TMMOB Makina Mühendisleri Odası VIII. Ulusal Uçak, Havacılık ve Uzay Mühendisliği Kurultayı -3 Mayıs 015 / ESKİŞEHİR DÜŞÜK İRTİFA UZUN UÇUŞ SÜRELİ VE GÜNEŞ ENERJİLİ İNSANSIZ HAVA ARACININ KANATÇIK TASARIMI Ali İhsan GÖLCÜK 1, Murat ÇELİK, Osman AKGÜN 3, D. Funda KURTULUŞ 4 1 TÜBİTAK UZAY, Ankara TÜRKİYE Tel: 31 10 1050 E-Posta: ihsan.golcuk@tubitak.gov.tr TÜBİTAK UZAY, Ankara TÜRKİYE Tel: 31 10 1050 E-Posta: murat.celik@tubitak.gov.tr 3 TÜBİTAK UZAY, Ankara TÜRKİYE Tel: 31 10 1050 E-Posta: osman.akgun@tubitak.gov.tr 4 ODTÜ Havacılık ve Uzay Mühendisliği Bölümü, Ankara TÜRKİYE Tel: 31 10 4 91 E-Posta: dfunda@ae.metu.edu.tr Özet- Kanatçık, taşıma kuvveti sonucu oluşan sürüklenme kuvvetinin kanat uçlarında oluşturduğu girdapları azaltarak hava aracının verimliliğini artırması için kullanılan bir yapıdır. Kanatçıklar, kanadın yapısal gerilme değerini ve ağırlığını çok fazla artırmadan kanadın etkili boy oranını artıracak şekilde çalışmaktadır. Bu çalışmada, düzgünleştirilmiş Wortmann FX 63-137 kanat kesiti kullanılarak oluşturulan 0.35 m veter uzunluğuna ve 5 m kanat açıklığına sahip bir kanat için kanatçık tasarımı açıklanmaktadır. Anahtar Kelimeler: Kanatçık, hesaplamalı akışkanlar dinamiği, İHA 1. GİRİŞ Günümüzde insansız hava araçları, askeri amaçlar dışında sivil alanlarda da ihtiyaç haline gelmesiyle büyük önem kazanmıştır. Yangın algılama, arama kurtarma ve sahil şeridi izleme gibi alanlarda insansız hava araçlarının kullanılması buna örnek verilebilir [1]. Bu gibi görevleri göz önünde bulundurulduğunda, insansız hava araçlarının havada kalma süresi büyük önem arz etmektedir. Bu çalışma, düşük irtifa uzun uçuş süreli ve güneş enerjili insansız hava aracının daha az enerji harcayarak uzun süre havada kalması için aerodinamik açıdan gerekli en iyi aerodinamik kuvvetleri (örneğin L/D oranı) sağlayacak kanatçık tasarımı ve analizi hakkında bilgi vermekte ve ön çalışmayı özetlemektedir. Uçağın aerodinamik performansını artırmak havacılıkta hala üzerinde çalışılınan zorluklardan birisidir. Bu amaçla, aerodinamik sürüklemeyi azaltmak ve performansı artırmak için kanatçık yapma fikri ortaya çıkmıştır. İlk çalışmaların 1970 yıllarında Richard Whitcomb tarafından başlatılığı belirtilmektedir. 1979 ve 1980 yıllarında KC-135A uçağının uçuş testleri esnasında kullanılmıştır. Bu kanat yapısının verimi %7 arttırdığı gözlemlenmiştir ([4]-[5]). Kanadın üst ve alt yüzeyindeki basınç farkından dolayı kanat uçlarında girdaplar oluşur. Hava araçlarında sürüklenme kuvvetinin büyük bölümünü kanadın oluşturmasından dolayı kanat uçlarında oluşan girdapların azaltılması ve kanattan uzaklaştırılması noktasında kanatçıklar büyük öneme sahiptir. Kanatçıklar, kanat ucunda oluşan bu girdapları zayıflatır ve kanattan uzaklaştırır. İndüklenmiş sürüklenme, uçağın yüksek taşıma kuvvetine ihtiyaç duyduğu kalkış, seyir ve iniş senaryolarında büyük etkiye sahiptir. Kanatçıklar bu sürüklenme