İnsansız Hava Araçlarına Bir Bakış Doç. Dr. Dilek Funda KURTULUŞ, Prof. Dr. Ozan TEKİNALP ODTÜ, Havacılık ve Uzay Mühendisliği Bölümü

Transkript

1

2 53 atımlı bir otomatik top kullanılmaktadır. Eşeksenli yardımcı silah olarak ise, TSK envanterinde bulunması sebebiyle 7.62 mm lik MG3 makineli tüfeği seçilmiştir. Silahların vuruş hassasiyetinin engebeli arazi şartlarından etkilenmemesi amacıyla, kule, yüksek hassasiyetli stabilizasyon sistemi ile araç hareketlerinden izole edilmektedir. Sisteme dahil olan atış kontrol bilgisayarı, kule üzerinde bulunan algılayıcılardan alınan rüzgâr hızı ve yönü, hedef ile kule yönelimi, hedef mesafesi gibi çeşitli bilgileri silah özellikleriyle birlikte balistik hesaplamalara dâhil ederek nişancının hedefi ilk atışta vurma olasılığını arttırmaktadır. Gelecekte TOW, Milan ve Kornet gibi tanksavar füzeleri ile de donatılabilecek UKK, 25 mm den daha büyük kalibreli silahların kullanılacağı kuleler için de temel oluşturacaktır. Kulenin zırhlı olmasının yanı sıra nişancının düşman tarafından öncelikli hedef bölge olarak görülen kule yerine araç içerisinde bulunması, personel güvenliği açısından da önemlidir. Böylece kule hasar görse bile, personel yaralanmamakta veya kaybedilme- mektedir. Modern silah platformlarının vazgeçilmez unsurlarından birisi de, nişancının hedef tespit, teşhis ve tanımlama fonksiyonlarını yerine getirmesini sağlayan görüş sistem- leridir. UKK ya, nişancıya kötü hava şartla- rında, gece ve gündüz hassas görüş imkanı sunan termal kamera, gündüz görüş kame- rası ile hedef mesafesinin yüksek hassa- siyetle tespiti ve balistik hesaplamaların doğrulukla yapılmasını sağlayan lazer mesafe ölçüm cihazından oluşan bir görüş sistemi entegre edilmektedir. Elektro-optik ekipmanlar, kuleden bağımsız olarak iki eksende dönebilen bir beşik içerisine yerleştirilmiştir. Bu beşik sisteminin en önemli özelliği, kule eksenlerinden bağımsız bir stabilizasyon sistemine sahip olmasıdır. Görüş sistemi, silahtan bağımsız olarak yükseliş ekseninde +50 /-10, dönüş ekseninde ise ± 7.5 dönebilmektedir. Bu sayede, helikopter gibi hızlı hedeflere de taarruz edilebilmesi öngörülmektedir. Bağımsız harekete sahip görüş sisteminin getireceği bir diğer kabiliyet de, meskûn mahallerde namlunun yukarı kaldırılarak siviller rahatsız edilmeden görüş sistemi ile gözetleme yapılabilmesinin mümkün olma- sıdır. Görüş sistemi, sahip olduğu otomatik hedef takip özelliği ile istenen hedeflerin kullanıcı komutları olmadan da izlene- bilmesini sağlamaktadır. Nişancı görüş sistemine ilave olarak, kule üzerine monte edilebilen, iki eksende tam bağımsız komutan görüş sistemi sayesinde KAYNAKÇA araç komutanı, nişancı için önceden hedef belirleyip, nişancıyı yönlendirebilmektedir. Bu sayede, nişancı ve komutanın eşgüdüm içinde hareket ederek, daha kısa sürede daha fazla hedefi etkisiz hale getirmesi mümkün olmaktadır. UKK Projesi, Kavramsal Tasarım, Ön Tasarım, Detay Tasarım ve Teknik Veri Paketi (TVP) Oluşturulması ve Prototip Test ve Değer- lendirme safhalarından oluşmaktadır. Projede gelinen son durum itibariyle Kavram- sal Tasarım, Ön Tasarım ve Detay Tasarım safhaları tamamlanmış olup imalat çalışma- ları başlamış durumdadır. Günümüzde orduların talep ettiği ortak eğilimlere uygun şekilde geliştirilen UKK nın, dünyadaki benzer örneklerinin çok az olması sebebiyle, yurt içi ve yurt dışı satış potansiyelinin oldukça yüksek olacağı değerlendirilmektedir. 1) O Malley, T.J., Fighting Vehicles: Armored Personnel Carriers and Infantry Fighting Vehicles, Greenhill Books, ) Zaloga, Steven J., The M2 Bradley, Osprey Publishing Limited, ) Eshel, D., Bonsignore, E., A Fresh Look at Remotely Operated Weapon Stations, Military Technology, MILTECH, 10/ ) Ogorkiewicz, R., M., Turrets and Overhead Weapon Installations for AFVs, Military Technology, MILTECH, 7/ ) Valpolini, P., Medium Turrets Great Effects, Armada International, 3/ ) Eren, O., Uzaktan Komutalı Silah İstasyonları ve Kuleler, Military Science & Intelligence /MSI, Nisan ) Eren, O., Özyurt G., Uzaktan Komutalı Kulelerde ASELSAN FNSS İşbirliği, Military Science & Intelligence /MSI, Mart Oykun EREN Şekil 18: Uzaktan Komutalı Kule [FNSS] Oykun Eren, 1997 İTÜ Makina Mühendisliği Bölümü mezunudur yılında ODTÜ Makina Mühendisliği Bölümünden robotik konusundaki tez çalışması ile Yüksek Lisans derecesini almıştır. Çeşitli Savunma Sanayii kuruluşlarında mühendis olarak görev yaptıktan sonra, 2007 yılında FNSS Savunma Sistemleri A.