Güneş enerjisiyle desteklenen insansız hava aracı tasarım ve üretimi
Solar powered UAV design and production
Yazar: FATİH BAYKAL
Danışman: PROF. DR. ALİM RÜSTEM ASLAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı / Savunma Teknolojileri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Enerji = Energy ; Havacılık ve Uzay Mühendisliği = Aeronautical Engineering ; Savunma ve Savunma Teknolojileri = Defense and Defense Technologies
Dizin: Güneş enerjisi sistemleri = Solar energy systems ; Tasarım = Design ; Türk savunma endüstrisi = Turkish defense industry ; İnsansız hava aracı = Unmanned aerial vehicle

Özet:
İnsanlar eski dönemlerden beri gökyüzünde uçabilmek için birçok farklı deneme yapmıştır. Bunlardan birçoğu akamete uğramış, ilk başarılı uçuşlar günümüzden yaklaşık 2 asır kadar önce gerçekleşmiştir. O zamandan bugüne geliştirilen teknolojiler ile ses hızını aşan uçaklar üretmek mümkün olmuştur.
Üretilen hava araçları kimi zaman sivil amaçlı kimi zaman askeri faaliyetlerde kullanılmaktadır. Güvenlik ve savunma görevleri icra edilirken pilotlar için farklı risklerin var olması, insansız hava araçlarının geliştirilmesine kapı aralamıştır. Önceleri ufak gözetleme görevlerini yerine getirilebilen İHA'lar günümüzde savaş uçaklarının görev yüklerini önemli ölçüde azaltabilecek stratejik araçlar haline gelmiştir.
Birçok ülke kendi kaynaklarıyla veya dışardan insansız hava araçları temin edip, güvenlik personellerini tehlikeli ortamlardan uzak tutarak, planlanan görevlerin gerçekleştirilmesi için çabalamaktadır. Böylece insanın içinde olduğu uçuşlardan daha farklı konseptlerdeki savaş senaryolarını ortaya koymak mümkün olmaktadır.
Ayrıca günümüz İHA'ları düşman hava savunma sistemlerine sahte hedef olarak saldırıp veya doğrudan kamikaze hücumlar ile onları etkisiz hale getirme kabiliyetlerine sahiptir. Böylece savaş alanında hava üstünlüğü kurmak mümkün olmakta, hava üstünlüğünü kuran taraf kara ve deniz birimleri üzerinde de baskı oluşturabilmektedir. Genel olarak bu yönleriyle değerlendirildiğinde günümüz silahlı insansız hava araçları oyun bozucu özellikleriyle çatışma alanlarında boy göstermektedir.
Sivil amaçlı kullanıma bakıldığında özellikle doğa afetleri sonrasında yaşanan arama kurtarma çalışmalarında havadan görüntü almak kritik öneme sahip olduğundan, İHA'lar bu ihtiyacı karşılamaktadır. Karadan ulaşılamayan noktalara havadan gıda ve tıbbı malzeme ikmali yapılmasını mümkün kılarak yine afet bölgeleri veya acil durumlarda insan hayatlarının kurtarılmasına yardımcı olmaktadırlar. Bunun yanında orman yangınları gibi müdahale etmenin veya erken uyarının önem arz ettiği durumlarda İHA'lardan alınan yeryüzü görüntüleri afetle mücadele için büyük önem taşımaktadır. Bunların haricinde haritalama sektöründe, özel bilimsel araştırmalarda, büyük yapı veya tarım projelerinin havadan takibinde de farklı boyutlardaki insansız hava araçları kullanılmaktadır.
Orta ve büyük ölçekli insansız hava araçları taşıdıkları faydalı yükler ve görev menzilleri sebebiyle enerji yoğunluğu yüksek yakıtlara ihtitaç duyarlar. Bu sebeple birçoğu karbon temelli yakıtları tüketen güç gruplarına sahiptir. Haliyle uçuş sırasında belli miktarlarda karbon emisyonu ortaya çıkmaktadır.
Dünyadaki karbon salınımını azaltmak için politikaların izlendiği günümüzde hava araçlarından çıkan emisyonları en aza indirmek de belirli bir hedef haline getirilebilir.
Öte yandan sadece araştırma amaçlı olarak da insansız hava araçlarında hidrojen ve elektrik gibi alternatif enerjilerin kullanılabilmesi için çalışmalar yürütülmektedir. Elektriğin doğrudan enerji kaynağı olarak kullanılmasıysa bataryaların gelişimine bağlıdır. Ticari bataryalar yakın zamanlara kadar 100-250 Ws enerjiyi 1 kg'da depolayabiliyordu. Günümüzde ise bu değer 400 Ws'lere kadar çıkmıştır. Böylece insansız hava araçlarının planlanan görevlerini daha uzun süreyle icra edebilmelerine imkan sağlanmaktadır.
