Jet insansız hava aracı için model tabanlı tasarım yaklaşımı ile benzetim modelinin oluşturulması ve deneysel doğrulanması
Development and experimental verification of a simulation model for jet uav with model based design approach
Yazar: HALUK ALTAY
Danışman: PROF. DR. FİKRET ÇALIŞKAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Havacılık Mühendisliği = Aeronautical Engineering ; Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Tez çalışması Türk Havacılık Uzay Sanayii A.Ş. tarafından finanse edilen akademik çalışmalarda teknoloji gösterimi   şeklinde kullanılmak üzere alınan deneysel jet insansız hava aracının (DEHA) benzetim modelinin model tabanlı tasarım yöntemi ile elde edilmesini ve doğrulama platformlarının tasarımı ve üretimi ile model doğrulanmasını içermektedir. Tez sürecinde araştırma platformu olarak düşük maliyetli ve yüksek teknolojiye sahip alt sistemler içeren DEHA uçağı kullanılmaktadır. Hava aracının dinamikleri, model tabanlı tasarım araçları kullanılarak gereksinimler, sistem mimarisi, benzetim modeli altyapısı, doğrusal olmayan benzetim modelinin detaylı tasarımı ve model doğrulama çalışmaları ile ifade edilmektedir.
Tez kapsamındaki çalışmalar model tabanlı sistem mühendisliği faaliyetleri ile başlamaktadır. Bu kapsamda hava aracı benzetim modeli için gereksinim ve sistem mimarisi çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Gereksinim çalışmasında gereksinimlerin tanımlanması, geçerlemesi, izlenebilirliği ve doğrulanması süreçleri işlenmiştir. Bunun yanı sıra gereksinimin bütün tasarım süreci boyunca yönetimi detaylı bir şekilde anlatılmıştır. Sistem mimarisi çalışmasında, hava aracı dinamiklerini, davranışını ve biçimselliğini tanımlayan sistem mimarisi oluşturulmuştur. Benzetim modelinin yapıları ve davranışları hakkında ilişkilerin tanımlanmasını yapan bir sistem mimarisi kurgusu model tabanlı tasarım aracı ile oluşturulmuştur. Böylece benzetim modeli için ön tasarım aşaması gerçekleştirilmektedir.
Ön tasarımın devamında detay tasarım için model altyapısı Simulink Project ile kurulmuştur. Böylece birden fazla model içeriğini depolama, projeye özgü ayarların tanımlanması ve sürüm kontrol sistemleri ile entegrasyon sağlanabilmiştir. Model altyapısı çalışmalarında benzetim modelini ve doğrulamasını en etkin bir şekilde gerçekleştirebilmek için model klasörleri hiyerarşisi, model elemanlarının, sinyallerinin, verilerinin ve konfigürasyonlarının yapıları anlatılmaktadır. Tasarım altyapısı ve metodolojisi için model tabanlı tasarım yaklaşımı gözetilerek özgün bir yol çizilmiştir. 
Detaylı benzetim modeli tasarımı çalışmalarında, eyleyicilerin, atmosferin, hava aracı aerodinamiğinin, hava aracında kullanılan jet motorunun, iniş takımlarının, hava aracının kütle, ağırlık merkezi ve eylemsizlik momentlerinin, hava aracına etkiyen kuvvet ve momentlerin ve 6 serbestlik dereceli hareket denklemlerinin modellemeleri gerçekleştirilmiştir. Eyleyici modellerinde üreticiden alınan veriler ile gecikme dinamiğini yansıtan bir şekilde modelleme yapılmıştır. Aerodinamik modelinde, DATCOM yazılımında hava aracının ve uçuş koşullarının tanımlanması ile aerodinamik katsayılar ve bu katsayılardan aerodinamik kuvvet ve momentlerin türetilmesini yansıtan bir şekilde modelleme yapılmıştır. Atmosfer modelinde uluslararası standart olan ISA modeli ile atmosfer ve dünya, türbülans ve rüzgâr dinamiklerini yansıtan bir şekilde modelleme yapılmıştır. Jet motoru modelinde üreticiden alınan veriler ile hava aracına etkiyen itki ve yakıt tüketimi dinamiğini yansıtan bir şekilde modelleme yapılmıştır. İniş takımı modelinde üreticiden alınan yay/sönümleme katsayıları ile kütle-yay-sönümleme dinamiğini yansıtan bir modelleme gerçekleştirilmiştir. Hava aracının kütle, ağırlık merkezi ve eylemsizlik momentleri deneysel platformlar üzerinden alınan ölçümler ile elde edilerek modelleme yapılmıştır. Hava aracına etkiyen kuvvet, moment ve 6 serbestlik dereceli hareket denklemleri literatürde yer alan matematiksel bağıntılar ile modellenmiştir. 