Ş. Ar-Ge Bölümü bünyesinde çalışmaya başlamıştır. Halen aynı bölümde silah sistemleri lider mühendisi olarak çalışmalarını sürdürmektedir. İnsansız Hava Araçlarına Bir Bakış Doç. Dr. Dilek Funda KURTULUŞ, Prof. Dr. Ozan TEKİNALP ODTÜ, Havacılık ve Uzay Mühendisliği Bölümü Giriş İnsansız hava araçları ilk balona, ilk uçurtmaya kadar götürülebilir tarihli Scientific American dergisinde Avusturyalıların Venedik i bombalamak için balonlardan yararlanacakları haberini vermektedir. Bu amaçla üretilen balonların önce uygun rüzgârlar sayesinde Venedik şehrinin üzerine gelmesinin bekleneceği, kıyıdan komuta edilen galvanik pile bağlı elektromanyetik ateşleyici ile bombanın şehir üzerinde iken ateşleneceği belirtilmektedir[1]. Aynı şekilde Amerikan iç savaşında da balonlara yüklenmiş patlayıcılar kullanarak düşmanın cephaneliğini havaya uçurmak için çalışmalar yapıldığı da rivayet edilmektedir[2]. İnsansız uçuşları mümkün kılan hiç kuşkusuz otomatik pilot düzenekleridir. Wright kardeşlerin 1903 tarihinde gerçekleştirdiği ilk motorlu uçuşun üzerinden henüz 10 yıl geçmeden, 1912 yılında ilk otopilot Glen H. Curtis Flying Boat isimli uçakta denenmiştir. Otopilot Dr. E.A. Sperry nin New York taki Sperry Gyroscope isimli şirketi tarafından geliştirilmiştir. Dr. Sperry e 1914 yılında Paris te otopilot marifetiyle gerçekleştirdiği kararlı uçuş nedeniyle Fransız Havacılık Kulübü tarafından elli bin frank önerilmiştir [3]. Birinci dünya savaşı ve takip eden yıllarda otomatik uçuş kontrol sistemleri üzerine yapılan çalışmalara açık kaynaklarda rastlanmamaktadır yılında Sperry nin pneumatic-hydraulic Gyropilot ismini verdiği kontrol düzeneği Winnie May isimli uçağa takılarak başarı ile uçurulmuştur[3]. İkinci dünya savaşına özellikle güdümlü füze ve bombalardaki gelişmeler damgasını vurmuştur. Gerek uçak, gerekse füzelere yönelik uçuş kontrol sistemi geliştirme faaliyetleri İkinci Dünya Savaşından sonra da hızla gelişmiş, 4 Eylül 1957 de Sputnik in uydusunun fırlatılması ile başlayan uzay yarışı, dijital otopilotların kullanılması yanında yeni seyrüsefer ve kontrol yöntemlerinin geliştirilmesini sağlamıştır. İnsansız hava araçları otopilot, güdüm ve kontrol sistemlerindeki gelişmelere paralel olarak ortaya çıktı. İnsansız hava aracı kullanımındaki ilk örnek A.B.D. Hava Kuvvetlerinin 1948 de ısmarladığı uzaktan kumandalı hedef uçak Firebee dir[4]. İnsansız uçaklar gözetleme amaçlı olarak önce İsrail tarafından, daha sonra da birinci körfez savaşında ve Kosova savaşında Amerikalılar tarafından başarı ile kullanılmış ve kullanılmaya devam etmektedir[2, 4]. Önümüzdeki dönemde insansız muharebe araçlarının da hava kuvvetlerinin ayrılmaz bir parçası olarak silahlı kuvvetlerde yerini alacaktır [5]. İnsansız hava araçlarının sivil gözetleme için kullanılması da gündemdedir. Örneğin fırtınaları incelemek için insansız hava araçlarından yararlanılması yönünde de çalışmalar yapılmaktadır [6]. İnsansız hava araçları ile orman yangınlarının gözetlenmesi veya afet bölgelerinde keşif için kullanılabileceği de yayın olarak dile getirilmektedir. Ayrıca zirai ilaçlama için de etkin, güvenli ve otonom bir şekilde kullanılabilmesi için gerekli isterler oraya konmuştur [7]. İnsansız Hava Araçlarında Otonomi ve Kontrol Yukarıda da belirtildiği gibi insansız hava araçları öncelikle askeri hedef uçak olarak, hedef işaretleme için ve keşif-gözetleme

