Sabit ve döner kanatlı insansız hava araçlarının aerodinamik iyileştirmeler ile otonom performans maksimizasyonu
Autonomous performance maximization of fixed and rotary wing unmanned aerial vehicle with aerodynamic improvements
Yazar: YÜKSEL ERASLAN
Danışman: PROF. DR. TUĞRUL OKTAY
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uçak Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Uçak Mühendisliği = Aeronautical Engineering

Özet:
Bu tez çalışması kapsamında günümüz insansız hava aracı sistemlerinin tasarımında büyük önem arz eden otonom uçuş performansının aerodinamik iyileştirmeler yardımıyla maksimizasyonu için hem sabit kanatlı hem de döner kanatlı araçlarda farklı inovatif tasarım fikirlerinin multidisipliner olarak değerlendirilmesi amaçlanmıştır. Bu çerçevede öncelikle döner kanatlı bir insansız hava aracı pervane geometrisi çapının küçültülmesi ve aerodinamik performansının artırılması hedefiyle kütlesi korunarak yeniden tasarlanmış, literatürdeki deneysel sonuçlarla karşılaştırmalı olarak BEMT ve HAD analizleri yürütülerek yeni tasarımın iyileştirilmiş performans sonuçları ortaya koyulmuştur. Sabit kanatlı insansız hava aracına dair çalışmada ise öncelikle hali hazırda var olan bir hava aracının ana kanat uç bölgesinde dihedral açısı ve koniklik oranı değişimi ile iki farklı başkalaşım senaryosu kurgulanmış ve uygulamaların uçuş dinamiğine etkileri aerodinamik, geometrik ve ataletsel açılardan sayısal ve analitik yöntemlerle değerlendirilmiştir. Sonrasında ise hava aracının başkalaşım senaryoları ile yeniden tasarım sürecinde yenilikçi eş zamanlı tasarım metodolojisi takip edilerek uçuş kontrol sistemi ve başkalaşabilen kanat tasarımları SPSA algoritması yardımıyla otonom uçuş performansı maksimizasyonu hedefiyle optimize edilmiştir. NLS ve k-NN makine öğrenimi algoritmaları ile de desteklenen süreç sonucunda ortaya koyulan optimum hava aracı tasarımları türbülans modeli entegre edilmiş uçuş simülasyonları ile test edilmiş ve hem boylamsal hem de yanal olarak hedeflenen yörünge takiplerini başarıyla gerçekleştirmiştir.

Abstract:
Within the scope of this thesis, it is aimed to evaluate various innovative design ideas in a multidisciplinary manner to maximize the autonomous flight performance that is of great importance in the designs of today's both fixed and rotary wing unmanned aerial vehicle systems via aerodynamic improvements. In that context, firstly a rotary wing unmanned aerial vehicle propeller is redesigned with the aim of obtaining a decrement in diameter and increment in aerodynamic performance while the mass is conserved. The improved performance results obtained from BEMT and computational fluid dynamics analyses of the new design are presented in comparison with experimental results. On the other hand, in the section of fixed-wing unmanned aerial vehicle, two innovative morphing scenarios are planned on a fixed-wing unmanned aerial vehicle, which are morphing wingtip in terms of dihedral angle and morphing wingtip in terms of taper ratio. The aerodynamical, geometrical, and inertial effects on longitudinal and lateral aircraft flight dynamics are investigated by proper numerical and analytical methods. The redesign process of the vehicle with morphing scenarios was conducted with the modern simultaneous design methodology, in which the flight control system and the aerial vehicle designs were simultaneously designed and optimized via the SPSA algorithm to maximize autonomous flight performance. In conclusion of the process in assistance with NLS and k-NN machine learning algorithms, obtained optimum unmanned aerial vehicle designs were tested with flight simulations integrated with a turbulence model and found to be performed satisfactory longitudinal and lateral trajectory tracking performances.