır. 15

38 Dezavantajları: -Bakım esnasında uçak yerdeyken çalışan teknik ekip için yetersiz alana sahiptir. -Uçak yerdeyken yerden gelebilecek cisimlere karşı daha savunmasızdır. -Stabiliteye negatif etki etmektedir. (Kaynak 14) Üstten Kanat Kanat gövdeye üstten bağlıdır. Daha çok kargo uçaklarında tercih edilen bir konfigürasyondur. Avantajları: -Kargo uçakları için yükleme ve boşaltma kolaylığı sağlamaktadır. -Ürettiği taşıma kuvveti diğer kanat konfigürasyonlarına oranla daha fazladır,stall hızını düşürmekte olan bir konfigürasyondur. -Bakımı daha kolaydır. -Yerden gelebilecek zararlı madde ve cisimlere karşı daha korunaklıdır. -Aerodinamik anlamda kanadın yanı sıra gövdeden de faydalanılabilir. Dezavantajları: - Pilotun görüş alanı cruise uçuşunda iyiyken,dönüş esnasında kanatlardan dolayı engellenmektedir. -Yakıt dolumu için yerden yükseklik zorluk çıkarmaktadır. -Kanada bağlı olan iniş takımlarının uzun olması hem ıslak yüzeyi arttırmakta dolayısıyla ekstra sürükleme kuvvetine neden olmakta ve ağırlığında artmasına neden olmaktadır. (Kaynak 14) 16

39 3.1.3 Ortadan Kanat Kanat gövdeye ortadan bağlanmıştır. Genelde optimum stabilite ve optimum manevra kabiliyeti konusunda bir hayli avantajlı olan bu konfigürasyon daha çok savaş uçaklarında kullanılmaktadır. Avantajları: - Stabilitesi ve manevra kabiliyeti optimum sayılabilecek seviyededir bu iki parametreyi beraber sağlamak diğer iki konfigürasyona kıyasla daha kolaydır. -Görüş alanı konusunda da daha avantajlıdır. -Parazite sürüklemeyi düşürür. Dezavantajları: -Gövdede yer işgal ettiği için yük veya yolcu taşınacak uçaklar için verimsizdir. -İniş takımının boyunun uzun olması sürüklemeyi ve ağırlığı arttırmaktadır. (Kaynak 14) Örnek İHA larda da görüldüğü üzere avantaj ve dezavantajları kıyaslandığında üstten kanat konfigürasyonu daha verimli bulunmuştur.taşımanın yüksek olması,stabilitenin yüksek olması,stall hızının düşük olması,aerodinamik anlamdaki verimliliği bu konfigürasyonun seçilmesindeki önemli kriterlerdir. 3.2 Ok Açısı Ok açısı lateral eksen ile kanadın çeyrek veter uzunluğu arasında kalan açıdır.kanadın üzerine gelen hava akımını bileşenlerine ayırarak süpersonik ve transonik akışın kanat üzerindeki yıpratıcı etkisini azaltmak için yapılan bir çalışmadır. Benzer uçak çalışmamızda da görüldüğü üzere ana örneğimiz olarak belirlediğimiz ANKA ve ANKA konseptindeki İHA ların kızları 217 km/saat 17

40 civarında olduğundan dolayı yaklaşık olarak 0,2 mach civarında uçulması hedeflenmektedir. Ok açısı süpersonik hızlarda kullanılan bir konsept olduğundan dolayı kanadımızda ok açısı kullanmayacağız.(kaynak 15) Şekil 3.1: Ok Açısı Gösterimi (Kaynak 16) 3.3 Sivrilme Oranı Kanadımızın kök ve ucunda aynı kanat profilini kullanmayı düşünmekle beraber bu kanat profillerini ölçeklendirerek bir sivrilme oranı belirlemeye çalışacağız. Uçtaki veter uzunluğunun,kökteki veter uzunluğuna oranı olarak tanımlanan sivrilme oranı kanadın induced drag değerini azaltmaktadır.kanadın yük dağılımını en verimli hali olan eliptik taşıma dağılımına benzetmek için kullanılır.eliptik taşıma dağılımı induced drag değerinin minimum olduğu konsepttir (Kaynak 15). 18

41 Şekil 3.2: Sivrilme Oranının Lift Dağılımına Etkisi (Kaynak 15) Ağırlık merkezini çeyrek veterin önüne taşımak için sivrilme oranı önemli bir parametredir.çünkü dikdörtgen kanatların ağırlık merkezi genelde yarım veter civarındadır.böylece kanada binen eğilme momenti kaynaklı yükler azalacaktır.böylece kullanılacak sparların kalınlığı ve dolayısıyla ağırlığı konusunda bir avantaj sağlanmış olacaktır.uçuş süresinin uzunluğu ile bu konu bir hayli önem kazanmaktadır.tasarımını yaptığımız kanat için tayin edeceğimiz sivrilme açısı Uçak tasarımı temelleri dersimizde kullandığımız Raymer in kitabından alınan aşağıdaki grafikten belirlenebilir. Sivrilme oranı İnsansız hava araçları için çok önemli bir etkendir. Dikdörtgen kanatların ağırlık merkezleri kanat ortalarında iken sivrilmiş kanatlarda ağırlık merkezi kanat gövdesine doğru yaklaşmış olacak bu durum eğilme momentini azaltacaktır. Kanatlardaki eğilme momentini taşıyan sparlara daha az yük binmesini sağlayacaktır. Bu durum daha küçük spar kullanılmasına yardımcı olacağı için kanat yapısının ağırlığı azaltılabilmiş olacak. İHA lar gibi uzun süreli uçuş yapacak olan uçaklar için bu durum çok büyük bir öneme sahiptir. 19