3 55 uçağı olarak kullanılmıştır. Önümüzdeki yıllarda da savaş uçağı olarak yaygın kullanıma girmesi beklenmektedir. İnsansız hava araçlarının kullanımı göz önüne alındığında üç katmandan bahsedebiliriz. En basit insansız uçak uzaktan kumandalı, pilotun görerek veya uz ölçüm (telemetri) ile uçurduğu uçaklardır. Uz ölçüm bilgileri uçak üzerinde taşınan bir burun kamerası görüntüleri ile uçak üzerindeki aletlerden elde edilen uçağın konum, hız, yönelim bilgileri olabilir. Pilot uçağın kontrol yüzeylerini ve motorunu doğrudan kontrol eder. Uçak görüş mesafesinden çıktığı ve uz ölçüm bilgileri kaybolduğu zaman uçuş mümkün değildir. İkinci kategoride üzerinde otomatik uçuş kontrol sistemi bulunan insansız hava araçlarından bahsedebiliriz. Kullanıcı yer istasyonundan uçağa yön, hız, ulaşılacak konum gibi bilgileri gönderir. Uçuş bilgisayarı uçağın bu komutlara göre uçmasını sağlar. Kullanıcı herhangi bir acil duruma karşı uçaktan gönderilen uz ölçüm bilgilerini de konsolunda izler. Rotada bir değişiklik yapılabilmesi için yeni uz komutaların (telecommand) gönderilmesi gerekir. Üçüncü kategoride uçağa sadece rota uçuş noktaları ve görev kipleri gönderilir. Uçak bu noktalar arasında ne şekilde uçacağına üzerine yüklenmiş güdüm algoritmaları marifetiyle karar verir. Burada uçağa ilave bir otonomi verilmiştir. Uçak ile uz ölçüm ve uz komutanın kaybedildiği durumlarda uçak en son belirlenmiş görevi yerine getirmeye devam eder. En son kategoride ise tam bir otonomi söz konusudur. Üst seviye kontrolcü görev planlamasını kendi başına yapar. Yer istasyonu ile ilişki en alt düzeydedir. Yer istasyonu ile bağlantı kaybolduğu takdirde göreve karar verme veya üsse geri dönme gibi fonksiyonlar yerine getirilebilir. İnsansız hava araçlarının ucuz ve kaybının kolaylıkla kabul edilebilir olması amaçlanmıştır. Günümüzde yakın mesafede keşif için kullanılan insansız hava araçları nispeten ucuza üretilebilir iken, orta ve yüksek irtifada uzun süre uçabilen araçlar oldukça pahaldır. Fiyatların yüksek olmasının en önemli nedenlerinden bir de hiç kuşkusuz kullanılan askeri yeterlilikteki sistem ve alt sistemlerdir. Sistem güvenilirliğinin yükseltilmesinde iki yol takip edilebilir. Birinci yol kullanılan malzeme ve cihazların tek tek istenilen Şekil 1: ODTÜ Havacılık ve Uzay Mühendisliği Bölümünde uçuş algoritmaları geliştirmek için kullanılan Rascal 110 isimli model uçak. güvenilirlikte olmasıdır. Diğer bir yol ise birimleri yedeklemekten geçmektedir. Yolcu uçaklarında çok yüksek güvenilirlik amaçlandığından uçuş bilgisayarlarının iki veya daha fazla yedekli yapılması öteden beri uygulanan bir yöntemdir. Gerek havacılık gerekse uzay uygulamalarında RAHAT (rafta hazır ticari, commercial of the shelf, COTS) malzemelerin kullanılması uzunca bir süredir gündemdedir. Böyle malzemeler kullanırken güvenilirliğin arttırılması için yedekli sistemler kurmak tercih edilebilir. Yedekli uçuş bilgisayarları yanında kontrol yüzeylerinin yedekli olması sistem güvenirliğini arttıracaktır. Bu amaçla ODTÜ Havacılık ve Uzay Mühendisliği Bölümünde artık eyleyicili havacılık ve uzay sistemlerinin hatalara rağmen görevini yerine getirebilmesi konusunda çalışmalar yapılmaktadır [8]. Şekil 1 de Bölümümüzde bu tür araştırmalar için kullanılan model uçak temelli hava aracı verilmiştir (TÜBİTAK Proje No: 107M346). Hava aracı hem uzaktan kumanda ile uçurabilmekte hem de istenildiğinde otopilot komutasına girebilmektedir. Otopilot algoritmaları PC104 temelli bir bilgisayarda seyrüsefer algoritmaları ile birlikte koşturulmakta, yer bilgisayarı ile modem aracılığıyla DA/DA Güç Kaynağı 12V(DA) IMU Statik Basınç Ölçer Dinamik Basınç Ölçer GPS Recelver Modem DA: Doğru akım : Darbe Genlikli Modülasyon (Pulse Width Modulation) Seri Kanal TCP/IP iletişim kurmaktadır. PC104 Matlab-Simulink ortamında programlan-makta ve programlar modem aracılığıyla uçuş bilgisayarına yüklenmektedir. Platform GPS, IMU ve atmosfer statik ve dinamik basıncı ölçümü için algılayıcılar taşımakta, bu algılayıcılardan elde edilen sinyaller Kalman filtresinde işlenerek seyrüsefer bilgileri oluşturulmaktadır. Sistemin şeması Şekil 2 de verilmiştir. İnsansız Hava Aracı Tipleri Farklı görevler için farklı insansız hava aracı tipleri söz konusu olabilmektedir. Mevcut insansız hava araçlarının boyutlarına göre