Uçaklar için statik elektrik yükü çökelme durumunun incelenmesi ve yıldırım çarpma durumu analizleri
Investigation of precipitation static condition and lightning strike condition analysis for aircraft
Yazar: FURKAN AKBULUT
Danışman: PROF. DR. ÖZCAN KALENDERLİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Uçak Mühendisliği = Aeronautical Engineering
Dizin: Elektrostatik deşarj = Electrostatic discharge ; Elektrostatik yükleme = Electrostatic loading

Özet:
Uçakların atmosferle aralarındaki elektrostatik etkileşimi temel olarak uçak ve atmosfer faktörü olmak üzere iki ana bileşene bağlıdır. Uçakların şekilleri, hızları, elektrik yükü tutma kapasiteleri gibi parametreler uçak faktörü olarak; atmosfer sıcaklıkları, basınçları, iletkenlikleri gibi faktörler atmosferik faktörler olarak değerlendirilmektedir. Her uçak çeşitli süreçlerde elektriksel olarak dolan ve boşalan bir kapasite olarak düşünülebilir. Kapasitenin dolma veya boşalma davranışları uçakların elektrostatik durumu olarak tanımlanabilir.
Uçaklar seyir halinde iken atmosfer içerisinde bulunan elektriksel olarak yüklü parçacıklarla çarpışması ve sürtünmesi sonucunda elektrostatik olarak yüklenmektedir. Bu yüklenmeler; triboelektrik, motor egzoz ve dışsal yüklenme olmak üzere üç ana kategoride incelenmektedir. Triboelektrik yüklenme; genellikle buz kristalleri, yağmur, kum ve tozlu parçacıkların uçaklar ile teması sonrasında oluşmaktadır. Motor egzoz yüklenmesi, motorlardan çıkan elektrik yüklü parçacıkların uçak üzerinde birikmesi ile oluşan yüklenme türüdür. Dışsal yüklenme, uçakların hava veya bulut içerisinde bulunan herhangi bir elektrik alan içerisinde seyir halinde iken üzerinde oluşan statik elektrik yükü birikimidir. Tüm bu yüklenmeler, biriken (çökelen) statik elektrik olarak adlandırılır ve kontrollü bir şekilde uçaklar üzerinden boşaltılması gerekmektedir.
Statik elektrik yükleri uçaklardan kontrollü bir şekilde boşaltılmadığında yüksek gerilim seviyelerinde uçakların kanat ve kuyruk uçları gibi çıkıntılı yüzeylerinden elektriksel deşarj olmaktadır. Statik elektrik yükleri; korona boşalmaları, ark oluşumları ve elektriksel akış şeklinde olmak üzere uçaklar üzerinden üç şekilde deşarj olmaktadır. 
Bunlara ek olarak, statik elektrik yükleri, yakınlarındaki antenler üzerine kuplajla elektriksel bozulmalara sebep olmaktadır. Bu sebeple, radyo alıcı-verici ve konumlandırma antenleri üzerinde birikerek uçakların seyrüsefer sistemleri için kritik bileşenlerin düzgün çalışmasını önlemektedir. 
Statik deşarj çubukları, statik elektrik yüklerinin uçaklardan kontrollü bir şekilde boşaltılmasını sağlamaktadır. Bu sayede, uçak gövdesinde biriken statik elektrik yükleri yüksek gerilim seviyelerine ulaşamadan statik deşarj çubukları üzerinden havaya boşaltılmaktadır.  
Bu çalışmada ilk bölümde; statik deşarj çubuklarının tipleri, özellikleri, kullanım alanları ve deşarj yöntemleri incelenmiştir. Ardından, statik deşarj çubuklarının montaj yöntemleri, montaj yöntemlerinde dikkat edilmesi gereken parametreler ve bir statik deşarj çubuğunun sağlaması gereken koşullar ile ilgili araştırmalara yer verilmiştir. 
Uçaklar üzerinde biriken statik elektrik yükünün boşaltılabilmesi için yeterli sayıda statik deşarj çubuğu kullanılması gerekmektedir. Kullanılan statik deşarj çubuğu sayısının yetersiz olması yukarıda sözü edilen problemlerin oluşmasına neden olacaktır. Bu sebeple, aynı bölümde uçaklarda kullanılması gereken statik deşarj çubuğu sayısının belirlenmesi için literatür araştırması yapılmıştır. Yapılan araştırmalar sonrasında örnek bir uçak (RV-10) için kullanılması gereken statik deşarj çubuğu sayısı belirlenmiştir. Hesaplamalarda bulunan değerler benzer bir uçak için önceden yapılmış çalışmalar ile karşılaştırılmıştır.