kuvvetini azaltarak uçağın taşıma-sürükleme katsayısını (L/D) artırmaktadır. Pervaneli uçaklarda havada kalış süresi, taşıma kuvvetinin küpünün sürüklenme kuvvetinin karesine oranına (C L3 /C D ) bağlı bir fonksiyon olduğundan, taşıma-sürükleme katsayısı hava aracının görev süresinde ciddi bir etkiye sahiptir [1]. Bu çalışmanın temel amacı, kanatçık olmayan ve kanatçık olan dikdörtgen kanadın CFD analizlerini yaparak kanat ve kanatçığı aerodinamik açıdan incelemektir. Analizler ilk olarak kanatçıksız.5 m kanat açıklığına (kanat uzunluğunun yarısı) ve 0.35 m veter uzunluğuna sahip kanat için yapılmıştır. Sonrasında 45, 60, 75 ve 90 derece Cant açılarına sahip kanatçıkların her derecesi için kanat ile beraber çözüm yapılmıştır. Her bir Cant açısı için de farklı daralma oranlarında (λ= 0.3, λ= 0.4, λ= 0.5) çözüm yapılmıştır. Son olarak da, kanatçık uzunluğu kadar (0.35 m) kanat açıklığı artırılmış kanatçıksız kanadın çözümü yapılmıştır. Analizler hava aracının seyir durumuna göre ve hücum açısı 0 için yapılmıştır.. METOD Bu çalışmada, kanatçık tasarımı mevcut düşük irtifa uzun uçuş süreli ve güneş enerjili insansız hava
araçlarında kullanılan tasarım parametleri de baz alınarak, kanatçığın geometrisini belirleyen farklı değişkenin (Cant açısı ve daralma oranı) farklı kombinasyonları denenerek yapılmıştır ([]-[3]). Optimizasyon için tasarımların 3D aerodinamik analizleri yapılmıştır. Farklı kanatçık konfigürasyonları etrafındaki hava akışı sayısal akışkanlar dinamiği programı (Ansys R16) kullanılarak incelenmiştir. Method olarak Reynolds-Averaged-Navier Stokes (RANS) ile birlikte k- Realizable türbülans modeli kullanılmıştır. Hava aracının seyir durumu şartları için taşıma ve sürükleme katsayıları karşılaştırılarak en iyi tasarımı belirlemek için kanat-kanatçık etrafındaki akış incelenmiştir. Bu çalışmanın amacı, hava aracının daha az enerji harcayarak uzun süre havada kalması için aerodinamik açıdan gerekli en iyi taşıma-sürükleme katsayısını sağlayacak kanatçık tasarımının incelenmesidir. a)cant Açısı 45 b)cant Açısı 60.1 Geometri Düşük irtifa uzun uçuş süreli ve güneş enerjili İnsansız Hava Aracı nın geometrik yapısı Şekil 1 deki gibidir. Hava aracının kanat ve kanatçık geometrileri CATIA V5 de yapılmıştır. Kanatçık olmadan kanadın yarım kanat açıklığı.5 m ve veter uzunluğu 0.35 m dir. Kanatçık geometerisini belirleyen çok sayıda parametre bulunmaktır. Bu çalışmada kanatçığın geometrisi belirlenirken 4 farklı Cant açısı ve her Cant açısında da 3 farklı daralma oranı olmak üzere 1 farklı kanatçık modelinin uçağın aerodinamik özelliği üzerindeki etkileri esas alınmıştır. Diğer parametreler (hücum kenarı süpürme açısı, firar kenarı süpürme açısı, kanatçık yüksekliği vb..), Cant açısı ve daralma oranına göre serbest bırakılmıştır. Bükülme açısı bu çalışmada sabit (0 ) alınmıştır. c)cant Açısı 75 d)cant Açısı 90 Şekil. Cant Açıları Sonraki adımda, oluşturulan her Cant