Açı verilebilir pervane sistemine sahip insansız bir hava aracının tasarımı, üretimi ve uçuş tecrübeleri
Design, production and flight experiments of a tiltable propeller unmanned aerial vehicle
Yazar: ZAFER ÖZNALBANT
Danışman: PROF. DR. MEHMET ŞERİF KAVSAOĞLU ; PROF. DR. MUSTAFA CAVCAR
Anadolu Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uçak Gövde Motor Bakım Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Havacılık Mühendisliği = Aeronautical Engineering
Dizin: İnsansız hava aracı = Unmanned aerial vehicle

Özet:
Bu tez kapsamında, açı verilebilir pervane sistemine sahip, özgün tasarımlı bir insansız hava aracının tasarım, imalat ve uçuş tecrübe çalışmaları sunulmuştur. Bu çalışmada ele alınan uçak, kanat uçlarına yerleştirilmiş iki adet pervane sistemi ve arka kuyruk kolları arasına yerleştirilmiş bir adet pervane sistemi ile tahrik edilmektedir. Uçak üzerindeki tüm pervane sistemleri saat yönü ve tersi olmak üzere karşıt dönüşlü iki adet pervaneden oluşmaktadır. Uçak, dikey iniş – kalkış yapabilme kabiliyeti yanında konvansiyonel uçuş kabiliyetine de sahiptir. Her iki kanat ucunda bulunan pervane sistemi, uçağın y-ekseni etrafında doksan derece dönebilecek şekilde tasarlanmıştır. Tez içerisinde, uçak ilk ağırlık tahmini için yapılan yaklaşım ve ilk boyutlandırma çalışmaları gösterilmiştir. Hareket ve kinematik denklemleri tanımlanmış ve bu denklemlerde yer alan aerodinamik/motor kuvvet ve moment modelleri oluşturulmuştur. Oluşturulan modeller kullanılarak askı, geçiş ve seyir uçuşları için denge durumu analizleri yapılmıştır. Hareket denklemlerinin doğrusallaştırılmasından sonra, askı, geçiş ve seyir uçuşu modları uzunlamasına kararlılık incelemeleri yapılmıştır. Kararlılık incelemesinde, hareket denklemleri durum uzayı şeklinde modellenerek, sistem matrisinin özdeğerlerinin s-düzlemindeki yerleşimlerine bakılmıştır. Tüm uçuş modları için kontrol sistemi geliştirilmesi yapılmış ve bu kontrol sisteminin uçak üzerinde uygulanabilmesi için geliştirilen kontrol algoritması gösterilmiştir. Otomatik kontrol sistemi için kullanılan kumanda, uçuş kontrol kartı, duyargalar ve bunların bağlı olduğu elektrik-elektronik bağlantılar tanımlanmıştır. Uçağın kontrolü için gerekli olan açısal durum kestirimi çalışmaları belirtilmiştir. Deneysel incelemeler için imal edilen iç ve dış ortam test düzenekleri ve nihai uçak imalat adımları gösterilmiştir. Son olarak, yapılan test uçuşları ve kapsamları özet halinde verilmiştir. Tüm uçuş modlarının test edildiği son uçuş testinin sonuçları grafikler halinde açıklanmıştır.

Abstract:
This dissertation presents the design, flight mechanics and flight demonstration studies of a novel tilt-propeller vertical take-off and landing unmanned aerial vehicle. The aircraft, discussed in this study consists of two counter rotating tilt-propeller pairs placed on both wing tips and a counter propeller pair placed between the tail booms. The airplane has a capability of vertical take-off and landing as well as conventional take-off and landing. Both wing tip propeller pairs have been designed with a capability of tilting about ninety degrees around y-axis of the aircraft. In this dissertation, the weight estimation approach has been discussed and initial sizes of the aircraft have been represented. The equations of motion and kinematics equations have been derived and the aerodynamic/propulsion force and moment models have been established. With the established models, the trim condition calculations have been derived for hover, transition and cruise flight modes. The longitudinal stability characteristics for hover, transition and cruise flights have been analyzed after linearization of the equations of motion. The stability analysis has been performed via calculating the eigenvalues of the system matrix of the state space model and placing them on the s-plane. The control strategies for all three flight modes have been evaluated and a control algorithm used for controlling the aircraft has been presented. The radio, flight control card, sensors and the electric/electronic connection for automatic control applications have been defined. The orientation estimation study, which is a requirement for aircraft control, has been explained. The manufactured indoor and outdoor test platforms for the experimental studies and the final aircraft manufacturing processes have been described briefly. Lastly, the flight demonstrations performed indoor and outdoor have been summarized. The results of final flight test have been depicted via graphical representations.