TMMOB Makina Mühendisleri Odası VIII. Ulusal Uçak, Havacılık ve Uzay Mühendisliği Kurultayı 22-23 Mayıs 2015 / ESKİŞEHİR HÜRKUŞ, ÇELİŞEN GEREKSİNİMLERİN YÖNETİMİ; KANOPİ ve PİLOT KURTARMA SİSTEMİ Özlem ERDENER SÖNMEZ TAI TUSAŞ Havacılık ve Uzay Sanayi AŞ, Eğitim Uçakları Mühendisliği Müdürlüğü, Akıncı 06936, ANKARA, TÜRKİYE Tel: 312 811 18 00 / 7167 E-Posta oerdener@tai.com.tr Özet- Hürkuş Kanopi tasarımını şekillendiren gereksinimlerden biri, ihtiyaç halinde pilotun kanopi içinden geçerek (through canopy ejection) emniyetle fırlayabileceği şekilde tasarlanması, diğeri ise kanopiye Kuş Çarpması durumunda pilotun güvenli bir şekilde uçuşa devam etmesi için kanopinin dayanmasını tanımlanmaktadır. Bu çalışmada, bu çelişen gereksinimleri karşılayacak şekilde geliştirilen kanopi tasarımı ve tasarım doğrulama sürecinde gerçekleştirilen geliştirme testleri, hem Kanopi hem de Pilot Kurtarma Sistemi sistem tasarım süreciyle birlikte incelenmektedir. Anahtar Kelimeler: Hürkuş, Temel Eğitim Uçağı, Uçak Geliştirme, Kanopi, Pilot Kurtarma Sistemi, Sistem Mühendisliği, Gereksinim, Geliştirme Testleri 1. GİRİŞ Hürkuş projesinde, Kanopi ve Pilot Kurtarma Sistemleri bağımsız iki sistem olmakla beraber, birbiriyle uyumlu çalışması gereken, tasarım ve geliştirme süreçleri birbirini yakından etkileyen sistemler oluşu nedeniyle önem taşımaktadır. Kanopi sistemi optik kaliteden ödün vermeden saydam şekillendirme konusunda uzmanlık gerektirdiği için, Hürkuş projesinde bu konuda daha önce benzer platformlarda da kanopi üretimi yapmış İsviçreli Mecaplex (MPG) firması ile çalışılmaktadır. Pilot Kurtarma Sisteminde ise, özel uzmanlık gerektirmesi nedeniyle bu alanda lider firmalardan biri olan İngiliz Martin Baker (MBA) firması ile çalışılmaktadır. Tasarım sürecinde ilk adım, sözleşme aşamasında tespit edilen müşteri gereksinimlerinin detaylandırılarak tasarım ekiplerinin çalışmalarına başlayabileceği detay teknik gereksinimlere indirgenmesidir. Hürkuş projesinde de, sözleşmede tanımlanan sistem performans gereksinimleri ve CS-23 sertifikasyon gereksinimleri [1] detaylandırılarak uçak seviyesinde Üst Seviye Gereksinim Dokümanı oluşturulmuş, bu gereksinimler de sistem seviyesi gereksinimlere kırılarak SRD (System Requirement Document) Sistem Gereksinim Dokümanları yayınlanmıştır. Sistem tasarımları, Sistem Gereksinim Dokümanında yer alan tüm gereksinimleri karşılayacak şekilde gerçekleştirilmiştir. Kanopi ve Pilot Kurtarma Sistemleri için tasarım süreci, gereksinimlerin detaylandırılması, sistemlerin birbirini etkileyen gereksinimlerinin netleştirilmesi ile başlamıştır. 2. KANOPİ TASARIMINI YÖNLENDİREN GEREKSİNİMLER Kanopi, Hürkuş uçağında kokpitinin yer aldığı Orta Gövdenin üst yüzeyini oluşturmaktadır.(şekil 1) Pilotların uçağa biniş ve inişi için bir kapı olarak da kullanılan kanopi aynı zamanda acil durum çıkışı olarak da görev yapmaktadır. Şekil 1. Hürkuş, Kanopi Hürkuş kanopisi, sağ kiriş üzerine monte edilen menteşe ekseni etrafında dönerek açılmaktadır. (Resim 2) Uçağa biniş ve inişler sol kanat üzerinden gerçekleştirilmektedir. Kanopi için basınçlandırma sisteminin sağladığı maksimum basınç farkı (4.50 psi) saydam kalınlığını oluşturan ana gereksinimlerden biridir.