sıralaması Şekil 3 de verilmiştir. Bunlar birkaç santim boyunda ve mikro insansız hava araçları dediğimiz araçlardan, uçak boyutlarında olanlarına kadar muhtelif boyutlarda olabilmektedir. En temel insansız uçak hiç kuşku yok ki konvansiyonel, pervaneli, pistten kalkıp, piste iniş yapabilen insansız uçak tipidir. Bu tip uçaklar özellikle uzun menzilli, yüksek irtifa uçuşuna imkân vermekte ve yüksek yük taşıma kapasitesine haiz olabilmektedir. Bunlar arasında Amerikan silahlı kuvvetleri tarafından kullanılan Predator, Hunter, Pioneer, Global Hawk, bizim silahlı kuvvetler tarafından da kullanılan İsrail yapımı Heron sayılabilir. Ülkemizde de TAI nin geliştirdiği hedef uçaklar ile gözetleme amaçlı geliştirilen alçak irtifa ve düşük menzilli elden fırlatılan, paraşüt yardımıyla inen Bayraktar isimli küçük uçak sayılabilir. Diğer yandan yine TAI tarafından geliştirilmekte olan orta irtifada uzun süre görev yapacak insansız hava aracı ANKA test uçuşlarına bu sene başlayacaktır. Uçakların hedef üzerinde asılı kalması ve dikey iniş-kalkış yapabilmesi için en uygun hava aracı hiç kuşkusuz helikopterlerdir. Helikopterler büyük bir rotor disk alanındaki PC/104IMU [RS-232(4), USB 1,1(4), ethernet, 16 Analog] Seri Kanal Güç Kaynağı Şekil 2: İHA Otopilot Donanımı Sistem Şeması Eyleyici Sürme Kartı (PIC) Uzaktan Kumanda Alıcısı Otopilot/Elle Kontrol Geçiş Kartı Hız Kontrolcusu Eyleyiciler UAS Categories Acronym Range (km) Flight Altitute (m) Tactical Nano Micro Mini Close Range Short Range Medium Range Medium Range Endurance Low Altitude Deep Penetration Low Altitude Long Endurance Medium Altitude Long Endurance Strategic High Altitude Long Enduranca Special Purpose Unmanned Combat Aerial Vehicle Lethal Decoy Stratospheric Mini CR SR MR MRE LADP LALE MALE HALE UCAV LETH DEC STRATO Şekil 3: Farklı İnsansız Hava Aracı kategorileri (UAS Kataloğu ) havayı hızlandırıp aşağı iterek iniş-kalkış yapalar. Havanın hızlandırılması kinetik enerji kaybı olarak geri döner. Kinetik enerji kaybı büyük rotor alanı nedeniyle disk yüklemesi az olan helikopterlerde az iken havayı çok fazla hızlandıran jet motorlarında fazladır. Helikopterlerin ileri uçuş hızları az, uçuş irtifaları ve yük taşıma kapasiteleri nispeten düşüktür. Uçak ile helikopter arası çözümler de literatürde önerilmiştir. Bunlar arasında yatar rotorlu, tilt-rotor veya tilt duct, türü çözümler söz konusudur. Bu uçaklar pervanelerini dik konuma getirerek dikine iniş-kalkış yapabilmekte, yeterli yüksekliğe ulaştığında rotorlarını yavaş yavaş yatırarak ileri uçuşa geçmektedir. Şekil 4: Bell-Boeing V-22 Osprey uçağı İnsansız hava araçlarında en çok ilgi çeken diğer bir uç ise mikro insansız hava araçlarıdır. Bunlar özellikle iç mekânlar için yararlı olacağı değerlendirilen insansız hava araçlarıdır. Aşağıda bu iki tip insansız hava araçları ile ilgili olarak yapılan çalışmalar anlatılmıştır. < < 1 < < < < to 300 Endurance (hours) MTOW (kg) < 2 < 30 (150 0 ) 10 to to to to to to > to > to to > > 24 < 30 > to > (4.500 ) approx approx to to < > 2000 > & < > 48 TBD Şekil 5: Tilt-duct İHA dikine kalkışta Yatar Rotorlu İnsansız Hava Aracı Yatar rotorlu hava araçlarına en iyi örnek hiç kuşkusuzu Bell-Boeing-V22 Osprey aracıdır (Şekil 5). Bu araç, rotorlarını dik hale getirerek dikine iniş-kalkış yapabilmekte buna karşılık rotorlarının yatırarak ileri uçuşunu bir uçak gibi gerçekleştirmektedir. Dikine iniş-kalkış yapan fakat bir uçak gibi ileri uçuşa geçebilecek bir insansız hava aracı tasarımı ve bunun kontrolü üstünde Bölümümüzde 1998 yılından itibaren çalışılmaya başlanmıştır. Bu çalışmalar sırasındaki en önemli tasarım kriteri uçağın ucuz bir şekilde, üniversite ortamında ve RAHAT malzemeler kullanılarak üretilebilir olması idi. Muhtelif konseptler göz önüne alındıktan sonra yatar rotorlu konsept tilt-duct üzerinde karar kılındı. V22 türü uçakların temel sıkıntısı, uçağın iniş ve kalkışını helikopter gibi yapması idi. Bu durumda büyük pallerin dönüsel ve kolektif hatvesine imkân verecek mekanizmaların kullanılması zorunlu hale gelmekteydi. Hatve