Bataryalara daha çok elektrik enerjisi depolayarak uçuş süresini artırabilmenin yanında uçuş için gerekli enerjiyi pv güneş hücrelerinden sağlamak da mümkündür. Pv güneş hücrelerinin tarihte ilk görünümü 20. yüzyılın ortalarına uzanmaktadır. Bu zamandan sonra geçen yaklaşık 20 yılda, tarihler 1974'ü gösterirken pv güneş hücreleriyle desteklenen bir model uçak ABD'de ilk uçuşunu yapmıştır. Sonrasında dünyanın farklı bölgelerindeki kurum ve kuruluşlar mikrodan makroya çok sayıda çalışmaya imza atmışlardır. Elde edilen bu birikimler ile günümüzde güneş enerjisiyle çalışan insansız hava araçları ve insanlı planör uçakları üretkmek mümkün olmuştur. Böylelikle fosil yakıtlara alternatif olan elektrik enerjisiyle uzun süreli uçuşları yapmak mümkün olmaktadır.
Ülkemizde üretilen İHA sistemlerine baktığımızda birçoğu fosil yakıtları kullanmaktadır. Elektrik enerjisini kullanan ufak platformlar ise uçuş sürelerinin azlığı sebebiyle uzun süreli gözetleme görevlerini icra edememektedirler. Çoğunlukla sınır karakollarında kullanılan bu elektrikli mini İHA'lar ancak bir güvenlik problemi olduğu takdirde uçurulabilmekte ve kısıtlı süre gözetleme yaparak batarya değişim ihtiyacı duymaktadır. Bu yüzden karakol birlikleri bu batarya değişimleri sırasında görüntü ihtiyacı duyarlarsa daha büyük ölçekli SİHA veya İHA'lar devreye girmektedir. Bu durumda hem gözetleme için harcanan maliyet daha fazla olmakta hemde büyük ölçekli İHA'lar sadece kendilerinin yapabileceği daha stratejik görevleri yerine getirememektedirler.
Bu tez çalışması kapsamında güneş enerjisiyle çalışan mini İHA tasarlanıp üretilmesi hedeflenmektedir. İlk etapta güneşli günlerde uçuş için gerekli elektrik enerjisini üzerindeki pv hücrelerden karşılayarak bataryalarından sağlanacak enerjiden daha fazlasıyla uçuşu gerçekleştirip havada kalma süresinin artırılması planlanmaktadır. Böylelikle uzun süreli gözetleme veya takip görevi için icra edilen uçuşları mini elektrikli İHA'lar ile yapmak da mümkün olacaktır.
Bahsi geçen konsepteki ticari veya ar-ge İHA projeleri dünyanın birçok bölgesinde çalışılmaktadır. Ülkemiz İHA alanında dünya çapında firmalara ev sahipliği yapmasına rağmen güneş enerjili uçuşlarla ilgili somut çalışmaları görmek pek mümkün olmamıştır. Bundan dolayı aynı zamanda bu çalışmayla Türkiye'deki havacılık ve enerji ar-ge ekosisteminin dikkatinin güneş enerjisiyle uçuş konusuna çekilmesi ve Türkçe literatüre katkı sağlanması amaçlanmaktadır. Çünkü dünya ölçeğindeki birçok projede güneş enerjisiyle uçuş ile günlerce aylarca uçabilecek araçların tasarlanması için çalışmalar yürütülmektedir. Dahası bu çalışmalar neticesinde sanki-uydu araçların üretilmesi ve bunlarla yakın uzaya ulaşılması hedeflenmektedir. Günümüz uydu fırlatma maliyetleri düşünüldüğünde bu araçlar kullanılarak uyduları tamamlayıcı mahiyette bazı görevlerin icra edilebilmesi faydalı olacaktır.

Abstract:
People have made many different attempts to fly in the sky since ancient times. Many of these failed, and the first successful flights took place about 2 centuries ago. With the technologies developed since then, it has been possible to produce airplanes that exceed the speed of sound.
The produced aircraft are sometimes used for civilian purposes and sometimes for military activities. The existence of different risks for pilots while performing security and defense duties has caused to the development of unmanned aerial vehicles. UAVs, which were able to perform small surveillance missions in the past, have now become strategic tools that can significantly reduce the task load of warplanes.
Many countries supply UAVs with their own resources or from outside. Thus, they try to fulfill their duties by keeping the security personnel out of danger. In this way, it is possible to reveal war scenarios with different concepts than the flights in which humans are involved.
In addition, today's UAVs are capable of attacking enemy air defense systems as a false target or neutralizing them with direct kamikaze attacks. Thus, it is possible to establish air superiority on the battlefield, and the party establishing air superiority can also put pressure on land and naval units. Considering these aspects in general, today's armed unmanned aerial vehicles show up in conflict areas with their game-breaking features.
