USMOS 2005, 2-3 Haziran 2005, ODTÜ, Ankara

Transkript

1 TOPÇU ROKETLERİNİN ATIŞ KONTROL SİSTEMLERİ İÇİN YENİ NESİL BALİSTİK ÇÖZÜCÜ Umut DURAK (a), Koray DAYANÇ (a), Doç.Dr.Yük.Müh.Alb.Faruk ELALDI (b) Prof.Dr.Ömer ANLAĞAN (c) (a) TÜBİTAK-SAGE, PK.16 Mamak ANKARA,{udurak, (b) K.K.K lığı, K.H.O ANKARA, (c) TÜBİTAK, TÜBİTAK Kavaklıdere ANKARA, ÖZ Temelde, tüm atış kontrol problemleri, İstediğim hedefi vurmak için mühimmatı silahımdan nasıl atmalıyım? sorusunun değişik türevleridir. Roketler için atış kontrolü de bu kapsamda atmosferin, silahın, mühimmatın ve hedefin koşullarına dayanarak fırlatıcıya yan ve yükselişin bağlanması olarak tanımlanabilir. Atış kontrol sistemleri, atış koşullarını tespit eden alt sistemler, bu koşullarda hedefi vuracak yan ve yükselişi hesaplayan balistik algoritmalar veya çözücüler ve hesaplanan atış esaslarını silaha bağlayacak sistemlerden oluşurlar. Makalede, NATO bünyesinde Türkiye nin liderliğinde geliştirilmekte olan yeni nesil roket balistik çözücüsü tanıtılmıştır. Anahtar Kelimeler: Atış Kontrolü, Balistik Çözücü, Mühimmat Uçuş Benzetimi, NABK, Roket Sistemleri. NEXT GENERATION BALLISTIC SOLVER FOR FIRE CONTROL SYSTEMS OF ROCKETS ABSTRACT Basically, all the fire control problems are the different variations of the question, How should I fire in order to hit my target?. Then this question for rockets is to determine the quadrant elevation and azimuth for the launcher for the defined metro, weapon, rocket and target conditions. Fire control systems are fundamentally composed of systems to acquire environment and target data, ballistic solver that finds the quadrant elevation and azimuth and the systems to orient the launcher. This paper discusses the next generation ballistic solver developed in NATO for rocket systems. Keywords: Ballistic Solver, Fire Control, NABK, Rocket Systems, Trajectory Simulation 41

2 1. GİRİŞ 1990 lı yılların ortasında A.B.D nin Aberdeen Proving Ground (A.P.G) de bulunan Atış Cetvelleri Merkezi (FTAB) ve Norveç in Forsvarets Forsningsinstitutt (FFI) sahra topçusunun teknik ateş idaresi için yeni nesil bir balistik çözücü çalışmalarına başlamıştır. Askeri uygulamalarda geniş kabul görmüş, ADA dili ile geliştirilecek, standart ve jenerik bir balistik çözücü fikri NATO Kara Grubu 4, Alt Grup 2 üyeleri tarafından ilgi ile karşılanmıştır. Çalışmalar NATO Artillery Ballistic Kernel (NABK) adı verilen yazılımın algoritmasının geliştirilmeye başlaması ile ve kodlanması hızlanmıştır[1]. NABK in geliştirilmesi ve daha sonra devam eden genişleme ve bakım süreçlerinde paylaşılabilirlik ve yeniden kullanılabilirlik kavramları temel alınmıştır. Ülkeler, milli ihtiyaçları doğrultusunda yazılıma yeni işlevsellikler eklemişlerdir. Bu süreçte sahra topçusu hedefi ile başlayan Artillery Ballistic Kernel genişletilerek tüm silahların ihtiyacına yönelik olacak şekilde Armaments Ballistic Kernel adını alarak çalışmalar sürdürülmüştür. Bu çalışma kapsamında NATO bünyesinde bütünlüğe yönelik büyük bir adım atılmış, NATO mühimmat değiştirilebilirliğini destekleyen, NATO ülkelerince kullanılan ortak bir balistik çözücü ortaya çıkarılmıştır. Türkiye çalışmalara ilk olarak 1997 yılında katılmıştır. Yazılımın ilk sürümünün hazırlanmasında geliştirilme faaliyetlerine katkı sağlanmış ve Kara Kuvvetleri envanterinde bulunan silah sistemlerinin bu yazılım ile kullanılabilmesini sağlayacak çalışmalar yürütülmüştür [2][3]. NABK in hizmet verdiği silah sistemlerinin genişletilmesi sürecinde roket sistemlerine ait atış kontrol ihtiyacının da NABK tarafından çözülebilmesi için bir çalışma başlatılmıştır. Roketler için NABK olarak isimlendirilen bu çalışma, roket uçuş simülasyonu için modelleme çalışmaları ile başlamıştır. Oluşturulan model STANAG The Modified Point Mass And Five Degrees Of Freedom Trajectory Models ile belgelenmiştir[4] yılında başlayan geliştirme çalışmaları tamamlanma aşamasına gelmiştir. Roketler için NABK Türkiye nin liderliğinde, İngiltere ve A.B.D nin katkıları ile yürütülmektedir. Türkiye de bu çalışma K.K.K lığı koordine ve kontrolünde, TÜBİTAK-SAGE ve ROKETSAN A.Ş. tarafından yürütülmektedir. TÜBİTAK-SAGE NABK yazılımında roketler için gerekli güncellemeleri gerçekleştirirken; ROKETSAN A.Ş. tarafından yazılımın test araçları geliştirilmektedir. 2. NABK NABK yazılımı dört ana katmandan oluşmaktadır. Bu katmanlar sırası ile Atış Kontrol Girdileri, Hareket Denklemleri, Hesaplama ve Atış Görevi dır. Atış Kontrol Girdileri atış görevinde balistik çözüm için gerekli tüm aerodinamik ve balistik verilere ulaşmayı sağlar. Bu katman girdileri üç temel biçimde işler. İlk biçim tüm verilerin program çalıştığında metin tabanlı dosyalardan okunmasıdır. İkinci yaklaşım tüm verilerin geliştirilen araçlar yardımı ile derleme öncesi kodun içine gömülmesidir. Bu sayede derlenmiş kod, desteklediği tüm sistemlerin verilerine sahip olur. Ayrıca önemli bir problem olan veri güvenliği 42