mekanizması ihtiyacı düşey yönde, kuyruğa yakın konuşlanmış ek bir pervane ile aşıldı. Böylece muhafazalar içinde çalışan ana pervanelerin sabit hatveli olmasının yolu açılmış oldu. Arka motor sadece dikine iniş ve kalkışta çalıştırılmakta, ileri uçuşta durdurulmakta ve hava giriş ve çıkışları da kapatılmaktadır (bkz. Şekil 5 ve 6) [9]. Uçağın yalpa kontrolü düşük hızlarda sağ ve sol motor itkilerindeki farklılaşma ile yunuslama kontrolü arka pervane itkisi ile, istikamet kontrolü ise arka pervane itkisinin çıkıştaki saptırıcılar marifetiyle sağlanmaktadır. Uçak hızlandıkça, klasik kontrol yüzeyleri uçuş kontrolüne katkıda bulunmaktadırlar. Görüldüğü gibi uçakta özellikle dikey uçuştan yataya, ya da yatay uçuştan dikeye geçerken kontroller birbirini yedeklemektedir. Uçağın kontrolü için özgün otomatik kontrol algoritmaları tasarlanmış ve benzetim programlarında başarı ile denenmiştir [10]. Şekil 6: Tilt-duct İHA ileri uçuşta Mikro İnsansız Hava Araçları Geçen on yıl içinde mikro-teknolojideki ilerlemeler nedeniyle, mikro hava araçlarının mümkün olacağı ortaya çıkmış, bunların gelişimine imkân verecek düşük Re sayısı rejimindeki sayısal ve deneysel çalışmalar önem kazanmıştır. Çırpan kanat aerodinamiği ve itkisi günümüzde birçok araştırmacının alternatif bir mikro hava aracı itki sistemi olarak ilgisini çekmektedir. Genellikle ileri uçuş rejim çalışmaları literatürde çoğunlukta olmasına rağmen, mikro hava araçlarının ana gayesi olan sabit konumda gözetleme için havada asılı kalma uçuş kipi üzerinde daha çok araştırma yapılması gereğini ortaya

4 57 koymuştur. Çırpan kanat ile havada asılı kalma uçuş kipi tatbiki en zor olan kiplerden biridir. Havada asılı kalma durumundaki araç, sabit bir konumda kabul edilir ve serbest akış hızı sıfır alınır. Akışkan hareketleri sadece kanat hareketi ile aracın ağırlığını dengeleyecek dikey bir kuvvet yaratılmaktadır. Bir kuşun, havada asılı konumda uçuş yapabilme kapasitesinin olup olamayacağı, kuşun boyutuna, kanatların eylemsizlik momentine, kanat hareketlerinin serbestlik derecesine ve kanat şekline bağlıdır. Bu limitlerden dolayı havada asılı konumda kalabilen tür sayısı çok azdır. Daha çok küçük böcek türleri (Drosophila gibi) ve arıkuşu gibi küçük kuşlar tarafından tatbik edilebilir. Mikro İnsansız Hava Araçları nın avantajları arasında taşınabilir olmaları, hızlı konumlanabilmeleri, gerçek zamanda veri toplayabilmeleri, radar kesit alanının küçük olması, zor görülebilir ve fark edilebilir olmaları ile sessiz olma özellikleri sayılabilinir. Ayrıca diğer hava araçlarına göre üretim masrafları da daha düşüktür. Sabit kanatlı bir Mikro İnsansız Hava Araçları örneği ile çırpan kanat mekanizmalı bir Mikro İnsansız Hava Araçları örneği sırası ile Şekil 7 ve Şekil 8 de verilmektedir. a) İç on-board sistemi b) Gerçek prototip Şekil 7: The AeroVironment Black Widow a) The AeroVironment/Cal. Tech. Microbat b) TU Delft Şekil 8: Çırpan kanat mekanizma örnekleri. DGR-ONERA yarışması birçok mikro hava aracı kavramlarının ana temalarıyla özetlenmesine iyi bir örnek teşkil etmektedir. Tablo 1 deki kavramların birçoğu şu anda gelişme ve tasarım aşamasındadır. Bölümümüzde gerçekleştirilen TÜBİTAK 105M230 nolu Kariyer Projesindeki amaç yurt dışında git gide önemi artan bu araçların üretilmesine başlanması için gerekli alt yapının araştırılmasının yapılması ve Türkiye yapımı Hava Aracı Tipleri Periyodik ve kollektif yunuslamalı aynı eksenli fanlı rotorlar Kanatçılık aynı eksenli fanlı rotorlar 4 rotor Çırpan Kanat Sabit Kanat Fanlı ana ve kuyruk rpratları, Helikopterler Tablo 1: Farklı Mikro Hava Araçları kavramları (DGR-ONERA yarışması [21]. örnek prototiplerin üretilmesidir. Bu proje sonucunda, farklı Mikro Hava Araçları kavramları (Tablo 1) gözden geçirilmiştir. Diğer yandan AE410 Havacılık ve Uzay Mühendisliği Laboratuvarı dersi için öğrencilere ders bitirme projeleri verilmiş ve farklı mikro hava araçları bu dönem süresince Şekil 9: Ducted Fan Teknik Çizimi ve Uçuş testi Şekil 10: Sabit kanatlı Mikro Hava Aracı CAD çizimi ve üretimi. Bottom view Scale: 1:1 Isometric view Scale: 1:1 Front view Scale: 1:1 Şekil 11: Sabit kanatlı Mikro Hava Aracı teknik çizimi ve üretimi Örnekler ENSMA tasarlanmıştır. Bu derste tasarlanan ducted fan tipi mikro hava aracı tasarımı Şekil 9 de gösterilmiştir. Aynı şekilde aracın uçuş testi sırasında çekilen resim de gösterilmektedir. Sabit kanatlı ve 30cm kanat açıklığı olan mikro hava araçları da tasarlanmış ve üretilmiştir. Mekanik ve elektronik aksamlar tasarlanmıştır. Bu sabit kanatlı mikro hava araçlarından ilkinin CAD çizimi ve üretimi Şekil 10 ve Şekil 11 de gösterilmektedir. Yine bir başka mikro İHA Quadrotor un çizimi ve ilk prototipi Şekil 12 te verilmektedir. Üzerinde çalışılmakta olan bir başka tasarım da Coanda etkili bir ducted fan dır (Şekil 13). Şekil 12: Quadrotor CAD çizimi Mikro insansız hava araçları öğrenci projeleri yanında bilimsel olarak da incelenmektedir. Bu amaçla bir çırpan kanat hareketi tanımlanmış ve bu çalışma sonucunda Şekil 13: Coanda etkili Ducted Fan Üretimi, Ducted Fan Konneksiyon Diyagramı ve CCS kodu Şekil 14: Çırpan kanat hareketinin tanımı ve kullanılan ağ yapısı [11, 14] sayısal hesaplamalar ve deneysel PIV hesaplamaları karşılaştırılmıştır [11]. Elde edilen bulgular, belirgin parametrelerde tüm hareket boyunca pozitif kaldırma kuvveti elde edilebileceğini göstermiştir. İncelenen kanat çırpma hareketi 4 bölüme ayrılmıştır (Şekil 14); birinci bölüm aşağı doğru çırpma hareketinin yarısına denk gelmekte ve kanat ucu pozitif doğrultuyu göstermektedir. İkinci bölüm ise yukarı vuruş hareketinin yarısını kapsamaktadır. Üçüncü ve dördüncü bölümler ise bu iki bölümün tamamen aynasal simetrisidir. Her bölüm kendi içinde ikiye ayrılmaktadır: doğrusal ileri hareket fazı ve dönüş fazı. Doğrusal ileri hareket fazı süresince, kanat kesiti önceden belirlenmiş bir süre boyunca sabit bir hızla hareket etmekte ve buna ek olarak belirlenen bir nokta etrafındaki dönüş fazı bu harekete eklenmektedir. Sayısal hesaplamalar için kanat kesiti etrafında O-tip ağ yapısı, kesit yakınında dikdörtgen ağ yapısı kullanılmıştır. Tüm ağ yapısı, yazılan ara program yardımıyla hareket ettirilerek kanat çırpma hareketi gerçekleştirilmiştir. Sayısal sonuçlar zamana bağımlı hesaplama yapabilen ve kullanıcı kodu ekleme imkânı veren bir hazır Sayısal Akışkanlar Dinamiği kodu ile gerçekleştirilmiştir [11-17]. Bu çalışmalar ayrıca NATO AVT-149 Daimi Aerodinamik Mikro İnsansız Hava Araçları Teknik grubunun çalışmaları ile beraber yürütülmüş ve bir NATO teknik raporu hazırlanmıştır[20]. Farklı çırpan kanat kesitleri, kanat hızları ve frekanslarının incelendiği bu çalışmada ODTÜ sayısal sonuçları Amerikan Hava Kuvvetleri Araştırma Laboratuarı (AFRL) PIV sonuçları ve diğer üniversitelerin sayısal ve deneysel sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Şekil 15 de sade dalma durumu için Re=60000, k=0.25 de çeviri dağılımları verilmektedir. Deneysel ve sayısal çözümler benzer sonuçlar vermektedir [18-20]. Sonuç Bu yazıda insansız hava araçları konusundaki düşünceler ile ODTÜ Havacılık ve Uzay Mühendisliği Bölümünde bu konuda sürdürmekte olduğumuz bazı çalışmalar verilmiştir. Bunlar şu şekilde özetlenebilir. İnsansız hava aracının insansız kılan şey uçuş kontrol sistemi ve ona yüklenen otonomidir. Diğer yandan dikine kalkıp, ileri uçuşa otomatik olarak geçebilen, görevi bitince tekrar üssüne otomatik dikine iniş yapabilen uçaklar yine otomatik uçuş kontrol sistemleri ile mümkündür. Mikro İHA lar ise son yıllarda üzerinde oldukça çok araştırma yapılan bir konudur. Özellikle çırpan kanatlı mikro İHA ların uçuş aerodinamiği yanında onun uçuş kontrolü de üzerinde çalışılmakta olan önemli bir konudur. Kısaca özetlemek gerekirse önümüzdeki yıllarda daha fazla manevra kabiliyetine ve otonomiye sahip İHA ları ve özellikle bunların sivil kullanımını göreceğimiz söyleyebiliriz. Şekil 15: Birimsiz çeviri dağılımı ODTÜ (Gunaydınoglu et al., 2009) sayısal çalışma (sol sütun) AFRL deney sonucu (orta sütun) ve sayısal çözüm (sağ sütun) sade dalma durumu, Re= 60,000, k=0.25 [20].

