Dikey iniş kalkış yapabilen sabit kanatlı insansız hava aracı tasarım, üretimi ve uçuş testleri

Son 40 yıldır yüksek kapasiteli insansız hava araçları, günümüzde daha çok askeri alanda takip, gözetleme, aktif silahlı angajman veya en basit manada veri toplama amacıyla kullanılmaktadır. İnsanlı sistemlere göre düşük üretim ve işletme maliyeti, müşteri ihtiyaçlarına göre uçağın düzenlenebilme esnekliği, zor görevlerde pilotu kaybet riskinin olmaması ticari anlamda da insansız hava araçlarını talep doğurmakla beraber halen insanlı uçuş hava sahasına entegrasyonu, güvenilirliği ve uçuş güvenliği anlamında açık noktalar vardır. Sivil amaçlı insansız hava araçları toplam araç pazarının \%3'ünü oluşturmasına rağmen, önümüzdeki 5 yıl içinde bunun \%10 seviyesine geleceği tahmin edilmektedir. İHA sistemleri üzerlerine takılan faydalı yükler (kamera, hiperspektral görüntüleyici, hava ölçüm sensörleri ve bunun gibi cihazlar) ile beraber tarım/orman/deniz kirliliği/atık takip ve izleme, afet durumlarında takip ve izleme, tapu ve kadastro amaçlı haritalama, yaban hayatı ve ekolojik izleme, yerbilim ve maden çalışmaları, trafik izleme gibi birçok sivil uygulamada gün geçtikçe daha fazla yer bulmakta, ve daha önce insanlı hava araçları kullanımının riskli ve maliyetli olduğu birçok sivil uygulamada, minimal risk faktörü ve maliyet ile hava aracının getirdiği avantajları sunabilmektedir. Askeri amaçlı tasarlanan ve üretilen insansız hava araçlarının maliyetlerinin yüksekliği göz alındığında, sivil kullanım marketi kendi tip uygulamalarına yönelik, daha düşük maliyetli ve özgün ürünleri istemektedir. Özellikle yukarıda not edilen uygulamaların çoğu limitli kalkış iniş pisti barındıran, mobil uygulamalara yönelik, operasyon bölgesi içinde hızlı hareket edebilen ama gereken durumlarda havada askıda kalarak kısa da olsa durağan ölçüm ve takip yapabilecek bir araç gerektirmektedir. Aynı zamanda böyle bir sistemin bir çok farklı sivil uygulama için uygulanabilirliği/çevrilebilirliği manasında maliyet etkin bir çözüm olması gerekmektedir. Bu da uygulama konseptine bağlı olarak faydalı yük sistemlerinin rahat bir şekilde takılıp çıkartılabildiği ve operasyon ayağının (düz uçuş ve havada askıda kalma sürelerinin) uygulamaya özel programlanabildiği bir hava aracı anlamına gelmektedir. Bu tez kapsamında yukarıda belirtilen hususlar göz önünde tutularak, doğada dikey olarak uçuşlar yapan TURAÇ kuşundan esinlenerek TURAÇ DİKY İHA sistemi adını verdiğimiz insansız hava aracının tasarım, üretim ve uçuş testleri Bilim, Sanayi ve Teknoloji Bakanlığı Sanayi Tezleri (San-Tez) programı desteğiyle ele alınmıştır. Önerilen İHA sisteminde, gövdede koaksiyel ana taşıyıcı ve önde tilt edebilen 2 rotor bulunmaktadır. Bu konfigurasyon yapısıyla helikopter gibi dikey iniş kalkış yapabilme, havada askıda kalma görevlerini yerine getirebildiği gibi aynı zamanda sabit-kanatlı bir İHA sisteminin yüksek ileri hız kapasitesine sahiptir. Tak-çıkart kanat yapısının sunduğu farklı büyüklüklerdeki