Considering the civilian use, UAVs meet this need, since aerial imagery is of critical importance, especially in search and rescue operations after natural disasters. By making it possible to supply food and medical supplies from the air to points that cannot be reached by land, they also help save human lives in disaster areas or emergencies. In addition, in cases where intervention or early warning is important, such as forest fires, the ground images taken from UAVs are of great importance for disaster relief. Apart from these, unmanned aerial vehicles of different sizes are used in the mapping sector, special scientific research, and aerial tracking of large construction or agricultural projects..
Medium and large-sized unmanned aerial vehicles need fuels with high energy density due to the payloads they carry and their mission ranges. For this reason, many of them have power groups that consume carbon-based fuels. As a result, certain amounts of carbon emissions occur during the flight..
Today, when policies are followed to reduce carbon emissions in the world, minimizing emissions from UAV's can also be made a specific target. On the other hand, research on the use of alternative fuels in unmanned aerial vehicles can be carried out just for also research and development purposes. The use of electricity as a direct energy source depends on the development of batteries. Until recently, commercial batteries could store 100-250 Ws of energy in 1 kg. Today, this value has increased up to 400 Ws. Thus, it is possible for unmanned aerial vehicles to perform their planned tasks for a longer period of time.
In addition to increasing the flight time by storing more electrical energy in the batteries, it is possible to provide the energy required for flight from pv solar cells. The first appearance of PV solar cells in history dates back to the middle of the 20th century. In the 20 years that have passed since then, a model airplane powered by pv solar cells made its first flight in the USA, while the dates were 1974. Afterwards, institutions and organizations in different parts of the world have carried out many studies from micro to macro. With these developments, it has been possible to produce solar-powered unmanned aerial vehicles and manned solar powered gliders. Thus, it has been possible to make long-term flights with electrical energy, which is an alternative to fossil fuels..
When we look at the UAV systems produced in our country, most of them use fossil fuels. Small platforms using electrical energy, on the other hand, cannot perform long-term surveillance missions due to the short flight times. These electric mini UAVs, which are mostly used in border posts, can only be flown if there is a security problem and they need battery replacement after limited time surveillance. Therefore, if the patrol units need an image during these battery changes, larger-scale armed UAVs or UAVs come into play. In this case, both the cost spent for surveillance is higher, and large-scale UAVs cannot perform more strategic tasks that they can only do..
In this thesis, it is aimed to design and manufacture a solar powered mini UAV. In the first step, the energy required for flight on sunny days will be met from pv cells. Thus, it will be possible to fly with more energy than stored in batteries. Ultimately, with this concept, electric mini UAVs will also be able to perform long-term surveillance missions.
Commercial or R&D UAV projects in the aforementioned concept are being studied in many regions of the world. Although our country hosts world-class companies in the field of UAVs, it has not been possible to see concrete studies on solar powered flights. Therefore, with this study, it is also aimed to draw the attention of the aviation and energy R&D ecosystem in Turkey to the subject of solar energy flight and to contribute to the Turkish literature. Because in many projects on a world scale, studies are carried out to design vehicles that can fly for days and months with solar energy. Moreover, as a result of these studies, it is aimed to produce pseudo-satellite vehicles and to reach near space with them. Considering today's satellite launch costs, it would be beneficial to perform some tasks that complement satellites by using these vehicles.
In this study, first of all, sample projects developed in the world were examined. Then, the basic concepts were explained and the design phase was started. In the concept design step, primarily the targeted task requirements were determined. As a result of the literature research, the wing profiles used in solar powered unmanned aerial vehicles were compared and the one to be used in the study was selected. At this stage, the general geometry of the aircraft was chosen as an estimation by taking the sample studies as reference. According to the flight criteria, the ratios of weight surface area (W/S) and weight engine power (W/P) were determined with a system engineering approach. The design geometry was chosen in accordance with these proportions. Since a 3D printer will be used in the production method, the estimated weights of the parts were calculated and the total flight weight was determined by considering other electronic sub-elements. Then, the design was modeled in Xflr5 software and aerodynamic analyzes were made. The hourly energy consumption required for cruise flight has been calculated by making final adjustments. The maximum amount of pv cells that can be placed on the wing surface and the electrical connection scheme are designed, and the engine and battery system that will meet the need for flight has been selected. When it comes to the production part, the ribs of the main wing were obtained with a 3D printer, and the support rods were taken as carbon fiber, and the solar cells were placed between the ribs and the wing surface was obtained with a transparent foil coating. In order to give the arrow and dihedral angle in the design, a center wing piece was produced to connect the right and left wings. This section also was used to connect the main wing to the fuselage. The body parts were produced using PLA material from a 3D printer. After the sanding and cleaning process, the designed body was obtained by combining. The tail part is also produced in multiple pieces with PLA material. The ribs for the rear vertical and horizontal wings are derived from PLA, while foam-filled plastic rods were used as support rods. Wing surfaces are obtained from transparent foil as in the main wing. After the servo motor and connections that will enable the movements of the winglets are made, the sub-elements necessary for flight are placed on the fuselage. Ground and flight tests will be carried out later in the study.