Bunlara ek olarak, statik deşarj çubukları uçak üzerine monte edildiğinde uçak gövdesinden dışarıya doğru çıkıntılı bir yapı oluşturduğu için yıldırım akımının uçağa giriş veya çıkış bölgesi olabilmektedir. Bu sebeple, ikinci bölümde yıldırım akımı ile ilgili araştırmalara ve analizlere yer verilmiştir. 
Yıldırım akımı; bulut-bulut, bulut-yer, bulut-hava ve bulut içerisinde olmak üzere dört çeşit olarak meydana gelmektedir. Herhangi iki bölge arasında oluşan yük dengesizliği ve potansiyel farkı sebebiyle bu iki bölge arasında çok yüksek seviyelerde akım akışı şeklinde oluşmaktadır. 
Yıldırım akımının uçaklar üzerinde doğrudan ve dolaylı olmak üzere iki temel etkisi bulunmaktadır. Doğrudan etkiler, yıldırım akımının çarpma bölgesinde sıcaklık artışına bağlı olarak uçak gövdesinde meydana getirdiği mekanik hasara bağlı olan bozulmalardır. Dolaylı etkiler ise, uçağa doğrudan çarpan ya da uçağa yakın bir konumda oluşan yıldırım sebebiyle oluşan elektromanyetik alanların uçaklardaki elektronik ekipmanlara verdiği zarar olarak açıklanmaktadır. Bu sebeple, yıldırım akımının oluşum aşamaları ve akım karakteristikleri üzerine incelemeler yapılmıştır.
Uçaklardaki yıldırım akımının çarpma bölgeleri incelendiğinde kanat uçları, yatay dengeleyiciler ve radom en yüksek riskli bölgeler olarak görülmektedir. Bu sebeple, Ansys Maxwell programı kullanılarak yıldırım akımı modellenmiş ve örnek bir uçak referans alınarak yıldırım akımının uçak üzerinde seyredebileceği alternatif yollar (radom giriş-kuyruk çıkış ve radom giriş-kanat çıkış) için simülasyon çalışmaları yapılmıştır. Simülasyon çalışmaları yapılırken yıldırım akımı sebebiyle uçak üzerinde oluşan akım yoğunlukları ve elektrik alanların gözlemlenmesi hedeflenmiştir.
Günümüz uçaklarında, hem ağırlık hem de dayanıklılık bakımından alüminyuma göre avantajlı olması sebebiyle gövdelerinin büyük çoğunluğu kompozit yapılmaktadır. Kompozitin elektriksel iletkenliği alüminyuma göre daha düşüktür. Bu sebeple yıldırım çarpması durumu için kompozit gövdeli uçaklarda alternatif uygulamalar yapılmaktadır. 
Kompozit gövdeli uçaklarda yıldırım akımının bozucu etkilerini azaltmak için iletken bir ağ (mesh) yapısı kullanılmaktadır. Kompozitin içerisine bir ağ gibi yerleştirilen iletkenler sayesinde uçağın herhangi bir bölgesinden giren yıldırım akımı kontrollü bir şekilde uçak gövdesi üzerinde ilerleyebilmektedir. Bu kapsamda, kullanılması gereken ağ yapısındaki tellerle ilgili parametrelere ait hesaplamalar aynı bölümde belirtilmiştir. 
Son bölümde, tez kapsamında yapılan çalışmalar göz önünde bulundurularak statik deşarj çubukları ve yıldırım akımı arasındaki ilişki özetlenmiştir. Yıldırım akımının uçaklar üzerindeki yıkıcı etkilerini azaltmaya yönelik yapılan simülasyon çalışmaları ile ilişkili olacak şekilde önerilere yer verilmiştir.

Abstract:
The electrostatic interaction of aircraft with the atmosphere basically depends on two main components, the aircraft and the atmosphere factor. Parameters such as the shapes, speeds, and electrical load holding capacities of the aircraft are the aircraft factor; Factors such as atmospheric temperatures, pressures and conductivity are considered as atmospheric factors. Each aircraft can be thought of as a capacity that can be electrically charged and discharged in various processes. The charge or discharge rate of the capacity can be defined as the electrostatic state of the aircraft.
Aircraft are electrostatically charged as a result of friction with electrically charged particles in the atmosphere while flight. These downloads are; It is examined in three main categories as triboelectric, engine exhaust and external loading. Triboelectric charge; It usually occurs after the contact of ice crystals, rain, sand and dusty particles with airplanes. Engine exhaust loading is the type of loading that occurs when electrically charged particles from the engines accumulate on the aircraft. Extrinsic loading is the accumulation of static electric charge on the aircraft while cruising in any electric field in the air or cloud. All these charges are called accumulating (precipitated) static electricity and must be discharged through aircraft in a controlled manner.
