KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ

MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ

MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

ÇALIŞMANIN ADI

Güneş Enerji Sistemli İnsansız Hava Aracı Tasarımı

Adı SOYADI

SERKAN GÜRLER

ATİLLA KABAK

M. AKİF UÇ

FURKAN YILDIZ

Danışmanı: Doç. Dr. Mustafa SARIOĞLU

Dr. Öğr. Üyesi Cevdet DEMİRTAŞ

Bölüm Başkanı: Prof. Dr. Burhan ÇUHADAROĞLU

ARALIK, 2019

TRABZON

I

Önsöz

Bu bitirme çalışmasında güneş enerjili insansız hava araçlarının tarihi süreci, amacı,

avantajları, çalışma prensipleri, aerodinamik yapısı incelenerek XFLR5 programında bir

insansız hava aracı tasarlanıp hakkında bilgi edinilmiştir.

Bu projenin yapım aşamasında bize yol gösteren değerli hocalarımız Dr. Öğr. Üyesi

Cevdet DEMİRTAŞ ve Doç.Dr. Mustafa Sarıoğlu’na çok teşekkür ederiz.

II

ÖZET

GÜNEŞ ENERJİ SİSTEMLİ İHA TASARIMI

Günümüzde helikopter, savaş uçağı, balon, planör olarak üretilebilen insansız hava araçları

çok kullanılan ve tercih edilen araçlar haline gelmiştir. Bu çalışmada Trabzon şartlarında

gündüz uzun süreli uçuş yapabilecek yaklaşık 1 metre kanat açıklığına sahip bir güneş enerjili

insansız hava aracı tasarımı yapılacaktır. Bu İHA uzun süreli uçuş için güneş hücrelerinden

yararlanacak, itiş kuvvetini elektrik motorundan sağlayacak ve enerjisini de bir bataryada

biriktirecektir.

Proje, elektrik motoru ve güneş hücrelerine sahip olan bir İHA tasarımı olduğundan,

klasik uçak tasarım metodolojilerinden yararlanılamamıştır. Bu yüzden İHA’nın kanat

tasarımından yola çıkılarak, İHA’nın basit bir şekilde imalat edilebilmesini de sağlayan özgün

bir tasarım tercih edilmiştir ve uçağın geri kalanı, uçağın kanadı temel alınarak tasarlanmıştır.

Tasarım sürecinde SolidWorks ve XFLR5 programları kullanılmış ve günümüzün yeni

teknolojilerinden olan 3 boyutlu yazıcı kullanılarak kanat iskeletinin üretilip üretilemeyeceği

test edilmiştir.

Anahtar Sözcükler: Güneş Enerjili İHA, Güneş Pili,

III

SUMMARY

SOLAR UAV DESIGN

Today, unmanned aerial vehicles that can be produced as helicopters, warplanes, balloons

and gliders has become widely used and preferred tools. In this study, unmanned aerial

vehicle design will be made which can perform long-term flight (approximately 1-meter

wingspan) in the condition of Trabzon. This UAV will utilize solar cells for long-term flight

and make used of the impulse from the electric motor and the energy which is gained from

Sun will be accumulated in a battery.

The project is design of UAV which has electric motor and solar cells, because of this,

classical aircraft design methodologies could not be utilized. That's why based on the wing

design of UAV, a unique design was also preferred, allowing the UAV to be manufactured in

a simple manner and the rest of the aircraft was designed based on the wing of the aircraft.

During the design process, SolidWorks and XFLR5 programs were used and whether the

wing frame could be produced by using the 3D printer, which is one of the new technologies

of today, was tested.

Keywords: Solar powered UAV, solar battery

IV

İÇİNDEKİLER

Sayfa No

ÖZET………………………………………………………………………………...............II

SUMMARY…………………………………………………………………………………III

ŞEKİLLER DİZİNİ………………………………………………………………….............VI

TABLOLAR DİZİNİ………………………………………………………………………..VII

RESİMLER DİZİNİ…………………………………………………………………………VII

GRAFİKLER DİZİNİ………………………………………………………………………………………………………………..VIII

1. AMAÇ ve KAPSAM………………………………………………………………………1

1.1 Giriş……………………………………………………………………………………….1

1.2 Literatür Taraması………………………………………………………………………...2

1.2.1 Türkiye’nin İHA Süreci……………………………………………………………4

1.2.2 Güneş Enerjili Uçuşlarda İlkler…………………………………………………….7

1.3 Kısıtlar ve Koşullar………………………………………………………………………..9

1.3.1 Temel Kavramlar…………………………………………………………...............9

1.3.2 Güneş Pilleri……………………………………………………………………….11

1.3.3 Bataryalar…………………………………………………………………………..12

1.3.4 MPPT ....................................................................................................................... 13

