Beşinci nesil muharip uçaklarda kullanılan kompozit malzemelerin bazı mekanik özelliklerinin ve kesilme parametrelerinin incelenmesi
Examination of some mechanical properties and cutting parameters of composite materials used in fifth generation fighter aircrafts
Yazar: ELİF GİZEM SAYIN AYAN
Danışman: PROF. DR. ELBRUS JAFAROV
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Uçak Mühendisligi Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Uçak Mühendisliği = Aeronautical Engineering

Özet:
Günümüz havacılık endüstrisi, hızlı ve sürekli gelişen dinamik yapısıyla dikkat çekmektedir. Bu sektörde önemli bir rol oynayan muharip uçaklar, hız, manevra kabiliyeti ve teknolojik üstünlük açısından sınırları zorlamaktadır. Muharip uçakların gelişiminde özellikle beşinci nesil uçaklar, öncü teknolojilerle donatılarak dikkat çekmektedir. Beşinci nesil muharip uçaklar, gelişmiş aviyonik sistemler, ileri radar teknolojileri ve kompozit malzemelerin kullanımıyla tanımlanmaktadır. Kompozit malzemeler, hafiflik, yüksek mukavemet ve dayanıklılık gibi üstün özellikleri sayesinde havacılık endüstrisinde önemli bir yer edinmiştir. Bu malzemeler, uçak performansını artırmak ve yakıt verimliliğini optimize etmek amacıyla kullanılırken, geleneksel metallerin yerini giderek daha fazla almaktadır. Ancak, kompozit malzemelerin avantajları kadar, bu malzemelerin karmaşıklığını ve davranışlarını anlamak da büyük önem taşımaktadır.
Bu çalışma, beşinci nesil muharip uçaklarda yaygın olarak kullanılan kompozit malzemelerin uzunluk, kalınlık ve düzen özelliklerinin eğilme gerilmesi üzerindeki etkilerini detaylı bir şekilde incelemektedir. Çalışmanın temel amacı, bu malzemelerin farklı parametreler altında eğilme gerilmesine nasıl tepki verdiğini anlamak ve tasarım sürecinde performanslarını optimize etmek için önemli bir katkı sağlamaktır. Ayrıca, çalışma kapsamında kesme parametrelerinin kompozit malzemeler üzerindeki etkisi daha yakından incelenmektedir.
Çalışmada kullanılan bal peteği yapılı kompozit malzemeler yedi farklı kombinasyonda üretilmiş, lamina kompozit malzemeler ise üç farklı kombinasyonda üretilmiştir. Bu malzemeler üzerinde dört noktalı eğilme ve üç noktalı eğilme testleri gerçekleştirilerek performansları karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar, tablolar ve grafikler aracılığıyla detaylı bir şekilde sunulmuştur. Karşılaştırma sonucunda, maksimum kalınlıkta, iki kat karbon fiber ve bir kat Kevlar'dan (aramid) oluşan kompozit malzemenin en yüksek eğilme dayanımını sergilediği gözlemlenmiştir. Ayrıca, sandviç panellerde bal peteği ve karbon fiber kalınlığının artırılmasının eğilme dayanımını olumlu yönde etkilediği tespit edilmiştir.
Bu bulgular, tasarım mühendislerine beşinci nesil muharip uçakların malzeme seçimi ve konfigürasyonunda rehberlik edecek önemli bilgiler sunmaktadır. Kompozit malzemelerin davranış ve özelliklerini kapsamlı bir şekilde anlayarak, mühendisler bilinçli kararlar alabilir ve uçak performansını ve dayanıklılığını artırarak havacılık endüstrisinin gelişimine katkıda bulunabilirler. Özellikle bal peteği ve lamina kompozit malzemeler üzerinde yapılan bu detaylı incelemeler, mühendislik tasarım süreçlerine ışık tutmakta ve yeni nesil muharip uçakların geliştirilmesinde kritik rol oynamaktadır.Çalışmada kullanılan dört noktalı eğilme ve üç noktalı eğilme testleri, malzemelerin eğilme dayanımı ve performansı hakkında önemli veriler sağlamıştır. Elde edilen sonuçlar, kompozit malzemelerin yapısal tasarımda nasıl optimize edilebileceğine dair önemli ipuçları sunmaktadır. Özellikle karbon fiber ve Kevlar kombinasyonlarının üstün performansı, bu malzemelerin yeni nesil muharip uçak tasarımlarında daha yaygın bir şekilde kullanılabileceğini göstermektedir.
Sonuç olarak, bu çalışma, beşinci nesil muharip uçakların malzeme seçimi ve tasarımında önemli bir rehber olma niteliği taşımaktadır. Kompozit malzemelerin farklı parametreler altında nasıl davrandığını anlamak, mühendislerin daha sağlam, hafif ve verimli uçaklar tasarlamalarına olanak tanıyacaktır. Buda, havacılık endüstrisinin gelişimine ve teknolojik ilerlemelere önemli katkılar sağlayacaktır. Çalışmanın bulguları, sadece akademik alanda değil, aynı zamanda pratik mühendislik uygulamalarında da geniş bir kullanım alanı bulacaktır. Bu sayede, geleceğin muharip uçaklarının daha güvenilir ve etkili bir şekilde tasarlanması mümkün olacaktır.