kanatlar ile kullanılabilme özelliği sayesinde farklı uçuş görevleri tek bir gövde ile yerine getirilebilmektedir. Tak-çıkart özelliği aynı zamanda hava aracına kolay paketlenebilme ve taşınabilme özelliğini kazandırmaktadır. Uçan kanat konfigurasyonu ile aerodinamik verimlilik ve faydalı yük için daha fazla hacim sağlanmıştır. Tez kapsamında, TURAÇ DİKY İHA'nin tasarım süreci, yapısal ve aerodimik analizleri içeren sistem mühendisliği, itki sistemlerinin geliştirilmesi ve test edilmesi, simulasyon ve kontrol algoritmalarının geliştirilmesi, uçuş kontrol sistemi, uçuş yönetim bilgisayarı, faydalı yük sistemleri yazılım ve donanım geliştirmeleri,ucuz maliyetli bir hızlı prototiplendirme yöntemi, ve uçuş testleri konuları ele alınmıştır. Tasarım çalışmalarında tekrarlamalı bir yöntem takip edilmiştir. Analiz ve test sonuçlarına göre tasarım iyileştirmeleri yapılmıştır. Detay parçaların tasarımı ve analizi gerçekleştirilirken tüm sistemin verimliği göz önünde bulundurularak yapısal ve aerodinamiksel analizler gerçekleştirilmiştir. TURAÇ DİKY İHA'nın özgün itki konfigurasyonu sayesinde hem enerji en etkin bir şekilde kullanılmış hem de üçlü rotor sisteminde bir dengeleme problemi yaşanmamıştır. Geliştirilen ve üretilen itki-test düzeneğiyle motor-pervane-ESC kombinasyonlarının testleri ve simulasyonları gerçekleştirilmiştir. TURAÇ DİKY İHA'nın doğrusal ve doğrusal olmayan dinamik modellleri, hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) ve girdap kafes yöntemi (GKY) kullanılarak elde edilen aerodinamik katsayılar ile oluşturulmuştur. TURAÇ DİKY İHA'nın havada askıda kalma uçuşundan ileri uçuşa geçiş (ve tersi) senaryoları oluşturulup analiz edilmiştir. Bu senaryolar doğrultusunda uçuş kontrol sistemleri geliştirilmiştir ve havada askıda durumundan ileri uçuşa geçiş (ve tersi) için uçuş simulasyonları başarıyla gerçekleştirilmiştir. Havada askıda kalma uçuşu, havada askıda kalma durumundan ileri uçuşa geçişi otonom olarak sağlayacak kontrol sistem tasarımları ve bunların gömülü yazılımları geliştirilmiştir. Aviyonik sistemler yazılım ve donanım seviyesinde geliştirilmiştir. Geliştirilen yer istasyonu sistemi görev planlama modülü, canlı kontrol modülü, telemetri veri alma ve kaydetme modülü, yeniden oynatma modülü bulundurmaktadır. Yer istasyonuna gerçek zamanlı olarak video görüntüsü aktarılabilmektedir. Multispektral kamera görüntülerinin analizi gerçekleştirilmiştir. Ucuz maliyetli ve hızlı bir prototipleme yöntemi geliştirilmiştir. Bu yöntem kullanılarak üretilen farklı TURAÇ İHA versiyonları uçuş testlerinde kullanılmıştır. Her bir versiyonun uçuş performansı tekrarlamalı tasarım sürecinin bir girdisi olmuş ve bir sonraki versiyonu belirlemiştir. Trikopter modundaki kanatsız TURAÇ DİKY İHA ile otonom iniş kalkış, rota takibi gibi otonom uçuşlar yapılırkan, 1/2 ve 1/3-ölçekli TURAÇ DİKY İHA'lar ile ileri uçuş, hava askıda kalma uçuşu, havada askı durumundan ileri uçuşa geçiş testleri manuel ve otonom olarak başarı ile gerçekleştirilmiştir.