1.3.5 Elektrik Motoru ........................................................................................................ 14

1.3.6 Pervane ..................................................................................................................... 15

1.4 Karşılayabileceği Gereksinimler ........................................................................................ 15

2. HAFTALIK ÇALIŞMA PROGRAMI…………………………………………………….16

3. MÜHENDİSLİK HESAP VE ANALİZLERİ……………………………………………..17

3.1 Yapılan Hesaplamalar......................................................................................................... 17

3.1.1 Uçağa etki eden temel kuvvetler .............................................................................. 17

3.1.2 Uçak Kanatlarının Tipik Geometrisi ........................................................................ 17

3.1.3 Kanat Profili ............................................................................................................. 18

3.1.4 Taşımanın Oluşumu ................................................................................................. 22

3.1.5 Taşıma Katsayısı ...................................................................................................... 23

3.1.6 Açıklık oranının etkisi, İki boyutlu kanat................................................................. 27

3.1.7 Sürükleme Kuvveti ................................................................................................... 29

3.1.8 – Akım ayrılması, tutunma kaybı ............................................................................. 30

3.2 Yapılan Tasarım Çalışmaları .............................................................................................. 33

V

4. ÇEVRESEL ETKİ DEĞERLENDİRMESİ .................................................................... 40

5. MALİYET HESABI ........................................................................................................ 42

6. SONUÇLAR .................................................................................................................... 43

7. KAYNAKLAR ................................................................................................................ 44

VI

ŞEKİLLER DİZİNİ

Şekil 1: Uçağa etkiyen kuvvetler .............................................................................................. 10

Şekil 2: Güneş Enerjili İHA için Elektrik Sistemi .................................................................... 11

Şekil 3: Güneş Pili Çalışma Prensibi ........................................................................................ 12

Şekil 4: MPPT Volt Akım Grafiği ........................................................................................... 13

Şekil 5: MPPT Blok Diyagramı ............................................................................................... 14

Şekil 6: Uçaktaki Kuvvetler .................................................................................................... 17

Şekil 7 Veter Uzunluğu ............................................................................................................ 17

Şekil 8: Kanat açıklığı-Veter uzunluğu .................................................................................... 18

Şekil 9 Kanat profili ................................................................................................................. 19

Şekil 10: Profildeki Kalınlık ..................................................................................................... 19

Şekil 11: Kamburluk ................................................................................................................. 20

Şekil 12: Ses altı ve Ses üstü Kanat .......................................................................................... 20

Şekil 13: Bazı Kanat Profilleri.................................................................................................. 21

Şekil 14: Taşıma Kuvvetleri ..................................................................................................... 22

Şekil 15:Kanat Basınç Dağılımı ............................................................................................... 23

Şekil 16: Atak Açışı .................................................................................................................. 23

Şekil 17: L kuvveti ................................................................................................................... 26

Şekil 18: Kesite Gelen Basınç .................................................................................................. 27

Şekil 19: Kesitteki V hızı ......................................................................................................... 27

Şekil 20: Açıklık oranı-V ......................................................................................................... 28

file:///C:/Users/Serkan%20Gürler/Desktop/Bölüm%205-%20Uçuşun%20Esasları.doc%23_Toc28138095file:///C:/Users/Serkan%20Gürler/Desktop/Bölüm%205-%20Uçuşun%20Esasları.doc%23_Toc28138096

VII

Şekil 21: V-D Kuvvetleri .......................................................................................................... 29

Şekil 22: Firar kanadında değişen değerler .............................................................................. 32

TABLOLAR DİZİNİ

Tablo 1: Haftalık Çalışma Programı ......................................................................................... 16

RESİMLER DİZİNİ

Resim 1 MQ-1 Predator .............................................................................................................. 2

Resim 2 NASA İHA ................................................................................................................... 3

Resim 3 Silahlı İHA ANKA ....................................................................................................... 4

Resim 4: Yerli İHA Karayel ....................................................................................................... 5

Resim 5: Amazonun kargo teslimatı için kullandığı Hexacopter ............................................... 6

Resim 6: Google Tarafından Satın Alınan Titan Aerospace Firmasının Tasarımı..................... 6

Resim 7: Fred Militky ve Hi-Fly ................................................................................................ 7

Resim 8: Solar Impulse 1 ........................................................................................................... 8

Resim 9: Sky-Sailor .................................................................................................................... 9

