Savaş uçakları için tasarlanmış kontrol yasalarının kurtarma zarfı analizi

Hava harp sahası için geliştirilen silahlardaki son ilerlemelerin günümüz savaş uçaklarının çatışma kapasitesi üzerinde önemli tesirleri olmuştur. Dolayısıyla daha çetin hale gelen çatışma ortamında operasyon devamlılığının tesisi için, bir savaş uçağının sağlaması istenilen performans beklentileri artmıştır. Bu bağlamda, yakın çatışma koşulları modern savaş uçaklarının tasarımında hesaba katılması gereken önemli bir unsurdur. Bundan ötürü, bir savaş uçağının ileri teknoloji uzun menzilli füzelerle donatılmış olması günümüz operasyonel isterlerini sağlama açısından yeterli değildir. Halen daha, savaş uçaklarının çevik çatışma taktiklerini uygulayabiliyor olması gerekmektedir. İki savaş uçağı arasındaki bir it dalaşı sırasında yapılan çevik manevralar düşünüldüğünde, ani taşıma kaybı sonrası dinamiklere tabi olma ve dolayısıyla stall ve spin gibi güvensiz uçuş rejimlerine girme ihtimalinin artması işten bile değildir. Bahis konusu güvensiz uçuş rejimleri havacılıktaki ölümlü kazaların temelinde yatan kontrol kaybına sebebiyet vermektedir. Bu yüzden, toparlama manevralarının icrası ve güvenli uçuş koşullarının sağlanması son derece önemlidir. Mamafih, zamanın askeri operasyonlardaki önemi göz önünde bulundurulduğunda, toparlanmanın olabildiğince çabuk gerçekleştirilmesi ehemmiyet teşkil etmektedir. Bunun yanı sıra, pilotların uçak dinamiğinin nonlineer doğasına tam olarak hakim olamaması ve diğer belirsizlikler sebebiyle, güvenli uçuş zarfı sınırlarında uçuş esnasında kontrol kaybı yaşanması ihtimali artmaktadır. Bir başka deyişle, kritik uçuş rejimleri söz konusu olduğunda, hatalı pilot komutları kaza riskini önemli oranda arttırmaktadır. Yukarıda arz edilenler düşünüldüğünde, kontrol kaybı yaşandığı durumlarda toparlamayı sağlamak için pilot sezgilerine dayanan komutlara tam olarak riayet edilemez. İşbu vaziyet, savaş uçakları için seri toparlama stratejilerinin ve ilgili kontrolcülerin geliştirilmesi ihtiyacını ortaya çıkarmıştır. Literatürde bu ihtiyacı karşılamak üzere yayınlanmış çalışmalar mevcuttur. Bu çalışmalar neticesinde geliştirilen stratejiler ve kontrolcüler farklı performans özelliklerine sahiptir. Bu farklar karşılaştırma çalışmaları ile ortaya çıkarılmalıdır. Böylelikle daha üstün niteliklere sahip toparlama sistemleri geliştirilebilir. Sözü edilen karşılaştırma çalışmaları dahilinde uçuş zarflarının tetkik edilmesi, kuşkusuz, gerekli olacaktır. Fakat, sadece V-n (hız-normal ivme) türü diyagramlardan istifade edilmesi, bahis konusu mukayese çalışmaları için yeterli değildir. Uçuş dinamiğinin son derece karmaşık olması dolayısıyla daha kapsamlı karşılaştırma metriklerinin geliştirilmesi gerekmektedir. Demin arz edilen gerekçeler doğrultusunda, bu tez kapsamında otomatik toparlama sistemleri için bir mukayese yöntemi ve açısal hız zarfı tabanlı seri toparlama stratejisi geliştirilmiştir. Geliştirilen mukayese yönteminde, ele alınan açısal hız kümesi yuvarlanma (P) , yunuslama (Q) ve yalpalama (R) üçlülerinden (P-Q-R nodlarından) oluşmaktadır. Çeşitli kontrolcüler bu tezde yer alan mukayese yöntemine göre değerlendirilirken, farklı uçuş koşullarında göz önüne alınan açısal hız kümesi dahilinde, yapılan benzeşim çalışmaları sonucunda, toparlamanın sağlanıp sağlanmadığı incelenmiştir. Bir başka deyişle, açısal hız kümesindeki her bir P-Q-R nodu, P, Q ve R açısal hızını içeren bir başlangıç şartına karşılık gelmiş olup, ilgili simülasyonlar bu başlangıç şartlarından başlayarak gerçekleşmiştir. Bir P-Q-R noduna karşılık gelen simülasyon başladıktan sonra tetkik edilen kontrolcüyle açısal hızların regüle edilip istenen gövde oryantasyonuna ulaşılıp ulaşılmadığı incelenmiştir. Bu adımların bütün nodlar için tekrarlanması suretiyle, mukayese yönteminin ilk değerlendirme kriteri olan, açısal hız zarfı (ya da P-Q-R zarfı) elde edilmiştir. Ardından, ikinci değerlendirme kriteri olarak, toparlama zamanı histogramları çıkartılmıştır. Böylelikle göz önüne alınan kontrolcüler toparlama kabiliyeti ve toparlama hızı kapsamında karşılaştırılmıştır. Bu çalışmada lineer kuadratik regülatör, nonlineer ters dinamik tabanlı açısal hız kontrolcüsü, çift çevrim nonlineer ters dinamik kontrolcüsü ve yine nonlineer ters dinamik yapısına sahip anahtarlamalı bir kontrolcü, bu tez kapsamında geliştirilen mukayese metoduyla, toparlama kabiliyeti ve toparlama hızı bakımından