DÖNEN PARAÞÜTLERÝN GEOMETRÝK PARAMETRELERÝNÝN KRÝTÝK DÖNME HIZLARINA ETKÝSÝ

Transkript

1 DÖNEN PARAÞÜTLERÝN GEOMETRÝK PARAMETRELERÝNÝN KRÝTÝK DÖNME HIZLARINA ETKÝSÝ Özgür Evren YAÐIZ, Kahraman ALBAYRAK, R. Orhan YILDIRIM ODTÜ Makina Mühendisliði Bölümü ÖZET ABSTRACT Dönen paraþütler, gereçlerin düþme hýzlarýný yavaþlatmak ve Rotating parachutes are used to decelerate payloads and to paraþüt ekseni etrafýnda dönmelerini saðlamak amacýyla provide roll about the axis of the parachute system. Rotation kullanýlýrlar. ün dönüþü, cisme aský ipleri ile iletilir. Aský of the parachute is transferred to the payload by the cords. ipleri elastik malzemeler olduklarýndan dönen paraþütün Since the cords are elastic materials, transferring of the torque of the rotating parachute to the payload is not an easy task torkunun cisme iletilmesi kolay bir iþ deðildir ve bu bazen and sometimes it creates problems. By changing the sorunlar yaratmaktadýr. Ýki artý paraþütün ve bir yuvarlak geometrical parameters (such as cord length and staggering paraþütün geometrik parametreleri (aský ipi ve sendeleme distance) of two Cross Parachutes and one Round Parachute, uzunluðu gibi) deðiþtirilerek oniki çeþit paraþüt yapýsý twelve different configurations were constructed. By using a oluþturulmuþtur. Deney düzeneðine uyarlanan bir tork ölçüm torque measurement mechanism which was adapted to the mekanizmasý kullanýlarak bu paraþüt yapýlarýnýn silindirik test set-up, the maximum transferable torques of these cisme iletebildikleri maksimum tork deðerleri ölçülmüþtür. configurations to the cylindrical payload were measured. The Ýletilebilir maksimum tork deðerleri, düzgün açýlmayan üç maximum transferable torque values lie between and paraþüt yapýsý dýþýnda, ile N.m arasýnda N.m, except the results of three configurations that they failed to open succesfully. The highest transferable torque deðiþmektedir. En yüksek tork deðeri Yuvarlak e aittir. value belongs to the Round Parachute. From the results Elde edilen sonuçlardan her bir dönen paraþüt yapýsý için bir obtained, it is observed that there is a critical spin rate value kritik dönme hýzýnýn olduðu gözlenmiþtir. Bu deðerin altýnda, for each rotating configuration. Below this value, the cords of dönen paraþütün ipleri dolanmaktadýr. Düþük dönme hýzýna the rotating parachute are wrapped around. It is found that a ve/veya kýsa aský ipi uzunluðuna sahip bir paraþüt yapýsýnýn configuration with low spin rate and/or a short cord length has yüksek dönme hýzýna ve/veya uzun aský ipi uzunluðuna sahip a low critical spin rate value compared with confgiuration bir paraþüt yapýsýna göre daha düþük bir kritik dönme hýzýna with a high spin rate and/or long cord length. sahip olduðu bulunmuþtur.. Keywords: Rotating parachutes, cross parachutes, Anahtar Kelimeler: Dönen paraþütler, artý paraþütler, aerodynamics of parachutes paraþütlerin aerodinamiði Giriþ Son yýllarda