engellemek amacıyla emniyetli bir alan tanımlanarak Fırlatma Zarfı oluşturulmuştur. Şekil 4 de tanımlanan Fırlatma Zarfı üzerinde herhangi bir engel olmamalıdır. Fırlatma zarfının saydam ile kesiştiği bölümlerin, Pilotun çıkışını kolaylaştırması için pilota zarar vermeyecek şekilde kırılması istenmektedir. Escape Envelopes for Pilots Şekil 4. Hürkuş Fırlatma Zarfı Resim 2. Hürkuş Kanopisi Açılma- Kapanma Kanopinin dış geometrisi, pilot yerleşimleri ve görüş açıları gereksinimleri ile saydam üretilebilirlik kriterleri göz önünde bulundurularak tanımlanmıştır. İki pilotun önlü-arkalı (tandem) oturuş düzeninde yerleştiği Hürkuş uçağında, ön pilota ön cowling üzerinden 10 derece, aşağıya doğru bakış sağlayacak; arka pilota ise ön pilot kaskı üzerinden, aşağıya doğru 5 derecelik görüş açısı sağlayacak şekilde (Şekil 3) tasarım çözümü oluşturulmuştur. Bu geometri ve pilot yerleşimiyle, Hürkuş sınıfındaki en iyi görüşe sahip uçaklardan biridir. Kuş çarpmasına karşı dayanım gereksinimi ile fırlatma zarfıyla kesişen bölümün kırılgan olması gereksinimleri birbirleriyle çelişen gereksinimler olmakla birlikte tasarımın detaylanmasıyla bu gereksinimlerin nasıl karşılandığı ilerleyen bölümlerde paylaşılmıştır. 3. KANOPİ TASARIMI Ön ve arka pilota iyi bir görüş sağlaması (unobstructed visibility), kuş çarpmasına dayanım ve Fırlatma zarfında ihtiyaç duyulan emniyetli çıkışın sağlanması; kanopi tasarımını şekillendiren, birlikte iyi yorumlanması gereken gereksinimlerdir. Bu tarz uçaklarda, 1 ya da 2 adet kanopi çerçevesi gerekli mukavemetin sağlanması amacıyla kullanılmaktadır. Bu çerçevelerden arka çerçeve genelde iki pilot arasında, ön çerçeve ise kuş çapması açısından en riskli bölgeyi oluşturan siperlik bölgesi bitiminde yer almaktadır. Şekil 3. Hürkuş, Pilot Görüş Açıları Yüksek manevra kabiliyetine sahip Hürkuş uçağında kanopinin, 1 kg. kuşun 301 knot hızla çapması durumunda dayanım göstermesi, herhangi bir çatlak ya da katmanlar arası ayrıma (delaminasyon) olmaması ve pilotlar için yaralanma tehlikesi oluşturmaması gereksinimi yer almaktadır. Kanopi aynı zamanda ihtiyaç halinde pilotların Fırlatma Koltukları ile saydamın içinden geçerek (through canopy ejection), emniyetli bir şekilde uçaktan ayrılmalarını sağlamalıdır. Bu amaçla, [2] de tanımlanan gereksinimler doğrultusunda uçağa yerleştirilen Fırlatma Koltuklarının uçaktan ayrılırken etrafında bulunan parçalarla çarpışmasını Hürkuş uçağında tek kanopi çerçevesi ön ve arka pilot arasında, esnemenin en çok olduğu bölgede mukavemetin sağlanması amacıyla kullanılmıştır. Tasarım sürecinde ön çerçeve özellikle pilot görüşüne olumsuz etkisi göz önünde bulundurularak tercih edilmemiştir. Kuş çarpması riskinin en yüksek olduğu siperlik bölgesinde kullanılan döküm (cast) akrilik malzeme, mukavemeti arttırmak amacıyla germe (stretch) akrilik malzeme ile güçlendirilmiştir, bu sayede çarpışma sonrasında oluşabilecek esneme miktarları da azaltılmıştır. (Şekil 5) İki katman halindeki siperlik bölgesinde, germe (stretch) ve döküm (cast) akrilik malzemelerin arasında özel bir yapıştırma metodu uygulanmıştır. Fırlatma Zarfının kanopi saydamı ile kesiştiği bölgeler fırlama esnasında kırılması ve kırılan parçaların da pilota zarar vermemesi istenen