5 59 KAYNAKÇA 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) 10) 11) 12) 13) 14) --, More about Balloons, Scientific American, Cilt 4, f.26, s. 205, Wilson, J.R., UAVs, a worldwide round up, Aerospace America, AIAA Inc. Veston, Virginia, s Haziran Blakelock, J.H., Automatic Control of Aircraft and Missiles, İkinci basım, John Wiley and Sons, New York, Wilson, J.R., UAV worldwide roundup 2005, Aerospace America, AIAA Inc., Veston, Virginia, s , Eylül Nesrin Cavus, Multidisciplinary and Multiobjective Design Optimization of an Unmanned Combat Aerial Vehicle, ODTÜ Havacılık ve Uzay Mühendisliği Bölümü Y.Lisans Tezi, Şubat Ionatta, B., Spying on the storms, Aerospace America, AIAA Inc. Veston, Virginia, s , Haziran Segah Ozdemir, Multiobjective Conceptual Design Optimization of an Agricultural Aerial Robot, ODTÜ Havacılık ve Uzay Mühendisliği Bölümü Y.Lisans Tezi, Eylül Sinem Işık, Flight Control System Design for an Over Actuated UAV Against Actuator Failures,, ODTÜ Havacılık ve Uzay Mühendisliği Bölümü Y.Lisans Tezi, Şubat, Armutcuoğlu, Ö, Kavsaoğlu, M.Ş. and O. Tekinalp, Tilt Duct Vertical Takeoff and Landing Uninhabited Aerial Vehicle Concept Design Study, AIAA Journal of Aircraft, cilt 41, sayı 2, s , Mart-Nisan Tekinalp, O., Unlu, T., Yavrucuk, I, Simulation and Flight Control of a Tilt Duct UAV, 2009 AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference, Chicago, IL, Ağustos, KURTULUS, D. F., Numerical and Experimental Analysis of Flapping Motion in Hover. Application to Micro Air Vehicles (Ortak Doktora Tezi) Poitiers University/ENSMA (Poitiers-Fransa) ve ODTÜ Havacılık ve Uzay Mühendisliği Bölümü, KURTULUS, D. F., David L., Farcy A., Alemdaroglu N., Flapping Airfoil Analysis of Micro Air Vehicles using Star-CD, Star-CD Dynamics, cilt:27, s.22-23, KURTULUS, D. F., David L, Farcy A, Alemdaroglu N., Aerodynamic Characteristics of Flapping Motion in Hover, Experiments in Fluids, cilt: 44, s.23 36, KURTULUS, D. F., David L, Farcy A, Alemdaroglu N., Flapping Airfoil Analysis of Micro Air Vehicles using Star-CD, Aerospace Special Report, CD-adapco, sayı: 1, s , ) KURTULUS, D. F. Çırpan Kanat Aerodinamik Kuvvetlerinin Yapay Sinir Ağları ile Modellenmesi. HaSeM'08 Kayseri VII Havacılık Sempozyumu bildiriler kitapçığı, Kayseri, ) KURTULUS, D. F., Ability to forecast unsteady aerodynamic forces of flapping airfoils by Artificial Neural Network, Neural Computing & Applications, cilt: 18, sayı: 4, s , ) GÜNAYDINOĞLU, E., Kurtulus D.F., Numerical investigation of pure plunge and pitch/plunge motions at low Re number, Proceeding of International Symposium on Light Weight Unmanned Aerial Vehicle Systems and Subsystems, UAS LW 2009, Oostend Belgium, ) GÜNAYDINOĞLU, E., Kurtulus D.F., Effect of Vertical Translation on Unsteady Aerodynamics of a Hovering Airfoil, Fifth European Conference on Computational Fluid Dynamics, ECCOMAS CFD 2010, June 14th - 17th, Lisbon, Portugal, ) GUNAYDINOĞLU, E., Kurtulus D. F., Reynolds Sayısının Havada Asılı Sekiz Hareketi Yapan Kanat Kesiti Aerodinamiğine Etkisi, III. ULUSAL HAVACILIK VE UZAY KONFERANSI Eylül 2010, Anadolu Üniversitesi, Eskişehir, ) BABINSKY, H., Baik, Y., Bansmer, S., Beran, P., Bernal, L., Gunaydinoğlu, E., Jones, A., Kang, C. K., Konrath R., Kurtulus, D. F., Ol, M., Paquet, J B., Radespiel, R., Reichert, T., Rival. D. Shyy W., Ukeiley, L., Visbal, M.R., Yuan W. Unsteady Aerodynamics for Micro Air Vehicles NATO RTO Technical Report, RTO TR AVT 149, March 2010, ) CHOY, P., DGA-ONERA, Concours international universitaire de drones miniatures, Presentation faite aux Journée Micro-Drones, Toulouse, Drones_fr. pdf, (2003). Doç Dr. Funda KURTULUŞ 1978 Ankara doğumlu olan Doç. Dr. D. Funda Kurtuluş; 1995 te Ankara Özel Tevfik Fikret Lisesi nden okul birincisi olarak mezun olduktan sonra 2000 yılında ODTÜ Havacılık ve Uzay Mühendisliği Bölümü nden birincilikle mezun oldu yılında ODTÜ Havacılık ve Uzay Mühendisliği Bölümü nden Yüksek Lisans derecesini ve 2005 yılında Fransa ENSMA Poitiers Üniversitesi ve ODTÜ den çift Taraflı doktora derecesini aldı yılında TU Delft (Hollanda) ile ortak Poitiers Üniversitesi nde ve CNRS Orléans ta doktora sonrası çalışmalarda bulundu yılında Amerika dan mikro insansız hava araçları