42 Aşağıda verilmiş olan ok açısının sivrilme oranına etkisini gösteren grafikten, kanadımızın sivrilme oranını belirleriz.grafikte görüldüğü üzere ok açısının 0 seçildiğibir kanat yapısına karşılık gelen sivrilme oranı yaklaşık olarak 0,44 tür.(kaynak 15) Şekil 3.3:Çeyrek Veter Sivrilme Oranı (Kaynak 15) 3.4 Açıklık Oranı,Açıklık ve Kanat Alanı Açıklık oranımızın belirlenmesinde yine benzer İHA ların ortalama açıklık oranını kullanmakla beraber ana örneğimiz olan ANKA nın açıklık oranına yakın bir değer belirlenmiştir.tasarlanan kanadımız için açıklık oranı 20,1 olarak belirlenmiştir.kanat açıklığımız ise yine benzer İHA ların ortalama değeri olan 15,5 metre olarak belirlenmiştir. Bu durumda ; 20

43 3.5 Dihedral Açısı Uçağa önden bakıldığında,uçağın yatay ekseni ile kanadın uzunlamasına olan ekseni arasındaki açıya dihedral açısı denir. Yine Raymer in kitabından aldığımız tablodan hareketle ok açısı olmayan,üstten kanatlı bir uçak için belirtilen Dihedral açısı değeri 0 ile 2 derece arasındadır.tasarım kolaylığı anlamında ve açıklık oranımızın yüksek olması sebebiyle Dihedral açımızı da 0 derece verdik. (Kaynak 15) Şekil 3.4:Dihedral Açısının Belirlenmesi (Kaynak 15) 3.6 Kök Veteri ve Uç Veterinin Hesaplanması Sivrilme oranımızı,kanat alanımızı,açıklığımızı belirledik aşağıdaki denklemleri kullanarak kök ve uç veter uzunluğumuzu hesaplayabiliriz. Sivrilme oranı=0,44 21

44 3.7 Kanat Profilinin Belirlenmesi Kanat profilinin seçimi üretilecek kaldırma kuvvetini etkileyen önemli bir faktördür.stall açısının yüksek olması ve üretilecek kaldırma kuvvetinin yüksek aynı zamanda sürükleme kuvvetinin de olabildiğince düşük olması hedeflenmektedir.anka konseptindeki İHA larda kullanılan kanat profilleri aşağıdaki gibidir. Bunların arasından en verimli olacağını düşündüğüm kanat profili kalın kanat profillerinden biri olmalıdır.bir kanat profilini kalın olarak nitelendirmek için t/c oranının %14 ten fazla olması gerekmektedir. Şekil 3.5: Kanat Profili (Kaynak 17) 22

45 Profil Kalınlık Kamburluk CL,max (%) (%) (L/D)max Stall Angle HQ 3.0/ KC NACA NACA EPPLER 520 BL52.44 Tablo 3.1: Örnek Kanat Profilleri (Kaynak 19) L/D oranının ve stall açısının maksimum olduğu kanat profilini seçmemiz daha uygun olacaktır. HQ 3.0/15 mevcut tercihler arasında en idealidir. Şekil 3.6: HQ 3.0/15 Kanat profili (Kaynak 19) 23

46 Şekil 3.7:HQ 3.0/15 Kanat Profili CD/CL Grafiği (Kaynak 19) 3.8 Uçuş Koşulları Benzer amaç için üretilen İHA lardan elde ettiğimiz bilgiler ve yukarıda yaptığımız bazı hesaplamalarla elde ettiğimiz bilgiler doğrultusunda uçuş koşullarımız şu şekilde olmuştur: İrtifa 7620 m (25000 ft) Maksimum Kalkış Ağırlığı 1220 kg Maksimum Hız 217 km/s Seyir Hızı 200 km/s Kanat Açıklığı (b) 15,5 m Kanat Alanı ( S ) 11,95 m2 Açıklık Oranı ( AR) 20,1 24