Detaylı tasarımın doğruluğunu artırmak için doğrulama çalışmaları deneysel platformların özgün tasarımı ve üretimi ile gerçekleştirilmektedir. Eyleyicilerin modellerinin doğrulanması, deneysel platform kurularak yük altında verilen girdiye karşılık alınan çıktı arasında sistem tanımlama metodu ile elde edilen model ile gerçekleşmiştir. Ek olarak hava aracı eyleyici hareketinin mekaniksel limitleri için ölçümlemeler yapılmıştır. Hava aracı jet motoru modeli deneysel bir platform tasarımı ve üretimi gerçekleştirilip, farklı koşullarda itki ve yakıt tüketimi değerleri ölçümlenerek doğrulanmıştır. Hava aracı iniş takımları modeli deneysel bir platform tasarımı ve üretimi gerçekleştirilip, farklı iniş koşullarında yay katsayısı ve frenleme torku ölçümlenerek doğrulanmaktadır.
Sonuç olarak deneysel jet insansız hava aracı olan DEHA için doğrulama platformları ile doğrulanmış bir benzetim modeli model tabanlı tasarım yaklaşımı ve araçları ile elde edilmiştir. Doğrulama platformları sayesinde modelin doğruluğu artırılmıştır.

Abstract:
This thesis consists of developing an aircraft simulation model and designing and producing of experimental verification platforms in order to verify the simulation models for DEHA, which is an experimental unmanned jet aircraft, has low-cost and high-tech subsystems and is financed by Turkish Aerospace. Aircraft simulation model is developed with model based design approach and model based design tools.
Studies within the scope of this thesis begin with model-based systems engineering activities. In this context, requirements and system architecture development studies for the aircraft simulation model were carried out. In the requirements development study, the processes of definition, validation, traceability and verification of aircraft simulation model requirements are covered. In addition to that, the management of these requirements throughout the entire development process is explained in detail. In the system architecture development study, the system architecture that defines the aircraft dynamics, behavior and functionality has been developed. A system architecture setup that defines the relationships about the structures and behaviors of the simulation model was created with a model-based design tool. Thus, the preliminary design phase for the simulation model was carried out.
After the preliminary design, the model framework for the detailed simulation model design was established with the Simulink Project tool. Thus, storing multiple model and model dependent files, defining project-specific settings, and integration with version control softwares can be achieved. In model framework develepment study, model folder hierarchy, structures of model elements, signals, data and configurations are explained in order to perform model simulation and validation most effectively.A novel path has been drawn for the model framework and methodology by considering the model-based design approach.
In detailed simulation model design studies, modeling of actuators; atmosphere; aircraft aerodynamics; jet engine used in aircraft; landing gear;  mass, center of gravity and moments of inertia of the aircraft; forces and moments acting on the aircraft and 6 DoF equations of motion were developed. In the actuator simulation models, modeling was done with the data received from the manufacturer, satisfy the lag dynamics. In the aircraft aerodynamic simulation model, the aerodynamic coefficients and the derivation of aerodynamic forces and moments from these coefficients were modeled by defining the aircraft and flight conditions in the DATCOM software. In the atmosphere model, the ISA model, which is the international standard, has been modeled in a way that satisfy the atmosphere and earth, turbulence and wind dynamics. In the jet engine model, modeling has been done with the data received from the manufacturer, satisfy the thrust and fuel consumption dynamics acting on the aircraft. In the landing gear model, a modeling satisfying the mass-spring-damping dynamics was carried out with the spring/damping coefficients obtained from the manufacturer. The mass, center of gravity and moments of inertia of the aircraft were obtained from the measurements taken on the experimental verification platforms and modeling was done according to this measurements. The force and moment acting on the aircraft and 6DoF equations are modeled in the same way with literature.
In order to increase the accuracy of the detailed simulation model design, verification studies are carried out with design and production of the novel experimental verification platforms. The verification of the actuator models was realized with the model obtained by the system identification method which is measuring input and output signals and building a model from between these signals. In addition, measurements were obtained to determine the mechanical limits of the aircraft actuator movement. The verification of the aircraft jet engine model was realized with an experimental verification platform measuring the thrust and fuel consumption under different conditions. The verification of the landing gear model was realized with an experimental verification platform measuring the spring and damping coefficients in different landing conditions.
As a result, for DEHA, an aircraft simulation model was developed with model-based design approach using model based design tools and simulation model was verified by novel experimental verification platforms.