Resim 10: Lityum-İon Batarya Örneği ..................................................................................... 13

Resim 11: Fırçasız DC Motor Örneği ...................................................................................... 15

Resim 12: İHA tasarımı ön görünüşü ve değerleri ................................................................... 37

Resim 13: : İHA tasarımı üst görünüşü ve değerleri ................................................................ 38

VIII

Resim 14: İHA tasarımı perspektif görünüşü ve değerleri ....................................................... 38

Resim 15: İHA elektronik devresi tasarımı .............................................................................. 39

GRAFİKLER DİZİNİ

Grafik 1:CL-a değişimi ............................................................................................................. 25

Grafik 2 CL-a Değişimi ............................................................................................................. 28

Grafik 3: CD-a değişimi ............................................................................................................ 30

Grafik 4: CL-a Değişimi............................................................................................................ 30

Grafik 5: CL-a Değişimi .......................................................................................................... 31

Grafik 6: CL-a Değişimi ........................................................................................................... 32

Grafik 7: Her iki kanat profili için gerekli grafikler ................................................................. 33

Grafik 8: Hücum açısı (α=0 için)-Cp değişimi ......................................................................... 34

Grafik 9: Hücum açısı (α= -6 için)-CP değişimi ...................................................................... 34

Grafik 10: Hücum açısı (α= 10 için)-CP değişimi ................................................................... 35

Grafik 11: Hücum açısı (α= 10 için) ve diğer indislerin değişimi ............................................ 35

Grafik 12: CL, CD, Cm ve diğer indislerin Re (Reynold sayısı) değişimi............................ 36

Grafik 13: : Sürtünme kuvvetinin kanat ve kuyruklara etkisi .................................................. 36

Grafik 14: Kanat ve kuyruk kısmında oluşan akış çizgileri ..................................................... 37

1

1. AMAÇ ve KAPSAM

1.1 Giriş

Hava akımı ve tahrik kuvvetlerinden faydalanarak uçabilen, otonom uçuş kabiliyetine

sahip, yük veya silah taşıyabilen araç olarak ifade edebiliriz. Boyut olarak baktığınızda avuç

içi kadar olan modellerden tonlarca ağırlığa sahip araçlara kadar geniş bir yelpazede İHA tipi

bulunmaktadır.

İnsansız hava aracı (İHA), genel olarak bilinen adıyla drone (Türkçesi yerden kumandalı

hava aracı–drone diye okunur) uzaktan kumanda edilen bir tür uçaktır. İHA’lar iki sınıfa

ayrılır: İlki uzaktan kumanda edilerek uçan diğeri ise kendiliğinden belli bir uçuş planı

üzerinden otomatik olarak hareket edebilen uçaklardır. Keşif amaçlı üretilen İHA’lar

günümüzde birçok saldırı görevinde de kullanılmaktadır. Militanlara karşı birçok başarılı

saldırı gerçekleştiren bu hava araçları çoğu zaman sivil hedefleri de vurarak insan ölümlerine

neden olmaktadır. İHA’lar bunun yanında son zamanlarda yangın söndürme amaçlı olarak da

kullanılmaktadır. Bu araçlar genellikle normal savaş uçakları için zor, kirli ve tehlikeli

görevlerde kullanılır.

Türkiye’nin gözde savunma sanayi kuruluşlarından TUSAŞ (TAI) Anka’sı gibi tüm

dünyada birçok şirket İHA’lar tasarlamakta ve üretmektedir. 15 Mayıs 1984 günü kurulan

TUSAŞ sahip olduğu üretim kabiliyetlerivle deneyimli personeli sayesinde kendi sınıfında

dünyanın en iyisi olması hedeflenen Anka'yı geliştirmeye devam etmektedir. Genel olarak

büyük uçak şirketleri ile karşılaştırıldığında Türkiye’nin ve TUSAŞ’ın havacılık konusunda

henüz genç sınıfında bulunduğu söylenebilir. Genç bir kuruluş olmasına rağmen TUSAŞ

sınıfının en iyisi olabilecek bir İHA geliştirmektedir. Bu durum Türkiye’nin güncel

teknolojilere uyum sağlayarak söz sahibi olabilecek bir ülke haline geldiğini göstermektedir

Günümüzde çok farklı şekil, ebat, konfigürasyon ve karakterde araçlar üretilmektedir.