açısı için daralma oranlarına göre kanatçığın kanat ucu profili oluşturulmuştur. Şekil 3 de örnek olarak 75 Cant açısına sahip bir kanatçığın 3 farklı daralma oranına göre şekilleri gösterilmektedir. Şekil 1. Düşük İrtifa Uzun Uçuş Süreli ve Güneş Enerjili İnsansız Hava Aracı Kanatçık geometerisi oluşturulurken ilk olarak Cant açısından yola çıkılmıştır. Kanatçığın uzunluğu, veter boyu kadar alınmış ve tüm geometrilerde sabit tutulmuştur. Yüksekliği ise Cant açısına bağlı olarak değişmektedir. Şekil de görüldüğü gibi Cant açısını oluşturan kanatçık eğrisi, kanadın veter çizgisi referans alınarak, veter boyu genişliğinde ve yüksekliğinde bir çemberin yarıçapını süpürecek şekilde yapılmıştır. Kanatçığı oluşturan profiller 4 farklı açı ile oluşturulan bu eğriyi takip etmektedir. a)λ=0.3
b) λ=0.4 a)hücum ve Firar Kenarı süpürme Açıları (λ=0.3) c) λ=0.5 Şekil 3. 75 Cant Açısı için Kanatçık Daralma Oranları Kanatçığı oluşturan kanat ucu profilindeki daralma, 3 farklı değer için, kanatçığın firar kenarı referans alınarak yapılmıştır. Kanat ucu profili, Şekil 4 de gösterildiği gibi, her daralma oranı için aynı değerde geriye doğru ötelenmiştir. Böylece farklı Cant açıları için aynı daralma oranına sahip kanatçıklar arasında referans alan aynı tutulmuştur. b)hücum ve Firar Kenarı Süpürme Açıları (λ=0.4) c)hücum ve Firar Kenarı Süpürme Açıları (λ=0.5) Şekil 5. Hücum ve Firar Kenarı Süpürme Açıları Şekil 4. Firar Kenarı Öteleme Değeri Yukarıda anlatılan değerler doğrultusunda ortaya çıkan kanatçıkların hücum kenarı süpürme açıları ve farklı Cant açılarında ve daralma oranlarında aynı kalan firar kenarı süpürme açısı Şekil 5 de gösterilmiştir.
. Analizler Farklı kanatçık konfigürasyonları etrafındaki hava akışı sayısal akışkanlar dinamiği programı (Ansys R16) kullanılarak incelenmiştir. Method olarak Reynolds-Averaged-Navier Stokes (RANS) ile birlikte k- Realizable türbülans modeli kullanılmıştır. Bu modelin sınır tabaka modelleri, ayrılma vb. Akışlarda standar modele göre daha iyi sonuçlar verdiği bilinmektedir. İHA sisteminin Ankara şartılarında uçtuğu göz önüne alınarak hava yoğunluğu bu irtifada alınmıştır ( =1.1117 kg/m 3 ). Çözüm yöntemi olarak basınç-hız çifti çözümü kullanılmıştır. COUPLED çözüm yöntemi seçilmiştir. Gradyan hesabı için Green-Gauss node base yöntemi kullanılmıştır. Tüm değişkenler için ikinci derece yöntemlerle çözüm elde edilmiştir. İşlem koşulları Tablo 1 de verilmektedir. Tablo 1. İşlem Koşulları Parametreler Akış hızı 14 m/s Özkütle 1.1117 kg/m 3 Ortam Sıcaklığı 88. K Viskozite 1.76 10-5 kg/ms Çözüm ağı 5.5 milyon eleman ile gerçekleştirilmiştir. Kanadın yarısı için çözüm gerçekleştirilmiş ve simetri sınır koşulu verilmiştir. Buna ek olarak giriş sınır koşulu 14m/s hızda verilmiştir. Çözüm alanı Şekil 6 da gösterilmiştir. Şekil 6. Çözüm alanı 4. ANALİZ SONUÇLARI İki adet kanatçıksız konfigürasyon ve 1 adet kanatçıklı konfigürasyonun sonuçları