Balistik darbe tehdidine karşı uçak kompozit yapısallarının tasarımı
Design of aircraft composite structures against ballisticimpact threats
Yazar: MEHMET BARTU ÜNAL
Danışman: PROF. DR. ERDEM ACAR
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Günümüzde savunma sektöründe yaşanan teknolojik gelişmeler, askeri hava araçlarının güvenliği ve dayanıklılığı üzerinde yeni zorluklar ortaya çıkarmıştır. Bu bağlamda, yüksek kinetik enerjiye sahip mühimmatlara karşı uçak yapısallarının tasarımı önemli bir araştırma ve geliştirme alanı haline gelmiştir. Özellikle uçakların balistik tehditlerine karşı hazırlanmış MIL-PRF-46103E standardında yer alan 12.7x99 AP gibi büyük kalibreye sahip mühimmatlar, hava araçlarının güvenliği ciddi bir tehdit oluşturmaktadır.
Kompozit uçak zırh yapılarında kullanılan teknik seramik ve kompozit (yüksek performanslı fiberler ve onları bir arada tutan polimerler) malzemeler geleneksel metal zırhlara göre çok daha hafiftir. Bu, uçakların daha fazla manevra kabiliyeti kazanmasına, daha yüksek hızlara ulaşmasına ve daha fazla yakıt tasarrufu sağlamasına yardımcı olur. Seramik malzemeler yüksek sertlikleri sayesinde büyük kalibre mühimmatların kırılmasını ve böylece mühimmatı, kinetik enerjileri düşük şarapneller haline getirmeye yararken, kompozit malzemeler ise kinetik enerjileri düşmüş şarapnelleri yüksek enerji sönümleme kabiliyetleri yardımıyla durdurur. 
Bu çalışmada balistik çarpışmalara karşı dayanıklı ve hafif yapılar tasarlamak amacıyla, çarpışma anında meydana gelen deformasyonu tahmin edebilen bir sonlu elemanlar modeli geliştirilmiştir. Malzeme karakterizasyon testleriyle ve literatür verileriyle elde edilen malzeme modellerinin doğruluğu her malzeme için ayrı ayrı kontrollü balistik testlerle doğrulanmış olup sonlu elemanlar analizlerinin gerçeğe en yakın olması hedeflenmiştir. Bu çalışma kapsamında kompozit uçak zırhlarının sonlu elemanlar modelleri LS-DYNA yazılımı kullanılarak geliştirilmiştir. Sonlu eleman modelleri verileri ışığında 12.7x99 AP mühimmatı tehdidi için optimum kompozit uçak zırhı üretilmiş ve V50 testleri gerçekleştirilmiştir.

Abstract:
The technological advancements in the defense sector today have introduced new challenges regarding the safety and durability of military aircraft. In this context, the design of aircraft structures against high-kinetic-energy ammunition has become a significant area of research and development. Especially, large-caliber ammunition, such as the 12.7x99 AP listed in the MIL-PRF-46103E standard, poses a serious threat to the safety of aircraft against ballistic threats.
Technical ceramic and composite materials (high-performance fibers and polymers that hold them together) used in composite aircraft armor structures are much lighter than traditional metal armors. This helps aircraft gain greater maneuverability, reach higher speeds, and improve fuel efficiency. Due to their high hardness, ceramic materials enable the fragmentation of large-caliber ammunition, converting it into shrapnel with lower kinetic energy, while composite materials stop these fragments with reduced kinetic energy by utilizing their high energy-absorbing capacity.
In this study, a finite element model capable of predicting the deformation occurring at the moment of impact has been developed to design structures that are both resistant to ballistic impacts and lightweight. The accuracy of the material models, obtained through material characterization tests and literature data, was validated for each material through controlled ballistic tests to ensure that finite element analyses closely reflect reality. Under this study, finite element models of composite aircraft armors were developed using LS-DYNA software. Based on the finite element model data, an optimized composite aircraft armor for the 12.7x99 AP ammunition threat was produced, and V50 tests were conducted.