Tarihsel olarak bakıldığında basitçe İHA’lar birer drone dur. Ancak bağımsız kumanda

sistemleri çok geliştirilmiştir. Bu maddenin amacı İHA’lar ile güdümlü füzelerin farklarını

ortaya çıkartmaktır. Öncelikle İHA’lar tekrar kullanılabilir. Mürettebatsız olarak kontrol

edilerek durmadan belli bir irtifada uçabilir. Ayrıca bu araçlar jet motoru veya iki zamanlı

motor yardımıyla uçar. Bunun yanında seyir füzeleri her ne kadar insansız ve uzaktan

kumanda ile yönetiliyor olsalar bile İHA olarak sınıflandırılmazlar.

2

Resim 1 MQ-1 Predator

1.2 Literatür Taraması

Uzaktan kumanda edilebilen veya bir uçuş planı boyunca otomatik olarak hareket eden

hava aracı İHA, birçok alanda aktif olarak kullanılmaya başlandı. Türkiye ise bu İHA’ları

üreten 8 ülke arasında yer alıyor. İlk olarak 1982 yılında İsrail tarafından kullanılan İHA’lar

daha sonra ABD tarafından Hunter ve Pioneer programları ile kullanıma sokulmaya başlandı.

Sonrasında teknolojinin gelişmesi havada en güvenilir şekilde kalabilen İnsansız Hava

Araçları’nın kullanım alanlarını da artırdı.

İnsansız Hava Araçları’nın (İHA) kullanım alanları

1- Gözetleme

2- Keşif

3- İmha gibi askeri amaçlar

4- Taşımacılık (Genişleyen sivil alanlar dahil.)

5- Zirai İlaçlama

6- Kamera Çekimi

7- Yangın Söndürme

Silahlı İHA'lar dünyada çok az ülke tarafından geliştirilebiliyor. Öyle ki büyük bir savaş

avantajı olarak görülen İHA’lar çeşitli füze ve kamera eklentileriyle çok daha güçlü bir silah

haline getirilebiliyor. İHA’lar hedef tespiti yanında taşıdığı füze ve diğer silahlarla tespit

edilen hedeflere saldırı gerçekleştirebiliyor.

3

Resim 2 NASA İHA

Ordu envanterlerinde kesin olması gereken İHA'lar devletler için büyük önem

taşımaktadır. Bugün silahlı insansız hava aracı kullanan ülke sayısı ise 30 olarak kayıtlarda

bulunuyor.

Silahlı İnsansız Hava Aracı Geliştiren Ülkeler;

ABD: MQ – 1 Predator / MQ – 9 Reaper / X-47A

İsrail: Eitan / Hermes 900

Çin: Pterodactyl – 1 / AVIC 601 – S

İran: Karrar

İtalya: Es Falco

Hindistan: Rustom 2

Pakistan: Burraq

Türkiye: BAYRAKTAR / ANKA

Not: Geliştirme sürecinde SİHA’sı bulunan ülkeler dahil değildir.

4

Resim 3 Silahlı İHA ANKA

1.2.1 Türkiye’nin İHA Süreci

Türkiye’nin İHA geliştirme süreci ilk olarak 2004 yılında SSM ve TUSAŞ arasında

imzalanan sözleşme ile başladı. Sonrasında büyük bir gelişme olarak 2009 yılında Bayraktar

Blok A, ilk otomatik uçuş testini başarıyla tamamladı. Anka ise ilk test uçuşunu 2010 yılında

10 dakika havada kalarak gerçekleştirdi. Silahlı Bayraktar Taktik İHA da ilk başarılı atış

testini 2015 yılında yaptı. Türkiye’deki İHA sürecini en güçlü haline getiren gelişme ise 2016

yılında Bayraktar’ın silahlı İHA olarak hizmete girmesi oldu.

5

Resim 4: Yerli İHA Karayel

Türkiye’nin Yerli Üretim İnsansız Hava Araçları

1- Anka

2- Bayraktar

3- Karayel

4- Turna

5- Şimşek

Silahlı İnsansız Hava Araçları

1- Anka

2- Bayraktar18

Son yıllarda geliştirilen İHA’lar gözlemlendiğinde otonom uçuş ve uzun süre havada

kalma amacıyla birçok sivil amaçlı tasarım ve üretim yapıldığı tespit edilmektedir. Amazon,

Google, Facebook, ABB gibi günümüz dünyasının büyük şirketleri güneş enerjili (solar)

İHA’lar üzerine çalışan küçük şirketleri kendi bünyelerine katarak ve büyük bütçeler ayırarak

bu teknolojinin takipçisi ve söz sahibi olmaya çalıştıkları ya da bu konular üzerine Ar-Ge

çalışmalarında bulunan kuruluşlara büyük bağışlar yaparak sponsor oldukları

gözlemlenmektedir. Bu durumu ileriki on yıllarda solar insansız hava araçlarının dünyada

ciddi kullanım alanına sahip olabileceği ihtimalini ortaya koymaktadır.

