Süpersonik hızlarda hareket eden bir cisimde mızrak ucun sürükleme kuvvetine etkisi
The effect of drag force on the tip of a spear in an object moving at supersonic speeds
Yazar: KAAN KUTLU
Danışman: PROF. DR. ALİM RÜSTEM ASLAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Havacılık ve Uzay Mühendisliği = Aeronautical Engineering

Özet:
Tarihte insanlar en eski dönemlerden bu yana bir yerden başka bir yere ulaşmaya çalışır. Yıllar geçtikçe yerleşim yerlerinin sayısının ve büyüklüğünün artmasıyla, bir yere ulaşmak için kat edilen mesafelerde artar. Mesafelerin artması ulaşım için gereken süreyi de arttırdığından hız insanlık için önemli bir hale gelir. Kara taşıtlarının bu ihtiyacı bir süre karşılasa da günümüzde hava araçları en hızlı ve en güvenli ulaşım araçları olma yolunda ilerler. Hava araçlarının daha hızlı ve daha verimli çalışmasını sağlamak amacıyla sayısız araştırma ve geliştirme projesi yürütülür. Hava araçları dediğimizde artık sadece ulaşım için kullanılan uçaklar ve helikopterler değil, aynı zamanda savunma ve keşif amaçlı kullanılan İHA, SİHA, roket ve füze gibi birçok araç aklımıza gelir. Her birinin karşılaştığı temel sorunlardan birisi dış ortamındaki hava sebebiyle maruz kaldığı sürükleme kuvvetidir.
Atmosferimiz içerisinde hareket eden cisimler etraflarında bulunan hava sebebiyle hareket ettiklerinde sürükleme kuvvetine maruz kalır. Bu kuvvet hareket eden cisim ne kadar hızlı olursa o denli artar. Sürükleme kuvveti artan cisim hareket etmekte zorlandığından hızını koruyabilmek veya arttırmak için daha fazla enerjiye ihtiyaç duyarak daha fazla yakıt kullanır. Uçaklarda bu durum yakıt verimliliği konusunu ön plana çıkarır. Roketler ise yüksek hızlara çıkarken uçaklara göre çok yüksek sürükleme kuvvetlerine maruz kalırlar. Bunun yanında ses üstü hızlara ulaşan roketler diğer bir sorun olan şok dalgaları ile karşılaşır. Roketlerin yüksek hızlara ulaşmasını ve yakıt verimliliğini sağlamak için üzerine etki eden sürükleme kuvvetini düşürmek önemli bir araştırma konusudur.
Sürükleme kuvveti teorisi gereği cismin geometrisi, hızı, kesit alanı ve içinde bulunduğu ortamın yoğunluğu ile alakalıdır. Bu tezde cismin hızı, kesit alanı ve akışkanın yoğunluğu sabittir. Geometrinin yüzeyi değiştirildiği gibi aynı zamanda geometri önüne mızraklar eklenmiştir. Mızrakların uç geometrileri değiştirilmiştir.
Geometride yapılan değişikliklerin sürükleme kuvveti üzerinde yaptığı etki incelenecektir. Ayrıca cismin hızı ses üstü bir hıza sahip olduğu için şok dalgaları oluşur. Oluşan şok dalgalarının sürükleme kuvvetini etkilediği bilindiğinden geometri de yapılan değişikliklerin şok dalgalarını nasıl etkilediği de bu çalışmada yer bulmaktadır. Son olarak akışkan sıcaklığının değişiminin sürükleme kuvvetini nasıl etkilediği de tez kapsamında incelenmiştir.
Analizler sonucunda elde edilen sürükleme katsayıları birbirleri ile karşılaştırılıp minimum sürükleme katsayısına sahip olan geometriler belirlenmiştir. Düz yüzeyli küt mızraklı geometrinin sürükleme katsayısı mızrak olamayan geometriye göre 58,8 % azalarak iyileştiği görülmüştür. Buna ek olarak mızrağın küt yüzeye sahip geometrisine oranla küt uçlu mızrak takılan küt yüzeyli cisimin sürükleme katsayısı 56,2% daha azalmıştır. Her iki geometride de sürükleme katsayısında iyileşme görülmüştür. En düşük sürükleme katsayısına sahip geometri olarak küt yüzeyli ve küt uçlu mızrağı olan geometri seçilmiştir.
Bu geometrilerde neden düşük sürükleme katsayısı olduğu tartışılıp geometrilerin akışı nasıl etkilediği incelenmiştir. Mızrak uçlarının şekli değiştikçe bu değişimin şok dalgalarını nasıl etkilediği görülür. Son olarak ne gibi yeni geometriler kullanılabileceği tartışılır.

Abstract:
Throughout history, humans have been striving to reach from one place to another since ancient times. As the number and size of settlements increased over the years, the distances covered to reach a destination also increased. As the distances increased, speed became important for transportation since it also increased the required time for travel. Although land vehicles met this need for a while, today aircraft are advancing to become the fastest and safest means of transportation. Numerous research and development projects are being carried out to ensure faster and more efficient functioning of aircraft. When we talk about aircraft, not only planes and helicopters used for transportation, but also many vehicles used for defense and reconnaissance purposes such as UAVs, UCAVs, rockets, and missiles come to mind. One of the basic problems faced by each is the drag force exposed to due to the surrounding air.
When objects moving within our atmosphere move, they are subjected to drag force due to the surrounding air. This force increases as the moving object's speed increases. As the drag force increases, the object has difficulty moving, requiring more energy to maintain or increase its speed, resulting in the use of more fuel. In airplanes, this situation highlights the issue of fuel efficiency. Rockets, on the other hand, are exposed to very high drag forces compared to airplanes when they reach high speeds. In addition, rockets that reach supersonic speeds encounter another problem: shock waves. Reducing the drag force acting on rockets is an important research topic for achieving high speeds and fuel efficiency.
According to the theory of drag force, it is related to the geometry of the object, its speed, cross-sectional area, and the density of the environment it is in. In this thesis, the speed of the object, cross-sectional area, and density of the fluid are constant. The surface geometry of the object has been changed, and spears have been added to the front of the geometry. The spearhead geometries have also been changed.
The drag coefficients obtained as a result of the analyzes were compared with each other and the geometries with the minimum drag coefficient were determined. It was observed that the drag coefficient of the flat-surfaced blunt-lance geometry improved by 58.8% compared to the non-lanceolate geometry. In addition, the drag coefficient of the blunt-surfaced object with a blunt tipped lance was reduced by 56.2% compared to the blunt surface geometry of the lance. An improvement in the drag coefficient was observed in both geometries. The geometry with the blunt surface and the blunt tipped lance was chosen as the geometry with the lowest drag coefficient.
After comparing the drag coefficients obtained through analysis, geometries with the minimum drag coefficients will be identified. The reasons for the low drag coefficients in these geometries will be discussed, and how these geometries affect the flow will be examined. The effect of changes in the shape of spearheads on shock waves will be observed. Finally, potential new geometries to be used will be discussed.