3 problemi de bu şekilde aşılabilir. Kullanılan son yöntem ise verilerin bir kısmının koda gömülüp bir kısmının metin tabanlı dosyalardan okunduğu karma yöntemdir. Hareket Denklemeleri, tanımlı bir mühimmatın, tanımlı bir silahtan yapılan tanımlı bir atışı için yörünge hesaplar. Bu katman Roketler için NABK çalışmasının tamamlanması ile, üç serbestlik dereceli nokta kütle, geliştirilmiş nokta kütle, güdümlü nokta kütle ve beş serbestlik dereceli roket yörüngeleri hesaplayabilecektir. Hesaplama atış kontrol probleminin çözülmesinden sorumludur. Bu katman Hareket Denklemleri nı kullanarak bir çok yörüngeyi hesaplatmak suretiyle hedefi vuracak atış esaslarını hesaplamak için iterasyonlar yapar. Atış Görevi ise Hesaplama kullanarak ateş idaresini yapmaktan sorumludur. Bu katman kullanılarak Metro, Emniyet Hudutları, İlk Hız Değişimleri, Hava Koridoru ve Sutre gibi unsurlar atış kontrolüne dahil edilir. NABK in bu katmanlı yapısı ve bu katmanlar arasındaki ilişkiler Şekil 1 de verilmiştir. Genel Atış Kontrol Girdileri NABK Kontrolü Atış Görevi Arazi Veritabanı Unite Veritabanı Tanzim Veritabanı İlk Hız Değişimi Veritabanı Atış Kontrol Girdileri Atış Görevi Hesaplama İterasyon Sutre Veritabanı Hava Koridoru Veritabanı Metro Veritabanı Atış Kontrol Girdileri Haraket Denklemleri Yörünge İşlenmiş Metro Veri Akışı Kontrol Akışı Şekil 1. NABK Yazılımı İşlevsel Yapısı Bu katmanlı yapı, kullanım amacına bağlı olarak farklı seviyelerde yeniden kullanıma olanak sağlar. Bu yapı, NABK in çıkış noktası olan, NATO ülkelerinin farklı gereksinimlerinin karşılanması için kullanabilecekleri bir çekirdek algoritma geliştirme vizyonunun ürünüdür. Eski örneklerinden oldukça farklı olarak, yazılım mühendisliği alanındaki gelişmelerin yansıtıldığı tasarımı sayesinde NABK, farklı gereksinimlere farklı seviyelerde yeniden kullanım ile çözüm sunan bir balistik çözüm platformu haline gelmiştir. Roketler için NABK çalışması sonucunda, NATO ülkelerinin tamamı roketler için de yeni nesil bir çözücüye sahip olacaklardır. Bu sayede roket sistemlerinin 43