bölgelerdir. Bu nedenle ön ve arka saydamda daha küçük parçalara kırılan döküm (cast) akrilik malzeme kullanılmıştır. (Şekil 5) firmasının Almanya daki tesislerinde gerçekleştirilen testlerde, Hürkuş kanopisi çelik test düzeneği üzerine Hürkuş uçağına yerleştiği arayüzlerle kullanılarak monte edilmiştir. (Şekil 7) Şekil 5. Kanopi Tasarım Çözümü Malzeme kalınlığını belirleyen gereksinimler kabin basıncı, kuş çapması dayanımı ve saydamın patlayıcı ile kırılabilmesi olarak özetlenebilir. Arka saydam kalınlığı, kabin basıncına göre boyutlandırılmıştır. Siperlik bölgesinde ise kuş çarpması kriterleri boyutlandırmada daha etkin olmuştur. 4. PİLOT KURTARMA SİSTEMİ TASARIMI Pilot Kurtarma Sistemi, pilotların sistemi aktive eden kolu çekmesi ile tetiklenerek, saydamlar üzerinde yerleştirilmiş MDC (Miniature Detonating Chord) adı verilen patlayıcıların aktive edilmesi ile saydamın kırılmasını, ardından da seçilen moda bağlı olarak pilotların Fırlatma koltuklarıyla birlikte emniyetli bir şekilde uçaktan ayrılmasını sağlamaktadır. MBA sorumluluğunda bulunan MDC tasarımında kullanılacak patlayıcı miktarının belirlenmesi için öncelikle saydam kalınlıklarının netleşmesi gerekmektedir. Gerçekleştirilen basınç yükü ve kuş çarpması analizleriyle belirlenen saydam kalınlıkları kullanılarak saydam test kuponları üretilmiş, MBA firmasınca kanopide kullanılacak patlayıcı miktarının belirlenmesi için geliştirme testleri gerçekleştirilmiştir. MBA firması ayrıca netleşen kanopi geometrisi üzerinde, MDC nin yerleştirileceği şablonun (Şekil 6) tanımlanması için tasarım çözümleri oluşturmuştur. Şekil 7. Kanopi Kuş Çarpması Testi Yerleşimi Tasarım sürecinde gerçekleştirilen analizlerle belirlenen, kuş çarpmasının kanopi üzerinde en kritik olduğu bölgeler, testte atış noktaları olarak kullanılmıştır. (Şekil 8) Atış yapılan 3 pozisyondan ilki (POS 01) deplasmanın en çok olduğu, kokpit içinde Head-Up Display ın (HUD) yerleşeceği bölgedir. Kuş çarpması ardından esneyen kanopinin HUD ile temas etmemesi beklenmektedir. Bir diğer kritik pozisyon ise (POS 03), saydam üzerinde maksimum gerilimin oluştuğu bölge olup, mukavemet için eklenen germe (strecth) akrilik katmanının bitiş noktasına yakın oluşu nedeniyle de siperlik üzerindeki en zayıf nokta olarak belirlenmiştir. Son kritik nokta (POS 05) ise arka pilotu etkileyecek, arka pilot göz noktasına paralel gelen nokta olarak belirlenmiştir. Şekil 8. Kanopi Kuş Çarpması Testi Atış Noktaları Şekil 6. Kanopi MDC Şablonu 5. KUŞ ÇARPMASI TESTLERİ Üretilen ilk kanopi üzerinde kuş çarpmasına dayanım testleri gerçekleştirilmiştir. IABG Test öncesinde kanopi için HUD ve pilotları simüle edecek ahşap modeller pozisyonlandırılmış, kanopi üzerinde çarpma noktası ve deplasman takibi yapabilmek için kareler (gridler) oluşturulmuş ve deplasman ölçümü için kritik pozisyonlara ezilebilen, şekil alan plastik silindirler yerleştirilmiştir. Kanopi, belirlenen çarpma noktasına kuşun geleceği şekilde kuşu hızlandıran nozle önünde pozisyonlandırılmıştır. Test istek dokümanında ve ilgili standartlarda [3] belirtildiği şekilde hazırlanan 1 kg. ağırlığındaki kuşun hızlandırıcıya yerleştirilmesiyle ve hızlı kameraların uygun pozisyonlara yerleştirilmesiyle
test için gerekli tüm hazırlıklar tamamlanmış olur. Şekil 9 da yer alan test esnasında çekilmiş hızlı kamera görüntünde kanopiye yaklaşmakta olan kuş yer almaktadır. Şekil 9. Kanopi Kuş Çarpması Testi Atış Görüntüsü Test sonrasında, ortam güvenliği sağlandıktan sonra kuş çarpması ardından kanopinin durumunun detaylı incelenmesi gerçekleştirilir. Şekil 10 da POS 01 deplasman kritik bölgeye gerçekleştirilmiş 1 kg. kuş, 301 knot atışı sonrası kanopi görüntüleri yer almaktadır. ancak germe (stretch) akrilik katmanının bitiminde, geçiş yüzeyinde oluşan yüksek gerilimler nedeniyle kırılmaya neden olduğu tespit edilmiştir. Tasarım çözümü iyileştirilerek germe (stretch) saydam katmanın bitiş noktasındaki geçişte, gerilimi azaltacak bir çözüm uygulanmıştır. (Şekil 11) Bu tasarım çözümüyle gerçekleştirilen üçüncü test kampanyasında gereksinimlerin karşılandığı (Şekil 10) ve testin başarılı olduğu gözlemlenmiştir. Şekil 11. Kanopi Saydam Geçiş Bölgesi Tasarımı Üçüncü Kuş Çarpması Testi kampanyasında tüm kritik noktalardaki gereksinimlerin karşılandığı doğrulanmıştır. Kanopinin 1 kg. ağırlığındaki kuşun 301 knot hızla çarpmasına karşı dayanıklı olduğu gerçekleştirilen testlerle gösterilmiştir. Kuş çarpması testlerinde yaşanan süreç kanopi tasarımı konusunda daha da detaylı inceleme çalışmalarının yapılmasına neden olmuş, bu sayede TUSAŞ ın kanopi konusundaki tecrübesi daha da artmıştır. 6. PİLOT KURTARMA SİSTEMİ TESTLERİ Kuş çarpması testlerinin tamamlanması ile kanopi tasarımı Pilot Kurtarma Sistemi testleri için yeterli olgunluğa gelmiştir. Pilot Kurtarma sistemi için ilk olarak, patlayıcı miktarı ve saydam üzerine yerleştirilen patlayıcı şablonunun doğrulaması için Kanopi Kırma Testi gerçekleştirilmiştir. Kanopi Kırma testinde ana kriter patlayıcılarla birlikte acil çıkış için pilotların ihtiyaç duyduğu açıklığı sağlaması olarak CS-23 te belirtilmiştir. Şekil 10. Kanopi, 301 knot 1kg. Kuş Çarpması Ardından Hürkuş Projesinde 3 Kuş Çarpması testi kampanyası gerçekleştirilmiştir. İlk kampanyada, germe (stretch) akrilik ve döküm (cast) akrilik katmanları arasında ayrılma (delaminasyon) gözlemlenmiştir. Farklı