47 4. İHA nın Kanadının İç Yapısının Belirlenmesi Hava araçlarının kanatlarındaki yüklemeyi kaldırması ve hafifliği sağlaması istenerek kanadın içerisine Rib ve Spar adı verilen yapılar yerleştirilmektedir.bu yapılar Kabuk adı verilen üçüncü bir yapı tarafından sarılır böylece kanat yüzeyindeki sürtünmenin minimum olması hedeflenmiştir. Böylece kanat daha mukavim olacaktır. Şekil 4.1:Kanat iç yapısı (Kaynak 17) 4.1 Spar Tasarımı Kanadın asıl yük taşıyan bileşeni sparlardır.uçuş esnasında oluşan yükler sırasıyla kabuktan riblere ve riblerden sparlara iletilir.bu yüklerin kanat üzerinde oluşturduğu momentlerin de çoğunu sparlar taşımaktadır.bu nedenle sparların yapılacağı 25

48 malzeme seçilirken en önemli öncelik hafiflik değil mukavemetidir.genelde kanatlarda 2 spar kullanılır bunun amacı daha dayanıklı bir kanat elde etmektir Spar Kesitinin Belirlenmesi C, I, T, Z, H, U, L gibi şekillerde olabilmektedir. Bu çalışma kapsamında benzer insansız hava araçlarında da kullanıldığı gibi C kesitli kiriş kullanılmıştır. Şekil 4.2:Spar Kesidi C Profili (Kaynak18) Spar Konumlarının Belirlenmesi Kullandığımız sparların kanat profili üzerindeki konumlamaları için Michael ChunYung Niu nun Airframe Structural Design kitabından faydalanılarak belirlenmiştir.kitaba göre Ön spar veter uzunluğunun %12 ile %17 si arasında konumlandırılabilirken, arka spar için ise veter uzunluğunun %55-%60 arasında konumlandırılması önerilmiştir. Ben bu değerlerin ortalamasını alarak ön spar için %14,5 arka spar için %57,5 konumuna yerleştirilmesine karar verdim. (Kaynak 20) Şekil 4.3:Sparların Üstten Görünümü 26

49 Şekil 4.4: Sparların yandan görünümü Şekil 4.5: Sparların Kabuk içerisindeki görüntüsü 4.2 Rib Tasarımı Kanadın dış görünüşünü korumasını sağlamak için kullanılan kanat profili kesitlerine rib denir.ribler kanadın gövdeye bağlandığı bölgedeki fazla yüklemeyi taşıması için 27

50 kök tarafında daha sık kanat ucunda ise daha az bulunmaktadır.genelde içinden geçen kablo ve borular için aynı zamanda daha hafif bir yapı elde edebilmek için riblerde delik veya boşluklar açılır. Kanat kökünden kanat ucuna kadar belirli mesafelerde yerleştirilen ve hücum kenarından firar kenarına kadar uzanan elemanlara rib denir. Temel görevi yük altında kalan kanadın şeklinin bozulmasını engellemektir yani kanadın şeklini korumaktır. Kanat üzerindeki yükleme eliptik veya eliptiğe yakın bir dağılımdadır.bu kanat ucundaki yüklemenin minimum, kanadın bağlantı bölgesindeki yüklemenin maksimum olması demektir.bu yükleme farkından dolayı kanadın şeklinin bozulmaması için kök bağlantı noktasında daha sık, kanat ucunda daha seyrek olmak üzere toplamda 7 tane rib yerleştirilmiştir. Öncelikle ağırlıktan tasarruf etmek için, aynı zamanda kanat içinden geçmesi muhtemel kablo, hortum ve benzeri bileşenlere yer sağlamak için riblerimizde toplamda 4 er tane delik açtım. 28

51 Şekil 4.6:Spar ve Riblerin Üstten Görünümü 4.3 Kabuk Tasarımı Üzerinden hava akışının olduğu, kanada ana şekilini veren,aero dinamik yüklerle ilk temas eden kanat yapısıdır.olabildiğince hafif ve dayanıklı olması gereken bu yapı için genelde 3-5 mm civarında olan kabuk kalınlığı için ortalama değer olan 4 mm belirlenmiştir.kabuk ve kanadın bütün bileşenlerinin beraber olduğu görüntüler aşağıdaki gibidir. 29

52 Şekil 4.7: Kabuğun Görünümü Şekil 4.8: Tasarlanan Kanadın Bütün Görünümü 30

53 KAYNAKÇA (Kaynak 1) (Kaynak 2) (Kaynak 3) (Kaynak 4) p/2017/12/19/05/19/resized_08f79-4c48c893rq7bshadow200tuav.jpg (Kaynak 5) (Kaynak 6) (Kaynak 7) QcWeX0Fua2E (Kaynak 8) mfrdgfyx1rha3rpa1_esg5zyw5zxlf6x0hhdmffqxjhy8sx (Kaynak 9) MV9QcmVkYXRvcg (Kaynak 10) 31

54 dgvsx0thcmf5zww (Kaynak 11) hlcm9u (Kaynak 12) RfSGVybWVzXzkwMCNUZWtuaWtfw7Z6ZWxsaWtsZXI (Kaynak 13) (Kaynak 14) Raymer D. P. (1992). Aircraft Design: A Conceptual Approach,, Washington: American Institute of Aeronautics and Astronaustics (Kaynak 15) 32

55 33

56 34