6

Resim 5: Amazonun kargo teslimatı için kullandığı Hexacopter

Resim 6: Google Tarafından Satın Alınan Titan Aerospace Firmasının Tasarımı

Türkiye’nin güncel teknolojilerde öne çıkarak söz sahibi olabileceği potansiyeli ve

günümüzde piyasanın sivil amaçlı solar İHA’lara duyduğu ihtiyaç göz

önünde bulundurularak bu çalışmada güneş ışımasının yoğun olduğu saatlerde uzun süreli

uçuş sağlayabilecek mümkün olduğunca basit ve küçük bir solar İHA tasarlanacaktır.

7

1.2.2 Güneş Enerjili Uçuşlarda İlkler

30 Haziran 1957 de, İngiliz Albayı H. J. Taplin ilk resmi elektrik ile çalışan radyo

kontrollü uçuşu modeli “Radio Queen” ile gerçekleştirmiştir. Bu model sabit mıknatıslı bir

motora ve gümüş-çinko bataryaya sahipti. Ancak albay bu başarısını devam ettiremedi ve bir

Alman öncüsü olan Fred Militky Ekim 1957’de kontrolsüz bir model ile başarılı bir uçuş

gerçekleştirdi. Taplin ve Militky’nin deneyimlerinden 3 yıl önce ilk güneş pili Bell Telefon

Laboratuvarlarında üretildi. İlk olarak 4% verime sahip olan güneş pilleri kısa sürede

geliştirilerek 11% verime yükseltildi.

Resim 7: Fred Militky ve Hi-Fly

Solar Impulse projesi, dünya genelinde temiz enerji kaynakları hakkında farkındalık

yaratmak için gerçekleştirilmiş olan ve tamamen güneş enerjisiyle çalışan bir uçak üretmeyi

8

amaçlayan bir projedir. Proje İsviçreli iş adamı Andre Borschberg ile Bertrand Piccard

tarafından.

Solar Impulse projesi kapsamında üretilecek olan uçak ile hiç fosil yakıt kullanılmadan

dünya turu yapılması amaçlanmıştır. Bunun için ilk aşamada, hiç fosil yakıt kullanmadan

sadece güneş enerjisi ile uçabilecek olan bir uçak üretimine başlanılmış ve Solar Impulse 1

adı verilen projenin ilk uçağı üretilmiştir. Solar Impulse 1 uçağı, bir kişi (pilot) taşıyabilecek

şekilde tasarlanmıştır. Uçak kanatlarında yer alan güneş enerjisi panelleri ile enerjisini elde

ettiği için, daha fazla panel taşıyabilmek adına oldukça geniş bir kanat açıklığına sahiptir.

Uçağın kanat açıklığı 63,4 metredir. Saatte 70 kilometre hızla hareket edebilen Solar Impulse

1 uçağı 3 Aralık 2009 tarihinde ilk test uçuşunu gerçekleştirmiştir. Test uçuş sürecinin başarı

ile tamamlanmasının ardından uçak 8 Temmuz 2010 tarihinde 26 saatlik süre boyunca havada

sadece güneş enerjisi kullanarak uçmayı başarmış ve bu anlamda tarihte ilk olmayı

başarmıştır.

Resim 8: Solar Impulse 1

20-21 Haziran 2008’de Niederwil İsviçre’de genel doktora tezi çalışması olarak solar uçak

tasarım metodolojisi oluşturan Andre Noth’un modeli Sky-Sailor yaklaşık 27 saatlik uçuşu

güneş pillerinden ve termal rüzgarlardan yararlanarak gerçekleştirmiştir.

9

Resim 9: Sky-Sailor

Bu çalışma için tasarım hedefleri aşağıdaki gibidir:

Uçuş sırasında ihtiyaç duyulan enerji güneş hücrelerinden karşılanmalı

İniş takımı bulunmamalı

Mümkün olan en düşük ağırlığa sahip olmalı

Tasarımın ana amacı güneş enerjisi ile uçuş olduğundan tüm parametreler bu yönde seçilmeli.

Uzun süreli uçuş için tasarlanacak insansız hava araçlarında (İHA) enerji güneş

hücrelerinden sağlanacaksa söz konusu güneş hücrelerinden elde edilen güç uçağın ihtiyaç

duyduğu güce eşit ya da büyük olmalıdır. Diğer hallerde uçağın bataryalarındaki depolu enerji

gittikçe azalacak ve uzun süreli uçuşa yetmesi için oldukça büyük bataryalar kullanılması

gerekecektir. Bu da tasarımı zorlaştıracak ve uçağın boyutlarının çok büyük olmasına yol

açacaktır.