yapıştırma malzemeleri denenmiş, gerekli yapıştırma ve görüş gereksinimlerini karşılayan primer uygulayarak yapıştırma kalitesini arttıran çözüm tasarıma yansıtılmıştır. Bu test için Hürkuş gövdesini boyutlar ve arayüzler olarak birebir simüle eden bir gövde test düzeneği üretilmiştir. Patlayıcı şablonuna göre hazırlanan MDC kanopi üzerine yapıştırılmış, ardından kanopinin gövde test düzeneği üzerine montajı gerçekleştirilmiştir. Patlamanın ön ve arka pilot üzerindeki etkisinin izlenebilmesi için uçuş kıyafetli mankenler fırlatma koltuklarına görüş pozisyonuna göre yerleştirilmiştir. İkinci Kuş Çarpması testi kampanyasında iki saydam katmanının birlikte davrandığı, herhangi bir ayrılma (delaminasyon) olmadığı gözlemlenmiş,
Şekil 13. Pilot Kurtarma Sistemi 0 Hız -0 İrtifaTesti Şekil 12. Kanopi Kırma Testi Şekil 12 te görüntüleri yer alan Kanopi Kırma testinde, patlayıcıların aktive edilmesi ardından ön ve arka pilot saydamlarının kırıldığı ve pilotların emniyeti açısından olumsuz bir durum olamadığı doğrulanmıştır. Bu testin başarıyla tamamlanması ardından, Pilot Kurtarma Sistemi için gerçekleştirilen, 0 hız 0 irtifa testi gerçekleştirilmiştir. Bu testte, Pilot Kurtarma sisteminin aktive edilmesiyle önce arka, sonra ön pilotun kokpitten ayrılmasını sağlayan BOTH modu pilot teçhizatlı mankenler ile test edilmiştir. (Şekil 13) Uçaktan ayrılma esnasında mankenlerin maruz kaldıkları yük seviyeleri üzerlerine yerleştirilen sensörler aracılığıyla izlenmiştir. Pilotların kokpitten çıkışları ve havada izlediği rota (Şekil 14) değerlendirilerek, testin gereksinimleri sağladığı doğrulanmıştır. Şekil 14. Pilot Kurtarma Sistemi 0 Hız -0 İrtifaTesti Uzak Görüntü Pilot Kurtarma Sistemi testleri son olarak patlayıcıların çalışmadığı durumda yedek sistem olarak Fırlatma Koltukları üzerinde yer alan mahmuzlarla kanopi saydamının kırarak çıktığının gösterildiği Yedek Mod testi ile tamamlanmıştır. 7. İKİ FARKLI ALTYÜKLENİCİNİN BAĞLIMLILIKLARI İki ayrı sistem olan Kanopi ve Pilot Kurtarma Sistemi tasarım sürecinin içiçe olması nedeniyle paralel yönetilmesi gereken bir tasarım sürecinden oluşmaktadır. Proje kurgusunda, iki firmanın ilk arayüzü, saydam kalınlıklarının netleşmesi ardından kullanılacak
patlayıcı miktarlarının belirlenmesi amacıyla gerçekleştirilecek kupon testleridir. Bu testler, analiz çalışmalarıyla kalınlıkların belirlenmesinden sonra takvimle uyumlu şekilde gerçekleştirilmiştir. Pilot kurtarma sistemi testlerinin, nihai kanopi tasarımı üzerinden gerçekleştirilmesi proje başında kararlaştırılmıştır. Kuş çarpması ve Pilot Kurtarma Sistemi testlerinin üretilecek 2 test kanopisi üzerinde gerçekleştirilmesi ve her test ardından kanopi saydamının değiştirilmesi planlanmıştır. İsviçre de üretilen kanopilerin Kuş Çarpması testi için Almanya ya, Pilot Kurtarma Sistemi testleri için ise saydamı değiştikten sonra test edilmek