paraþütlere yeni görevler yüklenmektedir. Bu görevler, bir kiþinin/malzemenin yere indirilmesi veya bir uçaðýn hýzýnýn yavaþlatýlmasý gibi geleneksel fonksiyonlarýn dýþýnda olup özel bir görevi yerine getirmek üzere yere indirilen cisimlere süzülme, dönme veya kombine (süzülme+dönme) manevralar yaptýracak þekilde, cisimlerin uçuþ rotalarýný kontrol altýna almak üzerinedir. Bugün, modern paraþüt sistemlerinden biri dönen paraþüt-gereç sistemleridir. Dönen paraþütler taþýdýklarý cisimlerin (gereçlerin) düþme hýzlarýný yavaþlatmak ve ayný zamanda cisimleri paraþüt ekseni etrafýnda döndürmede kullanýlýrlar. Bu paraþütler ile birlikte kullanýlan malzemeler silindirik biçimde cisimlerdir. Bu sistemlerin kararlý düþüþte en önemli performans parametreleri, belirli aðýrlýktaki bir silindirik cisim için, sabit düþme hýzý V, sabit dönme hýzý f ve dinamik stabilitedir. Tanýmlanmýþ bir uçuþ gereksinimini yerine getirmek üzere tasarlanan dönen paraþütlerin geometrik boyutlarý 26 Mühendis ve Makina Cilt : 47 Sayý: 558

2 deðiþtirilerek elde edilen modelleri uygun deney düzenekleri yardýmýyla rüzgar tünellerinde test edilirler [1-5]. Bu hýzlý dönen paraþütler ile ilgili bir önemli sorun, paraþütün yarattýðý torku ipleri dolanmadan yere indirdiði cisme iletebilmesidir. Eðer tork çok büyükse, aský ipleri dolanmakta ve paraþüt çökmektedir. Dönen paraþütlerin cisimlerine iletebilecekleri torkun belirlenmesi üzerine yapýlan çalýþmalarýn birinde, yazarlar iletilebilir tork için analitik bir denklem türetmiþlerdir [6]. Diðer bir çalýþmada ise yazarlar tasarladýklarý deney düzeneði ile çeþitli dönen paraþütler için iplerinin dolanmadan önce iletebileceði maksimum torku ölçmüþlerdir [7]. ODTÜ-Makina Mühendisliði Bölümü'ne baðlý Akýþkanlar Mekaniði Laboratuvarý'nda gerçekleþtirilen tork ölçüm testlerinde çeþitli dönen paraþütlerin kararlý akýþtaki sabit dönme hýzlarýndan baþlayarak, arttýrýlan sürtünme kuvveti etkisi altýnda paraþütlerin aský ipleri dolanýncaya kadar döndürdükleri cisme ilettikleri torklar ölçülmüþtür. Her dönen paraþüt yapýsý için torkun, dönme hýzý ile deðiþimi göz önünde bulundurulmuþ ve o paraþüt yapýsý için kritik dönme hýzý belirlenmiþtir. Deney Düzeneði ve KuLlanýlan Aletler Deney düzeneði, rüzgar tüneli çýkýþ jeti yolu üzerinde ancak tünel çýkýþýndan belirli bir uzaklýkta kurulmuþtur. Deney düzeneðinin tasarýmýnda demir bir iskelet üzerine monte edilmiþ iki destek arasýnda, aðýrlýðýnýn ve sürtünme kuvvetinin göreceli olarak ihmal edildiði bilyeli yataklar kullanýlmýþtýr (Þekil 1). Her iki destek üzerine monte edilen bu bilyeli yatak mekanizmalarý ince bir alüminyum çubuk ile baðlanarak sistemin birlikte dönmesi saðlanmýþtýr. Bilyeli yatak mekanizmalarýndan birinin üzerinde, dönen paraþütün iplerine direk baðlý olan ve aðýrlýðý ihmal edilebilir ince sacdan imal edilmiþ silindirik cisim bulunur (Þekil 2). Diðer yatak mekanizmasýnýn olduðu kýsým, yaykemer mekanizmasý aracýlýðýyla dönen paraþütün yarattýðý torkun ölçüldüðü kýsýmdýr (Þekil 3). Þekil 1. Tork Ölçüm Mekanizmasý Þekil 2. Dönen -Gereç Sistemi Þekil 3. Yay-Kemer Mekanizmasý Mühendis ve Makina Cilt : 47 Sayý:

3 2 rüzgar tünelidir. Tünelin test alaný 300x300 mm olup, deney bölgesindeki maksimum rüzgar hýzý yaklaþýk 35 m/s'dir (Þekil 4). Ancak, deneylerde test alaný yerine tünel çýkýþýndaki kararlý hava jeti kullanýlmýþtýr. Tünel çýkýþýndaki jet karakteristiði yapýlan ölçümlerle belirlenerek paraþüt ölçüleriyle olan iliþkisi kurulmuþ ve paraþütlerin jet içerisinde kalmasý saðlanmýþtýr. Deneyler sýrasýnda, paraþütlerin dönme hýzlarý bir takometre kullanýlarak ölçülmüþtür. Þekil 4. Rüzgar Tüneli Þekil 1 de görülen paraþüt-gereç sistemi tork ölçüm (bilyeli yatak) mekanizmasý ile birlikte rüzgar tünelinden çýkan kararlý rüzgar hýzý (V) etkisiyle sabit bir hýzda (f) döner. Bilyeli yataktaki sürtünme katsayýsý ve dolayýsýyla sürtünme kuvveti göreceli olarak çok küçük olduðundan yataklarýn sürtünmesiz olduðu varsayýlmýþtýr. Deneyler sýrasýnda kullanýlan tünel, aerodinamik cisimlerin test edilmesine olanak saðlayan bir ses-altý Modelleri Deneylerde üç farklý paraþüt kullanýlmýþtýr. Bu paraþütlerden ikisi Artý tür. Diðer paraþüt ise özel olarak tasarlanmýþ Yuvarlak olarak adlandýrýlan bir paraþüttür. Þekil 5'te bu iki paraþütün þematik çizimleri gösterilmiþtir. Yuvarlak sekiz adet panodan oluþup, paraþütün eteklerine yakýn yerlerinde her pano için bir jet açýklýðý bulunmaktadýr. ün altýndan giren hava akýmý, geçirgen paraþüt kumaþýndan çok daha hýzlý bir þekilde bu jet açýklýklarýndan çýkmakta ve paraþütü W l + l s dc=l l s Yuvarlak Artý Þekil 5. Testlerde Kullanýlan lerin Þematik Çizimleri 28 Mühendis ve Makina Cilt : 47 Sayý: 558

4 döndürmektedir. Bu paraþüt havada, tek yöne olmak üzere sürekli biçimde dönmektedir. ün aský iplerinin (l ) uzunluklarý birbirine eþittir. s birlikte kullanýlarak maksimum iletilebilir tork deðerleri ölçülmüþtür. Oluþturulan paraþüt yapýlarý ve bunlarýn geometrik uzunluklarý Çizelge 1'de sunulmuþtur. Çizelge 1. Oluþturulan Yapýlarý Artý ler literatürde statik (dönmeyen) paraþütler olarak bilinirler. Bu paraþütlerin en önemli geometrik parametreleri dikdörtgen kumaþýn uzun kenar, L, ve kýsa kenar, W, uzunluklarýdýr. Bu uzun kenarýn kýsa kenara oraný, L/W, kol oraný olarak bilinir. Artý ler farklý kol oranlarýnda tasarlanýrlar. Kullanýlan kol oranlarý genellikle 2.5 ila 4.0 arasýnda deðiþir. Bir Artý ün bütün aský ipleri ayný uzunlukta ise bu paraþüt statik (dönmeyen) bir paraþüttür. Eðer, paraþütün dört lobunun her birinde, aský iplerinden birine, diðer ipe göre belirli bir sendeleme uzunluðu ( l), kadar daha fazla uzunluk verildiði takdirde bu paraþüt dönen bir paraþüte dönüþmektedir. Literatürde, Dönen Artý ler üzerine birçok deneysel çalýþma bulunmaktadýr [2-7]. Deneylerde bir adet Yuvarlak ve farklý kol oranlarýna (L/W) sahip iki Artý test edilmiþtir. Üç paraþüt de ayný