Kişisel hava araçları için düşey kalkış-iniş sisteminin dinamik modellemesi ve analizi
Dynamic modelling and analysis of a vertical take off-landing system for personal aerial vehicles
Yazar: SALTUK ALPER YAŞAR
Danışman: PROF. DR. İHSAN KORKUT
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Ulaşım, artan nüfus yoğunluğu sebebiyle günümüzün modern problemlerinden birisi haline gelmiştir. Ulaşımda yaşanan problemler, insanların yaşam kalitesinin düşmesine neden olmaktadır. Son yıllarda ulaşım konusu, diğer ülkelerde olduğu gibi ülkemizde de ciddi bir sorun haline gelmiştir. Mevcut ulaşım yöntemlerine alternatif olacak çözümler aranmaktadır. Bu çalışmada, hem karada hem de havada ulaşım imkanı sunabilecek bir konsept kişisel hava aracı tasarlanmıştır. Ayrıca, düşey kalkış-iniş sisteminde kullanılabilecek bir itki elemanına ait pervane analizleri gerçekleştirilmiştir. İtki elemanı olarak kanallı pervane tercih edilmiştir. Pervane tasarım parametreleri olarak devir sayısı, hücum açısı ve kanat sayısı kullanılmıştır. Tasarlanan kanallı pervanelerin analizinden elde edilen itki kuvveti ve tork değerleri incelenmiş ve parametrelerin etkileri araştırılmıştır. Yapılan analizler sonucunda, parametrelerin değişimi ile elde edilen itki kuvvetlerinde %217,93'lük bir fark bulunduğu ve itki kuvveti için en etkili parametrenin devir sayısı olduğu tespit edilmiştir. Parametrelerin değişimi ile elde edilen tork değerlerinde ise %495,88'lik bir fark oluştuğu ve tork değeri için en etkili parametrenin hücum açısı olduğu tespit edilmiştir. Buna ek olarak, eş zamanlı olarak çalışan dört adet döner-prizmatik-döner (revolute-prismatic-revolute – RPR) uzva sahip düşey kalkış-iniş sisteminin kinematik ve dinamik analizleri gerçekleştirilmiştir. Kinematik analiz sonucunda sistemin hedeflenen çalışma alanında kararlı olduğu belirlenmiştir. Kinematik analizden elde edilen sonuçlar kullanılarak, Newton-Euler iteratif metoduna göre dinamik analiz gerçekleştirilmiştir. Ardından sistem Matlab Simulink ortamında modellenmiştir. Kinematik ve dinamik analizlerden elde edilen sonuçlar ve oluşturulan yörünge denklemleri aracılığıyla sistemin kara aracından hava aracına dönüşümü simüle edilmiştir. Simülasyon sunucunda oluşturulan sistem modeli başarılı olarak kontrol edilmiştir. Bu çalışmanın gelecekte bu alanda yapılacak olan çalışmalara öncü olması amaçlanmıştır.

Abstract:
Transportation has become one of today's modern problems due to increasing population density. Problems in transportation cause a decrease in the quality of life of people. In recent years, transportation has become a serious problem in our country as in other countries. Solutions that will be alternative to existing transportation methods are being sought. In this study, a conceptual personal air vehicle that can provide both ground and air transportation is designed. In addition, propeller analysis of a propulsion element that can be used in a vertical take-off and landing system has been carried out. A ducted propeller was preferred as the propulsion element. Speed, angle of attack and number of blades were used as propeller design parameters. The thrust force and torque values obtained from the analysis of the designed ducted propellers were analyzed and the effects of the parameters were investigated. As a result of the analysis, it was found that there was a 217.93% difference in the thrust obtained by varying the parameters and the most effective parameter for thrust was the number of revolutions. It was determined that there was a 495.88% difference in the torque values obtained by changing the parameters and that the most effective parameter for the torque value was the angle of attack. In addition, kinematic and dynamic analyses of the vertical take-off and landing system with four revolute-prismatic-revolute (RPR) robot arms operating simultaneously were performed. As a result of the kinematic analysis, it was determined that the system is stable in the targeted working area. Using the results obtained from the kinematic analysis, dynamic analysis was performed according to the Newton-Euler iterative method. The system was then modeled in Matlab Simulink environment. The results obtained from the kinematic and dynamic analyses and the trajectory equations were used to simulate the transformation of the system from land vehicle to aircraft. The system model created in the simulation was successfully controlled. This study is intended to pioneer future studies in this field.