When static electricity charges are not discharged from the aircraft in a controlled manner, they are discharged from the protruding surfaces of the aircraft such as the wing and tail tips at high voltage levels. Static electric charges; corona discharges, arc formations and electrical flow over the planes are discharged in three ways.
In addition, static electric charges cause electrical disturbances by coupling on nearby antennas. Therefore, it builds up on the radio transceiver and positioning antennas, preventing the proper functioning of critical components for aircraft navigation systems.
Static discharge wicks provide a controlled discharge of static electricity charges from aircraft. In this way, static electricity charges accumulated in the aircraft fuselage are discharged into the air via static discharge wicks before they reach high voltage levels. 
Static discharge wicks are generally positioned on the trailing edges of the flaps, ailerons, vertical and horizontal stabilizers of the aircraft. There are two types of static discharge wicks: tip edge type used in areas such as winglet and trailing edge type used in trailing edges of control surfaces such as flaps and fins.
In the first part of this study; types, properties, usage areas and discharge methods of static discharge wicks were examined. Then, researches on the assembly methods of static discharge wicks, the parameters to be considered in assembly methods and the requirements that a static discharge rod must meet are included.
A sufficient number of static discharge wicks must be used in order to discharge the static electricity charge accumulated on the aircraft. Insufficient number of static discharge wicks used will cause the above-mentioned problems. For this reason, in the same section, a literature search was conducted to determine the number of static discharge wicks that should be used in aircraft. After the researches, the number of static discharge wicks that should be used for a sample aircraft (RV-10) was determined. The values found in the calculations are compared with previous studies for a similar aircraft.
In addition, when the static discharge wicks are mounted on the aircraft, it can be the entry or exit region of the lightning current, since it creates a protruding structure from the aircraft fuselage. For this reason, researches and analyzes related to lightning current are given in the second part.
Lightning current; it occurs in four types as cloud-cloud, cloud-ground, cloud-air and cloud-in-the-cloud. Due to the load imbalance between any two regions, very high levels of current flow between these two regions. The formation of the lightning current takes place in 5 stages: the leader, the upward streamer, the initial return stroke, the dart leader, and the subsequent return stroke.
Lightning current is divided into four, mainly A, B, C, D current models, according to its rate of change and amplitude. One of the low amplitude pulse current models (B, C) of these current models for a long time causes burns in the holes and gaps on the aircraft structure. The effects of short duration and high amplitude impulse current models (A, D) are divided into two as direct and indirect. The direct effects are the deterioration due to the mechanical damage caused by the lightning current to the airframe due to the temperature increase in the impact area. Indirect effects, on the other hand, are explained as the damage caused to electronic equipment in aircraft by electromagnetic fields caused by lightning that directly strikes the aircraft or occurs in close proximity to the aircraft. For this reason, investigations on the formation stages and current characteristics of lightning current were made.
When the impact areas of lightning current in aircraft are examined, the wing tips, horizontal stabilizers and radomes are seen as the highest risk areas. For this reason, the lightning current was modeled using Ansys Maxwell program and simulation studies for alternative paths (radome in-wing-out and radome in-tail-out) in which the lightning current can travel on the aircraft with reference to a sample aircraft has been made. During the simulation studies, it was aimed to observe the current densities and electric fields on the aircraft due to the lightning current.
In today's airplanes, the majority of their fuselage is made of composite, as it has advantages over aluminum in terms of both weight and durability. The electrical conductivity of the composite is lower than that of aluminum. For this reason, alternative applications are made in composite body aircraft for lightning strikes. 
Mesh is used to reduce the disruptive effects of lightning current in composite-bodied aircraft. Heat is released when lightning current passes over conductors. If the conductor cross-sectional area is large enough, this temperature increase caused by heat is not a problem. However, especially in conductors with small cross-sectional area, the temperature rising to high levels causes the conductor to melt. Thanks to the conductors placed in the composite like a mesh, the lightning current entering from any part of the aircraft can proceed on the aircraft fuselage in a controlled manner. In this context, the calculations of the parameters related to the wires in the network structure that should be used are specified in the same section.
In the last chapter, the relationship between static discharge wicks and lightning current is summarized, taking into account the studies carried out within the scope of the thesis. Suggestions are given in relation to the simulation studies carried out to reduce the destructive effects of lightning current on aircraft.