elde edilmiştir. Aerodinamik katsayılar ve bunun ile ilgili uçak performansı karşılaştıırlmıştır. Sonuçlar Tablo de verilmektedir. Tablo. Aerodinamik Kuvvetler ve Uçuş Performansı Cant Açısı 45 Derece b [m].85.85.85 S [m ] 0.965 0.974 1.00 kuvveti [N] 80.007 80.003 79.998 C L 0.761 0.754 0.70 C D 0.0349 0.03410 0.0370 C L /C D.0.11.0 C L3 /C D 374.93 368.66 348.9 Cant Açısı 60 Derece b [m].85.85.85 S [m ] 0.965 0.974 1.00 kuvveti [N] 80.515 80.599 80.063 C L 0.766 0.760 0.70 C D 0.03447 0.03417 0.0343 C L /C D..3. C L3 /C D 377.96 375.40 355.60 Cant Açısı 75 Derece b [m].85.85.85 S [m ] 0.965 0.974 1.00 kuvveti [N] 80.675 80.300 80.550 C L 0.767 0.757 0.75 C D 0.03436 0.03406 0.03301 C L /C D.33. 1.96 C L3 /C D 38.79 373.54 349.41 Cant Açısı 90 Derece b [m].85.85.85 S [m ] 0.965 0.974 1.00 kuvveti [N] 81.07 81.577 81.98 C L 0.77 0.769 0.738 C D 0.03434 0.03461 0.03363 C L /C D.50.1 1.94 C L3 /C D 390.88 379.37 355.07
Tablo den en iyi durumun 90 cant açısı ve 0.3 daralma oranlı kanatçık olduğu anlaşılmıştır. Bu durum ile iki adet kanaçıksız konfiürasyonun aerodinamik kuvvetleri ve performansları karşılaştırılmıştır (Tablo 3). Bu iki kanatçıksız durumdan biri.5 m kanat açıklığındaki temiz kanat durumudur. Diğeri ise kanatçık boyu kadar kanadın uzatılması durumdaki temiz konfigürasyondur. Şekil 7 de en iyi konfigürasyon ile kanatçıksız konfigürasyonların akım çizgilerinin karşılaştırılması verilmektedir. Kanatçık ın girdabı kanat üzerinden uzaklaştırdığı rahatlıkla bu akım çizgilerinden gözlemlenmektedir. Şekil 8 de eş girdap konturları aynı durumlar için verilmektedir. a) En iyi durum, Cant=90, λ=0.3, b/=.85 m Tablo 3. Kanatçıksız konfigürasyonlar ile en iyi durumun karşılaştırılması Kanatçıksız konfigürasyon Kanatçıkl ı en iyi durum Fark (%) b [m].5.85 S [m ] 0.875 0.9650 Toplam taşıma kuvveti [N] 68.7453 81.075 18.13 C L 0.7114 0.774 7.11 C D 0.03513 0.03434 -.7 C L /C D 0.53.49557 9.60 C L3 /C D 303.8 390.88495 8.66 AR 7.143 8.41710 b)kanat, b/=.85 m Kanatçıksız konfigürasyon Kanatçıklı en iyi durum b [m].85.85 Fark S [m ] 0.998 0.9650 Toplam taşıma kuvveti [N] 80.6017 81.075 0.75 C L 0.74168 0.774 4.14 C D 0.03613 0.03434-4.97 C L /C D 0.53.49557 9.60 C L3 /C D 31.48 390.88495 5.09 AR 8.143 8.41710 c)kanat, b/=.5 m Şekil 7. Akım çizgileri ve kanat üzeri basınç dağılımı a) En iyi durum, Cant=90, λ=0.3, b/=.85 m
Congress on Engineering, WCE 011, Vol. 1, 011, s.1-5 [5] J. Weierman, J. D. Jacob, Winglet Design and Optiization for UAVs, 8 AIAA Applied Aerodynamics Conference, AIAA 010-44, 010 7. ÖZGEÇMİŞ b)kanat, b/=.85 m c)kanat, b/=.5 m Şekil 8. Eş girdap (isovorticity) konturları 5. SONUÇLAR Bu çalışmada güneş enerjisi ile çalışan bir İHA sisteminin kanatçık tasarımı üzerine çalışılmış ve farklı kanatçık parametreleri hesaplamalı akışkanlar dinamiği kullanılarak analiz edilmiştir. Sonuçta taşıma kuvveti katsayısında %7.1 lik bir iyileştirme gözlemlenmiştir. 