Bu projede uzun süreli uçuşu sağlayacak mümkün olduğunca küçük bir uçak yapılmak

üzere tasarım yapılacaktır. Bu tasarım için kullanılacak elektronik ekipmanlar piyasada

bulunanlardan seçilecektir. Bu parçalar tasarım için en büyük kısıtlardan birini

oluşturmaktadır. Tasarlanacak uçak güneş enerjisi ile çalışacağından mümkün olan en verimli

ekipmanlar seçilecek ve aerodinamik tasarım da verim üzerine kurulu olacaktır.

1.3 Kısıtlar ve Koşullar

1.3.1 Temel Kavramlar

Bir uçağı etkileyen kuvvetler aşağıdaki gibidir:

10

Şekil 1: Uçağa etkiyen kuvvetler

Bu tasarımda sabit irtifada sabit hızlı uçuş yapılacağından kaldırma(taşıma) kuvveti

teorik olarak ağırlığa eşit olmalıdır. Sabit hızlı uçuş için de itki (çekme) kuvveti sürükleme

kuvvetine eşit olmalıdır.

(Kaldırma Kuvveti)

(Sürükleme Kuvveti)

Fl = kaldırma kuvveti

FD = sürükleme kuvveti

cL = kaldırma kuvveti sabiti

ρ = havanın yoğunluğu

S = kanat alanı

V = havanın hızı (uçağa göre)

cD = sürükleme kuvveti sabiti

Kaldırma ve sürükleme kuvvetleri büyük oranda kanat profiline, hücum açısına ve

Reynold sayısına bağlıdır.

Re= =

Re: Reynold sayısı

c: Kanat Genişliği

: Kinematik viskozite

: Dinamik viskozite

11

Güneş enerjili İHA nın elektrik sistemi aşağı gösterilmiştir.

Şekil 2: Güneş Enerjili İHA için Elektrik Sistemi

Güneş enerjisinden elektrik üretiminde ilk akla gelen, güneş ışınlarını elektrik haline

çeviren güneş pilleri yani fotovoltaik hücrelerdir. Fotovoltaik kelimesi, güneş ışığını oluşturan

parçacıklar yani fotonlar sözcüğü ile elektrik voltajı olan volt kelimesinden gelir. Paneller

güneşten aldıkları gücü verimleri ile doğru orantılı olacak şekilde doğru akıma çevirerek

MPPT ye gönderirler. MPPT’lerin devrede ki işlevi güneş pillerinden gelen gücün akım ve

voltajını bataryaları en iyi şekilde şarj edecek değerlere getirip bataryaya yollamaları olarak

açıklanabilir. Güneş enerjili İHA’lar da batarya olarak genelde lityum-ion piller

kullanılmaktadır.

1.3.2 Güneş Pilleri

Yarı iletken bir diyot olarak çalışan bir güneş hücresi, güneş ışığının taşıdığı enerjiyi iç

fotoelektrik reaksiyondan faydalanarak doğrudan elektrik enerjisine dönüştürür.

19.yüzyılın başlarında güneş pillerinin buluşunu yaklaştıran ilk gelişmeler sağlandı. A.

Edmond Becquerel 1839 yılında platin tabakalar üzerinde yaptığı çalışmayla fotovoltaik

etkiyi buldu. 1884 yılında Charles Fritts ilk güneş pili hücresini geliştirmesiyle güneş pili

teknolojisine doğru büyük bir adım atılmış oldu. 1954 yılında ise Bell Laboratuvarlarındaki

bilim adamları tarafından iyon yüklü silisyum (diğer bilinen adıyla silikon) ile güneş pilleri

oluşturularak bugünkü güneş pili teknolojisini belirlediler.

Güneş ışığı foton adı verilen küçük enerji paketlerinden oluşur. Her dakika güneşten gelen

fotonlar dünyanın bir yıllık enerji tüketimine yetecek kadar enerjiyi dünyamıza

https://www.teknoraysolar.com.tr/fotovoltaik-moduller/http://www.elektrikport.com/haber-roportaj/elektrik-devre-elemanlari-diyot-1-elektrikport-akademi/6825http://www.elektrikport.com/teknik-kutuphane/organik-gunes-pilleri/8810http://www.elektrikport.com/haber-roportaj/tek-sarjla-1-hafta-silikon-superkapasitor/10128#ad-image-0

12

ulaştırırlar. Güneşten gelen bu enerjiyi kullanarak elektrik üretme amacı ile güneş panelleri,

başka bir deyişle fotovoltaik paneller kullanılır.