4 geliştirilmesinde ve kullanımda laboratuar düzeyindeki uçuş benzetimlerinden, adedi atış cetveli hazırlayan yazılımlara, lançer atış kontrol sisteminden, taktik ateş idare sistemlerine kadar hepsi aynı balistik çözücüyü kullanır hale gelecektir. Bir çok platformda aynı yazılımı kullanır hale gelmek, bakım ve işletme maliyetlerini en aza indirecektir. Bunun yanında farklı gruplar tarafından, farklı ihtiyaçlara yönelik gerçekleştirilen balistik hesaplamaların birbiri ile tutarlı olması sağlanacaktır. 3. ROKETLER İÇİN NABK MODELİ Roket yörüngesi modellenirken mühimmatların hareket denklemleri dört ayrı fazda tanımlanmıştır. Bu fazlar Lançer İçi, Kanatsız Uçuş, Kanatlı Uçuş ve Serbest Uçuştur. Bu fazlar, roket uçuşunun farklı modelleme yaklaşımları gerektiren evrelerini en iyi şekilde tanımlayabilmek için kullanılmıştır. NABK in fazlı yapıya sahip roket yörüngesi Şekil 2 de verilmiştir. Şekil 2. NABK Roket Yörüngesi Lançer İçi fazı roket motorunun ateşlenmesi ile başlayıp, roketin lançerden çıkması ile sonlanır. Bu fazda sürükleme, itki ve sürtünme kuvvetleri modellenmiştir. Bu fazı izleyen Kanatsız Uçuş fazı, roketin lançerden çıkıp kanatlarını açıncaya kadar olan hareketini tanımlar. Kanatlı Uçuş ve Kanatsız Uçuş fazları için tanımlanan hareket denklemleri aynıdır. Fark, kanatların açılması ile değişen dış geometridir. Dış geometrideki değişim hareket denklemlerinin çözülmesinde kullanılan veri kümesinin de değişmesini gerektirir. Bu iki fazdaki uçuşu tanımlayan hareket denklemeleri beş serbestlik dereceli olarak tanımlanmaktadır. Bu denklemlerde Şekil 3 te sulan eksen takımlarını kullanarak, Çizelge 1 de listelenen kuvvetler ve momentler tanımlanmaktadır. 44

5 Şekil 3. Eksen Takımları Çizelge 1. 5 Serbestlik Dereceli NABK Modelinde Kullanılan Kuvvet ve Momentler Kuvvetler Momentler Sürüklenme Kuvveti Takla Momenti Kaldırma Kuvveti Yunuslama Sönümleme Momenti Magnus Magnus Momenti Yunuslama Sönümleme Kuvveti Dönü Sönümleme Momenti Roket Motoru İtkisi Kanat Açısı Momenti Yerçekim Eksenel Jet Sönümleme Momenti Dünya Dönüş Etkisi Yanal Jet Sönümleme Momenti Tapa işlevine kadar tanımlanan Roket uçuşunda son faz Serbest Uçuştur. Bu faz, roketin, motorun yanması tamamlandıktan sonra yaptığı itkisiz uçuşunu temsil eder. Kanatlı Uçuş fazı, roket motorunun yanması tamamlandıktan sonra, yanma ile ilgili 45