6. KAYNAKÇA [1] P.Panagiotou, P.Kaparos, K.Yakinthos, Winglet design and optimization for a MALE UAV using CFD, Aerospace Science and Technology, 39, 014, s. 190 05 [] A.Noth, Design of Solar Powered Airplanes for Continuous Flight, Ph. D. thesis, ETH ZÜRICH, Eylül 008 [3] S. R. Reddy, H. Sobieczky, A. Abdoli, G. S. Dulikravich, Winglets Multiobjective Optimization of Aerodynamic Shapes, 11th World Congress on Computational Mechanics (WCCM XI), İspanya, 014 [4] M.A. Azlin, C.F. Mat Taib, S. Kasolang, F. H. Muhammad, CFD Analysis of Winglets at Low Subsonic Flow, Proceeding of the World Ali İhsan Gölcük: 011 yılında ODTÜ Fizik Bölümü nden mezun oldu. 01 yılnda ODTÜ Havacılık ve Uzay Mühendisliğinde Yüksek Lisansa başladı. 013 yılı itibari ile TÜBİTAK- Uzay da Hava Platform ve Tasarım Bölümü nde çalışmaya başladı. İyi düzeyde ingilizce bilmektedir. Murat Çelik: 000 yılında İTÜ Uçak Mühendisliği Bölümünden mezun oldu. Aynı yıl İTÜ Uçak Mühendisliğinde Yüksek Lisansa başladı. Tez aşamasındayken aynı zamanda TAI de yapısal analiz mühendisi olarak çalışmaya 004 yılında başladı. AIRBUS A400M uçağının Acil çıkış kapısı ve çevresindeki ana yapıların analizlerinden sorumlu mühendis olarak dört yıl kadar çalıştı. 008 yılında AIRBUS Almanya da A400M, A30 ve A330 gibi uçakların statik ve yorulma hesaplarını yaptı. 015 ten itibaren yurda dönüş yaparak TÜBİTAK-Uzay da Ar-Ge çalışmalarına halen devam etmektedir. Çok iyi derecede İngilizce bilmektedir. Osman Akgün: 1997 yılında İTÜ Uçak Mühendisliği Bölümünden mezun oldu. 00 yılında İTÜ Uçak Mühendisliği Bölümünde Yüksek Mühendisliğini tamamladı. 015 yılında ODTÜ Havacılık ve Uzay Mühendisliği Bölümü nde doktora programına başladı. TAI de yapısal tasarım mühendisi olarak çalışmaya 003 yılında başladı. AIRBUS A400M uçağının ön orta gövde sistem yerleşim tasarım sorumlusu olarak iki yıl kadar çalıştı. Bosch ta kısa bir süre çalıştıktan sonra 006 yılında AIRBUS Almanya da A400M, A350 gibi uçakların çeşitli sistem tasarımlarından sorumlu lider olarak çalıştı. 014 Eylül ayından itibaren yurda dönüş yaparak TÜBİTAK-Uzay da Ar-Ge çalışmalarına halen devam etmektedir. Çok iyi derecede İngilizce ve Almanca bilmektedir. Doç. Dr. D. Funda Kurtuluş: 000 yılında ODTÜ Havacılık ve Uzay Mühendisliği Bölümü nden birincilikle mezun oldu. 00 yılında ODTÜ Havacılık ve Uzay Mühendisliği Bölümü nden Yüksek Lisans derecesini ve 005 yılında Fransa ENSMA Poitiers Üniversitesi ve ODTÜ den çift taraflı doktora derecesini aldı. 006 yılında TU Delft (Hollanda) ile ortak Poitiers Üniversitesi nde ve CNRS Orléans ta doktora sonrası çalışmalarda bulundu. 005 yılında Amerika dan mikro insansız
hava araçları üzerine yaptığı çalışmalar sebebi ile Zonta International Amelia Earhart ödülünü aldı. 01 yılında Türkiye Bilimler Akademisi nden Genç Bilim İnsanı Ödülünü almıştır. 009 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 ve az düzeyde Arapça bilmektedir.