Şekil 3: Güneş Pili Çalışma Prensibi

Güneş pillerinin birçok çeşidi mevcuttur ancak bu çalışmada yüksek verimli, hafif ve tek

yönlü bükülebilir olması nedeniyle mono-kristal silikon güneş hücreleri kullanılacaktır.

1.3.3 Bataryalar

Güneş pillerinden gelen düz akımı herhangi bir ara eleman kullanmadan

depolamak amacıyla elektrokimyasal batarya kullanılacaktır. Elektrokimyasal

bataryalar içerisinde yüksek verimi, hızlı dolup boşalabilmesi ve yüksek enerji yoğunluğu

nedeniyle lityum-ion bataryalar kullanılacaktır.

http://www.elektrikport.com/teknik-kutuphane/gunes-enerjisi-elektrik-uretim-sisteminin-tasarlan--/4315

13

Resim 10: Lityum-İon Batarya Örneği

1.3.4 MPPT

MPPT kelimesinin Türkçe karşılığı 'Maksimum Güç Noktası Takipçisidir’. Adından da

anlaşılacağı gibi belirli periyotlarda elde edilen gücün peak yaptığı değeri yani tepe değerini

takip ederek yüke yollanmasını sağlar. MPPT'ler için bir bakıma alternatif enerji

sistemlerinin kesişim noktası diyebiliriz. Tüm sistemlerde elde edilen enerjiden maksimum

seviyede yararlanmak, bu elektronik cihazlar sayesinde mümkün hale gelmiştir. Rüzgâr

türbinlerinde ve solar sistemlerde kullanılan farklı MPPT çeşitleri mevcuttur.

Şekil 4: MPPT Volt Akım Grafiği

http://www.elektrikport.com/teknik-kutuphane/ruzgar-turbinleri-neden-3-kanatlidir/11802#ad-image-0http://www.elektrikport.com/teknik-kutuphane/ruzgar-turbinleri-neden-3-kanatlidir/11802#ad-image-0http://www.elektrikport.com/sektor-rehberi/tescom-solar-sulama-sistemi/15401#ad-image-0

14

MPPT'ler, enerjinin elde edildiği fotovoltaik piller ile enerji depo birimi arasına

yerleştirilen DC-DC dönüştürücülerdir. Fakat bu dönüşüm tek bir aşamada meydana gelen bir

olay değildir. Önce fotovoltaik hücrelerden alınan DC gerilim AC'ye çevrilir. Ondan sonra o

anki sistem güç ihtiyacına göre farklı gerilim ve akım değerleri tekrar DC'ye dönüştürülür.

Buradaki temel amaç fotovoltaik pilden, yüke (sisteme) maksimum gücün iletilmesini

sağlamaktır.

Şekil 5: MPPT Blok Diyagramı

1.3.5 Elektrik Motoru

Elektrik motoru, elektrik enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren aygıta verilen

isimdir. Her elektrik motoru biri sabit (stator) ve diğeri kendi çevresinde dönen (rotor) iki ana

parçadan meydana gelmektedir. Bu ana parçalar, elektrik akımını ileten parçalar (sargılar

gibi), manyetik akıyı ileten parçalar ve konstrüksiyon parçaları (vidalar ve yataklar gibi) vs.

farklı parçalardan meydana gelmektedir.

Fırçalı DC Motorlar: En temel çeşit DC motor tipidir. Redüktör ile beraber veya

redüktörsüz şekilde birçok projede kullanılırlar. Avantajları kolay bir şekilde sürülebilmeleri,

dezavantajları ise fırça ya da kömür ismi verilen aşınan parçalarının periyodik olarak

değiştirilmesi gerekliliğidir.

Fırçasız DC Motorlar: Fırçalı DC motorların yerini almaları için tasarlanmıştır.

Çalışmaları için ESC ismi verilen özel sürücü devreleri kullanılır. Avantajları, sürtünmenin en

az düzeyde olması sayesinde verimliliklerinin çok yüksek olması ve fırça gibi aşınan parça

http://www.elektrikport.com/teknik-kutuphane/fotovoltaik-sistemlerde-kullanilan-invertorler-(eviriciler)/11457#ad-image-0http://gucaktarim.com/elektrik_motorlari/http://gucaktarim.com/elektrik_motorlari/https://www.robotistan.com/fircasiz-motor

15

olmaması sayesinde yüksek performans ihtiyaç duyulan uygulamalarda kullanılır.