Abstract:
The modern aviation industry is characterized by its rapidly evolving and dynamic nature, continually advancing in technology and innovation. Within this sector, fighter aircraft play a pivotal role, pushing the boundaries of speed, maneuverability, and technological superiority. Among these, fifth-generation fighter aircraft particularly stand out due to their pioneering technologies. These aircraft are distinguished by advanced avionics systems, cutting-edge radar technologies, and extensive use of composite materials. Composite materials have become indispensable in the aviation industry due to their superior properties, such as lightness, high strength, and durability. They are employed to enhance aircraft performance and optimize fuel efficiency, increasingly replacing traditional metals. However, it is equally important to understand the complexities and behaviors of these composite materials to ensure their effective application in aviation.
This study aims to investigate the effects of length, thickness, and arrangement characteristics of composite materials commonly used in fifth-generation fighter aircraft on bending stress in detail. The primary objective is to understand how these materials respond to bending stress under various parameters and to provide significant contributions to optimizing their performance during the design process. Additionally, the study closely examines the impact of shear parameters on the mechanical behavior of composite materials.
In the study, honeycomb-structured composite materials were produced in seven different combinations, while laminate composite materials were produced in three different combinations. Comprehensive four-point bending and three-point bending tests were conducted on these materials to compare their performance. The results obtained from these tests are meticulously presented through detailed tables and graphs. The comparison results indicated that the composite material consisting of two layers of carbon fiber and one layer of Kevlar (aramid) exhibited the highest bending strength at maximum thickness. Furthermore, it was found that increasing the thickness of the honeycomb core and carbon fiber layers in sandwich panels positively affected the bending strength.
These findings provide crucial information to design engineers in selecting materials and configurations for fifth-generation fighter aircraft. By comprehensively understanding the behaviors and properties of composite materials, engineers can make informed decisions that enhance aircraft performance and durability, thereby contributing to the advancement of the aviation industry.The detailed examinations of honeycomb and laminate composite materials conducted in this study illuminate the engineering design processes and play a critical role in developing new-generation fighter aircraft.
The four-point bending and three-point bending tests used in the study provided significant data on the bending strength and performance of the materials. The results offer important insights into how composite materials can be optimized in structural design. The superior performance of carbon fiber and Kevlar combinations, in particular, demonstrates the potential for these materials to be more widely used in new-generation fighter aircraft designs. The study also delves into the shear parameters, revealing their influence on the overall performance and stability of the composite materials under stress.
In conclusion, this study serves as a crucial guide in the material selection and design of fifth-generation fighter aircraft. Understanding how composite materials behave under different parameters enables engineers to design more robust, lightweight, and efficient aircraft. This, in turn, significantly contributes to the development of the aviation industry and technological advancements. The findings of this study will have broad applications not only in the academic field but also in practical engineering implementations, ensuring that future fighter aircraft are designed to be more reliable and effective. By aiding engineers in developing more innovative and efficient solutions, this study contributes to the ever-evolving dynamics of the aviation industry.
Moreover, the study highlights the importance of material optimization in achieving superior aircraft performance. The detailed analysis of the bending stress response of composite materials under various configurations provides a foundational understanding that can be applied to enhance the structural integrity and performance of fighter aircraft. This knowledge is essential for the continuous improvement of aircraft designs, ensuring that they meet the demanding requirements of modern military operations.
The implications of this research extend beyond the immediate scope of fighter aircraft design. The principles and findings can be applied to various fields within the aerospace industry, where the use of composite materials is becoming increasingly prevalent. The insights gained from this study can inform the development of other high-performance aerospace structures, contributing to broader advancements in the field.
Additionally, the study emphasizes the critical role of experimental validation in the engineering process. By conducting rigorous bending tests, the research provides empirical data that support theoretical models and simulations. This integration of experimental and theoretical approaches ensures that the findings are robust and applicable in real-world scenarios. Engineers can use this data to refine their designs, leading to aircraft that not only meet but exceed performance expectations.
Furthermore, the research highlights the sustainability aspect of using composite materials. The lightness of these materials contributes to reduced fuel consumption and lower emissions, aligning with the global push towards more environmentally friendly aviation solutions.
As the industry moves towards greener technologies, the findings of this study offer valuable guidance on how to incorporate sustainable materials without compromising on performance.In summary, this study makes a significant contribution to the understanding and application of composite materials in fifth-generation fighter aircraft. By investigating the effects of length, thickness, and arrangement characteristics on bending stress, and examining the impact of shear parameters, the study provides valuable insights that can enhance material selection and design processes. The comprehensive analysis and findings offer a robust framework for engineers and designers, facilitating the creation of more advanced, efficient, and durable aircraft.
This research underscores the critical role of composite materials in the future of aviation, highlighting their potential to drive technological progress and innovation in the industry. The study's implications extend to the broader aerospace field, promoting the development of high-performance, sustainable, and reliable aerospace structures that will shape the future of aviation.