6 fiziksel etkilerin tamamen ortadan kalkmasına imkan verecek şekilde bir süre daha sürer. Daha sonraki yörünge Serbest Uçuş fazında daha basit bir model ile tanımlanır. Bu model, sadece sürükleme, yerçekimi ve dünya dönüşü etkilerinin göz önünde alındığı, nokta kütle modelidir. Tanımlı modeller ile ilgili ayrıntılar ve ilgili denklemler STANAG 4355 The Modified Point Mass And Five Degrees Of Freedom Trajectory Models, de verilmiştir. 4. ROKETLER İÇİN NABK GELİŞTİRİLMESİ Roketler için NABK in başlamasından itibaren Türkiye bu çalışmada aktif ve yoğun görev almıştır. Matematiksel modelin geliştirilmesi sürecinde gözden geçirme faaliyetlerine katılan Türkiye, yazılım geliştirme aşamasının liderliğine talip olmuştur. Türkiye Çalışma Gurubu içerisinde aktif olarak çalışan TÜBİTAK-SAGE, daha önceki FMCAD Bilgisayar Destekli Uçuş Mekaniği Tasarımı [5] projesinde kazandığı deneyimler ile ülkeye bu geliştirme faaliyetlerini yürütme şansını sağlamıştır. K.K.K lığı koordinesinde ve bilimsel katkıları ile başlayan ve sürdürülen bu çalışmada TÜBİTAK-SAGE NABK yazılımında yapılacak geliştirme faaliyetlerini, ROKETSAN A.Ş. roketler için geliştirilecek yazılımın test edilmesi için gerekli araçların geliştirilmesini üstlenmişlerdir. Yapılan çalışmalar sonucunda 2004 yılının şubat ayında yayımlanan 6. sürümünde 200bin satır olan NABK yazılımına 10bin satır yeni kod eklenmiş, STANAG ile tanımlanan modelin gerçeklenmesi sağlanmıştır. İki sene süren geliştirme faaliyetleri boyunca, Roketler için NABK yazılım gerekleri belirlenmiş, bu gereksinimler uyarınca arayüz ve detaylı tasarımlar yapılmıştır. Daha sonra geliştirilen kod uluslararası ana çizgiye entegre edilmiştir. Geliştirilen yazılımın doğrulaması için A.B.D ekibinin 1960 lı yıllardan bu yana kullandıkları H-TRAJ kodunun kullanılması yöntemi seçilmiştir. ROKETSAN A.Ş. tarafından geliştirilen araç yardımı ile test senaryoları yaratılabilmekte, bu senaryolar H- TRAJ programı ile çalıştırılabilmekte ve NABK yazılımının test ortamı olan Autotest yazılımı için girdiler hazırlanabilmektedir. Bu sayede geliştirilen roket yazılımı, topçu mermileri, havanlar gibi diğer mermiler ile birlikte test edilebilmektedir. Autotest programı farklı atmosfer, silah-hedef rakımı, yakıt sıcaklığı, silah enlem boylamı, yan ve yükselişi için H-TRAJ ile bulunan sonuçlara karşı, NABK i aynı koşullarda çalıştırarak test eder. İki programdan beklenen uyum menzilde 1 metre, uçuş zamanında 0.1 saniye mertebesindedir. 5. SONUÇ Roketler için NABK projesi ile durağan kararlı güdümsüz roketler için kullanılabilecek yeni nesil bir balistik çözücü geliştirilmiştir. Bu geliştirme çalışması ülkemiz açısından iki önemli sonuç doğurmuştur. İlk olarak Roketler için NABK in tamamlanması ile, BAİKS 2000 ve FIRTINA Ateş Kontrol Sistemlerinde NABK kullanımı ile başlayan muharebe sahasında kullanılan balistik çözücülerdeki standartlaşma çalışması roket sistemlerini kapsayacak şekilde genişletilmektedir[6]. İkinci olarak üzerinde durulacak sonuç, ülke olarak NABK gibi NATO kapsamında geniş kullanımı olan bir araç üzerinde büyük çaplı değişiklikler yapma yetkinliğinin kazanılmış olunmasıdır. Bu 46

7 sayede milli ihtiyaçların NABK yazılımına daha iyi yansıtılması mümkün olabilecektir. Bu gün roketler ile başlayan NABK geliştirme faaliyetleri, yarın söz konusu olabilecek tank, gemi gibi diğer platformlar için, NABK i milli ihtiyaçlara göre şekillendirerek ve özgün sistemler yaratmak açısından önemli bir adım olarak değerlendirilmektedir. TEŞEKÜRLER Bu makalenin hazırlanmasındaki katkılarından dolayı TÜBİTAK-SAGE ve ROKETSAN A.Ş. ye teşekkür ederiz. KAYNAKÇA [1] Sowa J.A., Lieske, R.F., Matts J.A., Miller J.L.,(1997), Ballistic Kernels Sharable Fire Control and Ballistic Simulation Software, Firing Tables and Aeroballistics Branch Information Report, FTAB-IR-32. [2] Dündar B.,(2000), Nato Artillery Ballistic Kernel, Ateş Desteği Otomasyonu 2000 Sempozyumu, Polatlı, Ankara [3] Özemre M.,(1998), Nato Artillery Ballistic Kernel Yazılımının Topçu Otomasyon Çalışmalarının Bünyesinde Roketler için kullanılması, Topçu ve Hava Savunma Sempozyumu, Polatlı, Ankara [4] STANAG. 4355, The Modified Point Mass And Five Degrees Of Freedom Trajectory Models, Draft Edition 5.0A, [5] Mahmutyazıcıoğlu M., Tiftikçi H., Korkmaz Ş., (1999), FMCAD-Flight Mechanics Computer Aided Design Software, 37th Aerospace Sciences Meeting & Exhibit, Reno, NV. [6] Çamoğlu Z., (2003), Batarya Ateş İdare Komputer Sistemi, Aselsan, Yıl: 16, Sayı