karşılaştırılmıştır. Mukayese edilen kontrolcüler arasında anahtarlamalı nonlineer tersine dinamik kontrolcüsü, bu tezde geliştirilen mukayese yönteminin diğer kontrolcülerin noksanlarını ortaya koyması sonucunda tasarlanmıştır. Bu karşılaştırmaların neticesinde nonlineer kontrolcülerin, sert şartlar altında uçuş dinamiklerine hakimiyeti sebebiyle lineer kontrolcülere üstünlük sağladığı gösterilmiştir. Tek çevrim nonlineer tersine dinamik kontrolcüsünün açısal hızları regüle etme konusunda en iyi performans gösteren kontrolcü olduğu yapılan benzeşim çalışmaları sonucunda gösterilmiştir. Aerodinamik açılar üzerinde kontrol sağlamak için çift çevrim nonlineer ters dinamik kontrolcüsü kullanılmıştır. Ancak bu kontrolcünün yüksek açısal hızların varlığı ile birlikte etkili olmadığı tespit edilmiştir. Bu sebeple anahtarlamalı nonlineer tersine dinamik kontrolcüsü önerisi getirilmiştir. Önerilen kontrolcünün hem açısal hızların hem de aerodinamik açıların regüle edilmesi konusunda üstün bir performans sergilediği ortaya koyulmuştur. Bu tez kapsamında geliştirilen seri toparlama stratejisi, yukarıda da belirtidiği üzere, belli P-Q-R üçlülerinin bir kümesi olan, bir açısal hız zarfını temel almaktadır. Bahis konusu strateji kapsamında incelenen P-Q-R zarfının herhangi iki Pi-Qi-Ri, Pt-Qt-Rt nodu ele alınmıştır. Her Pi-Qi-Ri nodunun bir başlangıç koşul vektörünü temsil ettiği kabul edilmiştir. Öyle ki, bu vektör değerleri Pi, Qi ve Ri olan açısal hız girdilerini içermektedir. Simülasyon çalışmalarında uçak hareketine yukarıda belirtilen başlangıç koşullarından başlatılmış ve Pt-Qt-Rt geçiş açısal hızlarına ulaşılması amacıyla anahatarlamalı nonlineer tersine dinamik kontrolcüsü çalıştırılmıştır. İstenen geçiş noduna ulaşıldığında kontrolcü uçağın toparlanması için gerekli girdi sinyallerini üretmeye başlamıştır. Yani, kontrolcü açısal hızları, uygun bir yönelim sağlayarak, regüle etmiştir. Bu işlem boyunca geçen süre kaydedilmiştir. Yukarıda belirtilen süreç herbir Pi-Qi-Ri ve Pt-Qt-Rt ikilisi içi gerçekleştirilmiştir. Böylelikle bir kurtarma zamanı dağılımı oluşturulmuştur. Bu dağılım daha sonra en hızlı toparlanmayı sağlayacak Pt-Qt-Rt nodunun tespiti için kullanılmıştır. Simülasyon sonuçları daha hızlı toparlanma sağlayan P-Q-R nodu dizilerinin varlığını ortaya koymaktadır. Dolayısıyla upset problemi karşısında sezgisel olmayan çözümlerin olduğu söz konusudur. Yani, zaman açısından bakıldığında, direkt olarak açısal hızların regülasyonu doğru değildir. Öyle ki, bazı durumlar için evvela yuvarlanma hızı arttırılmalı ve ardından regülasyon sağlanmalıdır. Bu tezde yukarıda bahsedilen benzeşim çalışmaları sonuçları, stall sonrası dinamik davranışı simüle etmek son derece ehemmiyetli olduğundan, uygunluk derecesi yüksek nonlineer bir F-16 modeli vasıtasıyla elde edilmiştir. Simülasyonlarda üç boyutta, altı serbestlik dereceli uçak dinamiği göz önünde bulundurulmuştur. Bahis konusu F-16 modeli, hücum kenarı flap modeli ve eyleyici (dümenler, kanatçıklar ve motor) modelleri ile beraber, açık kaynaklardan elde edilmiş olup, kapsamlı bir aerodinamik veri tabanı içermektedir. F-16 motorunu modellemek için birinci mertebe gecikme yaklaşımı esas alınmıştır. Bu bağlamda çeşitli güç seviyesi durumlarını (rölanti, askeri ve azami) kapsayacak itki tablolarından istifade edilmiştir. Benzeşim çalışmaları için standart atmosfer modeli dikkate alınmıştır. Sonuç olarak, bu tez aracılığıyla, açısal hız zarfları ve toparlama süresi histogramlarının, toparlama sistemlerinin karşılaştırılmasında metrik olarak kullanılabileceği gösterilmiştir. Böylelikle, bu tezde, demin bahsedilen metrikleri temel alan, otomatik toparlama sistemleri için bir mukayese yöntemi geliştirilmiştir. Bu yöntem ile yapılan tetkikler neticesinde anahtarlamalı nonlineer tersine dinamik kontrolcüsü tasarlanmış ve bu kontrolcünün görece iyi bir toparlama performansı sergilediği, yapılan simülasyonlar ile gösterilmiştir. Mamafih, bu çalışma, literatüre, savaş uçakları için açısal hız zarfı tabanlı seri toparlanma stratejisi geliştirilmesiyle, katkıda bulunmaktadır. Çalışmanın özgünlüğü kurtarma zarfı problemine toparlama zamanının göz önüne alınarak yaklaşılması esasına dayanmaktadır. Öyle ki bu durum, literatürdeki önceki çalışmalarda söz konusu değildir. İleriye yönelik çalışmalarda seri toparlama sağlayacak P-Q-R dizilerinin ve güvenli uçuş zarfının çevrimiçi hesaplandığı algoritmaların geliştirilmesi ele alınacaktır.