kumaþ alanýna sahiptir. Kullanýlan kumaþýn nominal geçirgenlik deðeri 12.7 mm su kolonu 3 2 basýnç farký altýnda mm /(mm.saniye)'dir. Bu üç paraþütün geometrik parametrelerini deðiþtirmek suretiyle 12 farklý paraþüt yapýsý oluþturulmuþtur. Her bir paraþüt yapýsý, Þekil 2'de gösterilen silindirik cisim ile Deneyin Yapýlýþý Tork ölçüm mekanizmasýna baðlanan bir dönen paraþüt-cisim sistemi, rüzgar tünelinin çalýþtýrýlmasýyla birlikte V hýzýna sahip kararlý hava akýmýnda sabit bir dönme hýzýnda (f) kendi ekseni etrafýnda dönmeye baþlar (Þekil 1). Dönen paraþüt, aský ipleri aracýlýðýyla silindirik cismi ve ona baðlý olan tork ölçüm mekanizmasýný döndürür. Þekil 3'de gösterilen yay-kemer mekanizmasýnda kemerin bir ucu yaya baðlý, diðer ucu ise sabittir. Dönen paraþüt-cisim sisteminin dönme yönüne ters yönde olacak þekilde kemerin sabit ucundan bir karþý aðýrlýk asýldýðý zaman, bu aðýrlýk bilyeli yatak mekanizmasý üzerinden yayý, belirli bir mesafeye kadar çekecektir. Kemerin sabit ucundan asýlan karþý aðýrlýðýn büyüklüðü bellidir. Asýlan aðýrlýða karþýlýk gelen yay uzamasý ve sistemin dönme hýzýndaki deðiþim ölçülür ve her seferinde karþý aðýrlýk belirli oranda arttýrýlarak veriler toplanýr. Verilerin toplanmasý paraþütün aský ipleri dolanýncaya kadar sürdürülür. Yayýn karþý aðýrlýk ile uzamasýna karþýlýk gelen çekme kuvvetinin büyüklüðü yayýn kalibrasyon eðrisi kullanýlarak bulunur. Asýlan karþý aðýrlýk ile yayýn uzamasýna karþýlýk gelen çekme kuvvetinin farký, kemer aracýlýðýyla paraþüt sistemine uygulanan sürtünme kuvveti deðerini verir. Böylece bu sürtünme kuvvetinin, çapý belli olan tork Mühendis ve Makina Cilt : 47 Sayý:

5 koluna uyguladýðý tork deðeri paraþütün cisme ilettiði torku verir (Eþitlik 1). T t = Sürtünme Kuvveti (N) x Tork Kolu (m) (1) Kalibrasyon ve Deneye Hazýrlýk Deneylerden önce yay-kemer mekanizmasýnda kullanýlan yayýn karþý aðýrlýklar kullanýlarak kalibrasyonu yapýlmýþtýr. Yayýn baþlangýç konumundan itibaren karþý aðýrlýk ile uzamasýna karþýlýk gelen deðerleri göz önünde bulundurularak veriler toplanmýþ ve kalibrasyon eðrisi çizilmiþtir. Deneylerden önce yay-kemer mekanizmasýnda kullanýlan yayýn karþý aðýrlýklar kullanýlarak kalibrasyonu yapýlmýþtýr. Yayýn baþlangýç konumundan itibaren karþý aðýrlýk ile uzamasýna karþýlýk gelen deðerleri göz önünde bulundurularak veriler toplanmýþ ve kalibrasyon eðrisi çizilmiþtir. Deneylerden önce yapýlan bir diðer çalýþma, rüzgar tünelinin jet çýkýþýndaki akýþýn hýz profilinin çýkarýlmasýdýr. Bir pitot tüp ve eðik manometre kullanýlarak jet çýkýþý boyunca yatay ve düþey eksende iki boyutlu hýz profili çýkarýlmýþtýr. Elde edilen sonuçlara göre test mekanizmasý, paraþüt sistemi akýþ içerisinde en uygun bölgede kalacak þekilde sabitlenmiþtir. Deneylerde kullanýlan rüzgar hýzý 18 m/s civarýndadýr. Deney Sonuçlarý ve Tartýþma Tork ölçüm testlerinde her bir paraþüt yapýsý için elde edilen veriler toplanmýþ ve her bir yapý için dönme hýzýnýn tork ile deðiþimi Þekil 6'da gösterildiði gibi grafikler halinde çizilmiþtir. Þekil 6'da sunulan grafiklere göre tork deðerinin sýfýr olduðu andaki dönme hýzý, dönen paraþüt sisteminin Þekil 6. Bazý Yapýlarýna Ait Tork Ölçüm Sonuçlarý 30 Mühendis ve Makina Cilt : 47 Sayý: 558