üzerine yaptığı çalışmalar sebebi ile Zonta International Amelia Earhart ödülünü aldı. NATO RTO AVT Mikro Hava Araçları çalışma grubu Türkiye temsilcisidir. Mikro Hava Araçları tasarımı üzerine TÜBİTAK Kariyer projesi ve Amerikan Hava Kuvvetleri EOARD-AFRL projelerini yürütmüştür, ayrıca ulusal birçok projede de araştırmacı olarak görev almıştır yılı itibari ile ODTÜ Havacılık ve Uzay Mühendisliği Bölümü nde Bölüm Başkan Yardımcısı olarak görev yapmaktadır. Çok iyi düzeyde İngilizce, Fransızca ve orta düzeyde Almanca bilmektedir. P rof. Dr. Ozan TEKİNALP 1981 yılında İstanbul Teknik Üniversitesi Makine Fakültesinden mezun olan Dr. Tekinalp, Y. Lisans ve Doktorasını Amerika Birleşik Devletlerinde, University of Michigan, Makine ve Uygulamalı Mekanik Bölümünde, 1983 ve 1988 yıllarında tamamlamıştır yılında ODTÜ Havacılık ve Uzay Mühendisliğine katılan Dr. Tekinalp, bu yıldan beri Bölümde öğretim üyesi olarak çalışmaktadır. Dr. Tekinalp in 50 nin üzerinde bilimsel makale ve bildirisi bulunmaktadır. Dr. Tekinalp yıllarında Eskişehir 1.H.İ.B.M.K. da Uçak Teknik Kontrol Grup şefliğinde askerliğini yapmış, 1992 yılında 8 ay süre ile İspanyanın CASA firmasında Otomatik Uçuş Kontrol Sistemleri Bölümünde görev almıştır. Dr. Tekinalp yıllarında Roketsan a, yıllarında ise TUSAŞ Havacılık ve Uzay Sanayine danışmanlık yapmıştır tarihleri arasında TÜBİTAK BİLTEN de (Uzay) Uydu Teknolojileri Grubu Koordinatörü olarak BİLTSAT projesini yönetmiştir. Dr. Tekinalp Aralık 2009 dan beri de ODTÜ Havacılık ve Uzay Mühendisliği Bölüm Başkanlığı görevini yürütmektedir. Şekillendirilebilir Hava Aracı Konseptleri Prof. Dr. Serkan ÖZGEN, Prof. Dr. Yavuz YAMAN, Yrd. Doç. Göknur BAYRAM, Doç. Dr. Melin ŞAHİN, Prof. Dr. Ayşen YILMAZ, Yrd. Doç. Yusuf ULUDAĞ Özet Bu makale gelişmekte olan Şekillendirilebilir Hava Araçları teknolojilerini ve yönelimleri konu almaktadır. Konu ile ilgili dünyadaki araştırma geliştirme faaliyetlerinin mevcut durumu özetlenmekte, bu tip hava araçlarının tasarım ve geliştirme faaliyetlerine yönelik öneriler aerodinamik, uçuş mekaniği, malzeme bilimleri ve yapısal tasarım/analiz açılarından ele alınmaktadır. Makalenin birinci bölümü şekillendirilebilme konseptini özetlerken ikinci bölüm mevcut teknolojik düzeyin ve içerdiği potansiyelin açıklanmasına ayrılmıştır. Üçüncü bölüm ise teknolojik zorlukları ve çözüm önerilerini içermektedir. I. Giriş Şekillendirilebilir Hava Aracı terimi uçuş sırasında kanat plan şekillerini belirgin olarak değiştirebilme yeteneğine sahip uçakları tanımlamak için kullanılmaktadır. Böyle bir yeteneğin yakıt tasarrufunu, görev yete- neğini, görev başarımını ve esnekliğini arttırma potansiyeline sahip bir etken olduğu düşünülmektedir. Konvansiyonel sabit kanatlı uçakların kanat plan şekilleri ve kanat profilleri görev profillerinin sadece bir evresi için en iyileştirilmiş olarak tasarlanmaktadır. Örneğin nakliye uçakları seyir performansını, av uçakları manevra kabiliyetini, keşif ve gözetleme uçakları ise turlama başarımlarını en iyileştirecek kanat tasarımlarına sahip- tirler. Farklı görev evreleri için en uygun kanat şekilleri Şekil 1 de gösterilmektedir [1]. Ancak, tasarım evresi dışında kalan uçuş evrelerinde konvansiyonel kanatların sergilediği aerodinamik performans optimum olmaktan uzaktır. Buna karşılık şekillendirilebilme yeteneği uçuşun tüm evreleri için en iyi performansı sunma potansiyeline sahiptir. Şekillendirilebilme yeteneği sayesinde uçakların performansları artacak, birden fazla tipte uçak gerektiren görevlerin daha az, hatta tek tip uçak ile başarılması mümkün olabilecektir. Bunun yanı sıra, şekillendirilebilme yeteneği sayesinde mevcut uçaklarda bulunan karmaşık ve ağır kumanda yüzeyi mekanizmalarının basitleştirilmesi, hatta tamamen elimine edilmesi mümkün olabilecek, aerodinamik gürültü ve sürükleme azaltılabilecektir. Her ne kadar bir hava aracını şekillendirilebilir olarak nitelendirmek için kesin bir sayısal ölçüt bulunmasa da, kanat açıklığının %200, Kanat alanının %50 ve kanat ok açısının o 20 değiştirilmesi literatürde genel kabul görmüş değerlerdir [2]. Konvansiyonel kumanda yüzeylerinde sahip olmayan Loiter Cruise/ Dash High Speed Maneuver Climb High Lift Şekil 1: Farklı uçuş koşulları için en uygun kanat şekilleri