üzere İngiltere ye gidecek olması transferlerinin de iyi bir şekilde planlanmasını gerektirmektedir. İki adet kanopi üretilerek, bu kanopilerin biri yedek olmak üzere ilk kuş çarpması test kampanyasına gönderilmiştir. Kuş çarpması testlerinin ilk kampanyasında tasarım iyileştirmesi ve test tekrar ihtiyacının ortaya çıkması nedeniyle proje takviminde gecikmeye neden olmaması için, bir test kanopisi daha üretilerek, ikinci kuş çarpması kampanyasına 3 kanopi ile gidilmiştir. 3. Test kampanyasına gidilirken, kanopilerden birinin saydamı değiştirilerek, Pilot Kurtarma Sistemi test hazırlıklarına başlanması ve test düzeneğine entegrasyonu için 3. Kuş Çarpma Testi Kampanyası ile aynı zamanda Martin Baker tesislerine gönderilmiştir. Test geri dönüşlerinin takvime olumsuz etkisi olmaması için iki firma yakın takip edilip, yönlendirilerek proje takviminde tüm testlerin başarıyla tamamlanması sağlanmıştır. 8. SONUÇ 10. REFERANSLAR 1 CS-23 Certification Specifications for Normal, Utility, Aerobatic and Commuter Category Aeroplanes [2] MIL-STD-1333 Military Standard Aircrew Station Geometry for Military Aircraft [3] ASTM F330-89 Standard Test Method for Bird Impact Testing of Aerospace Transparent Enclosures 11. ÖZGEÇMİŞ 1999 yılında Orta Doğu Teknik Üniversitesi Havacılık Mühendisliği bölümünden mezun olan Özlem Erdener SÖNMEZ, 2001 yılında aynı bölümde yüksek lisans programını tamamlamıştır. 1997 yılında KO-OP öğrencisi olarak başladığı TUSAŞ ta, 1999 yılından itibaren yapısal tasarım mühendisi olarak Zirai İlaçlama Uçağı ZIU, Hedef Uçak KEKLİK, F-16 Kanadı ve Yakıt Tankı ile JSF F-35 Paylon projelerinde görev almıştır. Mayıs 2002 yılında başladığı A400M Arka Gövde projesinde yapısal tasarım mühendisi ve Paraşütçü Kapıları sorumlusu olarak görev yapmıştır. 2006 yılından itibaren Hürkuş Projesinde Uçak Yapısı, Kanopi ve Pilot Kurtarma Sistemlerinden sorumlu Hürkuş Uçak Yapısı Şefi olarak görev yapmaktadır. Bu göreve ek olarak, 2012-2015 yılları arasında ileride Hürkuş uçağına entergre edilecek bir otopilot ve Elektro Mekanik Uçuş Kontrol Sistemi tasarımı ve tam ölçekli bir test düzeneğinde test edilmesini kapsayan Sayısal Uçuş Kontrol Bilgisayarı SUKB Projesinde de proje şefi olarak görev yapmıştır. Bu makalede, Hürkuş uçağında bulunan, gereksinimlerden başlayarak tasarım, üretim ve test süreçlerinde birbiriyle iç içe olduğu iki farklı sistemin geliştirilme ve yönetim süreci örneklerle paylaşılmıştır. Uçak gibi karmaşık bir sistemde doğru ürüne ulaşılması, doğru gereksinimlerin belirlenmesine, bu gereksinimlerin sistemlere ve yapıya doğru şekilde indirgenmesine ve proje dinamikleri çerçevesinde doğru olarak yönetilmesine bağlıdır. 9. TEŞEKKÜR Yazar, bu makalede özetlenen, Türk Başlangıç ve Temel Eğitim Uçağı, HÜRKUŞ projesinde tasarım, üretim, test ve doğrulama süreçlerinde görev alan tüm çalışanlara teşekkür eder.