6 deneyin yapýldýðý kararlý akýþtaki rüzgar hýzýna, V (m/s), karþýlýk gelen serbest durumdaki dönme hýzýdýr, f (devir/dakika) (Çizelge 2). Artý Yapýlarý için Çizelge 2'de verilen deðerler göz önünde bulundurulursa, Yapý No 7 ve 10 dýþýndaki bütün yapýlar için sendeleme uzunluðu ( l) arttýkça kararlý akýþtaki dönme hýzýnýn (f) arttýðý görülür. Yapý No 7 ve 10'un deneyleri sýrasýnda paraþütler tam olarak açýlmamýþtýr. Bu nedenle, bu iki paraþüt yapýsýnýn kararlý akýþtaki dönme hýzlarý, kendi sýnýfýndaki diðer iki düþük sendeleme uzunluðuna sahip yapýlarýn deðerlerinden daha düþük olmuþtur. ün sendeleme uzunluðunun büyük oluþu, aský ipleri tarafýndan çekiþtirilen paraþütün tam olarak açýlamamasýna neden olduðu düþünülmektedir. Bunun yanýnda, her üç paraþüt tipine ait yapýlar göz önünde bulundurulduðunda, aský ipi uzunluðu arttýkça kararlý dönme hýzýnýn arttýðý gözlenmiþtir. Þekil 6'daki grafiklerden görüleceði üzere, her dönen paraþüt sisteminde, paraþüt çökünceye kadar dönme hýzý ve tork arasýnda doðrusal bir iliþki vardýr. Bu doðrusal deðiþim paraþütün ipleri dolanana kadar sürmektedir. Elde edilen sonuçlara göre Artý lerin iletebildikleri maksimum tork deðerleri ila N.m arasýndadýr (Çizelge 3). Yapý No 6, 7 ve 10 için bu deðerler daha düþüktür. Yapý No 7 ve 10 da paraþütler güzel açýlmadýklarý için iletilen torklarýn daha düþük olmasý beklenebilir. Fakat Yapý No 6 da ölçülen düþük tork deðeri için mantýklý bir neden bulunamamýþtýr. Yuvarlak ler için maksimum iletilebilir tork deðerleri 0.1 N.m civarýndadýr. Yuvarlak ün Artý lere göre daha büyük tork iletebilme deðerlerine sahip olmasýndaki en büyük etken, bu paraþütün tasarým farký ve kubbeye benzer yapýsýdýr. Þekil 6'da sunulan tork ölçüm grafiklerinden çýkarýlan diðer bir sonuç, her bir dönen paraþüt yapýsý için kritik bir dönme hýzýnýn var olduðudur. Bu kritik deðerin altýnda paraþütün aský ipleri dolanmaktadýr. Diðer grafiklerden elde edilen sonuçlar da göz önünde bulundurulduðunda, V rüzgar hýzýndaki kararlý akýþta düþük dönme hýzýna sahip bir paraþüt yapýsýnýn, kendi sýnýfýndaki diðer yüksek dönme hýzlý paraþüt yapýsýndan daha az bir kritik dönme hýzýna sahip olduðu gözlenmiþtir. (örneðin Yapý No 5 ve 6) (Çizelge 2 ve 3). Benzer þekilde, kýsa aský iplerine sahip bir paraþüt yapýsýnýn, kendi sýnýfýndaki diðer uzun aský iplerine sahip paraþüt yapýsýndan daha az bir kritik dönme hýzýna sahip olduðu bulunmuþtur (örneðin Yapý No 11 ve 12) (Çizelge 3). Çizelge 2. Her Bir Yapýsýnýn T t = 0 için Dönme Hýzý Yapý No Tipi Aský Ýpi Uzunluðu, l S Sendeleme Uzunluðu, l T t =0 için Dönme Hýzý (devir/dak) * L 495 Artý 0.7 L L L 520 L/W= L L L L 595 Artý 0.7 L L L L/W= L L L Yuvarlak 0.7 L L Mühendis ve Makina Cilt : 47 Sayý:

7 Çizelge 3. Her Bir Yapýsýna Ait Ýletilebilir Maksimum Tork Deðeri ve Kritik Dönme Hýzý Yapý No Tipi Aský Ýpi Uzunluðu, l S Sendeleme Uzunluðu, l Kritik Dönme Hýzý (devir/dak) Ýletilebilir Maksimum Tork (N.m) 1 Artý 0.7 L 0.05 L L L 0.05 L L/W= L L Artý 0.7 L 0.07 L L L L/W= L 0.07 L L Yuvarlak 0.7 L L Sonuç Ayný kumaþ alanýna sahip üç ayrý paraþütün geometrik parametrelerinin deðiþtirilmesi ile elde edilen deðiþik paraþüt yapýlarýnýn, silindirik cisme iletebildikleri tork deðerleri genel olarak birbirlerine yakýn büyüklüktedir ( N.m). Kumaþ alaný ayný olmasýna raðmen Yuvarlak ten oluþturulan yapýlarýn Artý lerden oluþturulan yapýlara göre daha büyük iletilebilir tork deðerlerine sahip olmalarý paraþütlerin tasarýmlarýndaki farklýlýklarý ortaya koymaktadýr. l s l T t : Aský ipi uzunluðu, [m] : Sendeleme uzunluðu, [m] : Ýletilebilen tork, [N.m] Kaynakça 1. Yaðýz Ö. E., Yavaþça Düþen Bir Cismin Aerodinamik Þekil Tasarýmý ve Uçuþ Rotasý Analizi, Yüksek Lisans Tezi, Orta Doðu Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara Shpund Z. and Levin D., Improved Measurement of the Dynamic Loads Acting on Rotating Parachutes, Journal of Her bir paraþütten oluþturulan yapýlar kendi Aircraft, Volume 29, Number 3, May-June, , (1992). aralarýnda deðerlendirildiðinde, iletilebilir tork 3. Shpund Z. and Levin D., Dynamic Investigation of the deðerlerinin birbirlerine yakýn olduklarý görülse de, Angular Motion of a Rotating Body-Parachute System, paraþütlerin geometrik parametrelerindeki farklýlýklarýn Journal of Aircraft, Volume 31, Number 1, Januaryparaþütün çökmeden en az hýzla dönebileceði kritik February, 93-99, (1995). dönme hýzýný etkilediði görülmüþtür. 4. Shpund Z. and Levin D., Forebody Influence on Rotating Parachute Aerodynamic Properties, Journal of Aircraft, Teþekkür Volume 34, Number 2, March-April, , (1997). 5. Shpund Z. and Levin D., Canopy Geometry Effect on Yazarlar, tork ölçüm mekanizmasýnýn the Aerodynamic Behavior of Cross-Type Parachutes, hazýrlanmasýnda emeði geçen Prof. Dr. Cahit ERALP'e Journal of Aircraft, Volume 34, Number 5, September- Makina Mühendisi Abdullah NALBANTOÐLU ve Makina Mühendisi Hüseyin Evren KOCAKAYA'ya teþekkür ederler. October, , (1997). 6. Doherr K.F. and Synofzik R., Investigations of Rotating Parachutes for Submunitions, American Institute of Simgeler Aeronautics and Astronautics (AIAA) 9th Aerodynamic V : Kararlý akýþtaki rüzgar hýzý, [m/s] Decelerator and Balloon Technology Conference, f : Dönme hýzý, [devir/dakika] AIAA Paper CP, Albuqerque, 59-65, (1986). L : Dikdörtgen kumaþýn uzun kenarý, [m] 7. Shpund Z. and Levin D., Static and Dynamic Coefficients of a Cross-Type Parachute, Journal of W : Dikdörtgen kumaþýn kýsa kenarý, [m] Aircraft, Volume 31, Number 1, January-February, 132- d c : Ýmalat çapý, [m] 137, (1994). 32 Mühendis ve Makina Cilt : 47 Sayý: 558