Dezavantajları ise sürücü ile sürülmek zorunda olmasıdır.

Bu çalışmada kullanılacak elektrik motorunun hafif, yüksek verimli olması ve düz akımla

çalışması gerekmektedir. Genelde insansız hava araçlarında da kullanılan fırçasız DC motor

bu çalışmada tercih edilecektir.

Resim 11: Fırçasız DC Motor Örneği

1.3.6 Pervane

Mil gibi eksene dikey olarak bağlanmış iki, ya da daha çok kanattan oluşan, döndüğünde

içinde bulunduğu hava su gibi akışkanı açılı kanatlarıyla ittirmeye yarayan alettir. Uçak

pervanesi ise normal şartlara göre daha hızlı dönerek daha fazla havayı ittirir ve bağlı

bulunduğu hava aracını hareket ettirir.

Pervane yarıçapı nedeniyle pal ucunun dönüş düzleminde kat ettiği mesafe göbeğe göre

daha fazla olacağından, pal ucunun açısal hızı, abağa yakın kısımlarda ki açısal hızla aynı

olmasına rağmen birim zamanda kat ettiği mesafe (hızı) daha fazladır.

1.4 Karşılayabileceği Gereksinimler

Bir İHA’nın havada uçabilmesi için belirli bir kanat profili ve bu profilin hücum açışı

belirlenir. Daha sonra İHA’dan beklenen belirli bir uçuş süresince istenilen görevi yerine

getirmesidir. İHA’nın karşılayacağı gereksinimler günümüzde askeri amaçlar olarak

belirlenmiştir. Belli bir yükseklikten düşman faaliyetlerinin, onların bilgisi dahilinde

olmadan, inceleyebilmek ve önceden önlemler almak temel gereksinimlerdir.

İHA’nın kullanım amacına göre gereksinimler değişmektedir. Genel prensip karadan

kontrolle, havadan sağlanması istenen görevleri yerine getirmesidir.

16

2. HAFTALIK ÇALIŞMA PROGRAMI

Tablo 1: Haftalık Çalışma Programı

17

3. MÜHENDİSLİK HESAP VE ANALİZLERİ

3.1 Yapılan Hesaplamalar

3.1.1 Uçağa etki eden temel kuvvetler

Bir uçağın en basit uçuşu, sabit irtifada düzgün-simetrik uçuş halidir. Bunun için de uçağın ağırlığını taşıyabilecek bir taşıma kuvveti seçilmelidir.

L=W

Aerodinamik taşıma ancak uçağın belli yüksek bir hızla

uçması halinde sağlanabilir. Hava içinde

yüksek hızla hareket eden bütün cisimlerde olduğu

gibi uçağa bir direnç kuvveti (sürükleme) etki eder.

Uçuşun devam edebilmesi için;

T=D olmalıdır.

T

D

V∞

W

Uçağın bütün elemanlarının (kanat, kuyruk, gövde gibi) tanımaya olumlu veya olumsuz katkıları vardır. Ancak uçağın gereksinim duyduğu taşıma kuvvetini esas itibariyle kanatlar sağlar. Uçağın sürüklemesi de kanatlar yanında gövde, kuyruk takımı, ini takımları ve benzeri diğer elemanlardan da kaynaklanır.

3.1.2 Uçak Kanatlarının Tipik Geometrisi

Uçak kanat tipleri, yapılan deneyler sonucunda belirlenmiştir. Aerodinamik olarak en yaygın kanat profili yarasa kanat ve damla kanat profilleridir. Bir uçak kanadına üstten bakıldığında bir uçtan diğer uca uzaklığına kanat açıklığı, gövde doğrultusundaki genişliğine ise veter uzunluğu denir.

c – veter

Uzunluğu

Şekil 6: Uçaktaki Kuvvetler

Şekil 7 Veter Uzunluğu

18

Dikdörtgen üst görünümlü bir kanadın açıklığının veter uzunluğuna oranı açıklık oranı (aspect ratio) olarak adlandırılır.

Şekil 8: Kanat açıklığı-Veter uzunluğu

Lakin değişik formda (örneğin trapez) geometriye sahip kanatlarda bu oran değişir. Böyle bir kanat için açıklık oranı aşağıdaki formülle bulunur.

Denklem 1

S: kanadın alanı

Kanatların açıklık oranları daima 1 değerinden büyüktür. Açıklık oranı; ses altı uçaklarda

genellikle büyük olarak nitelen dirilirken (AR>6÷8), ses üstü uçaklarda daha küçüktür

(AR

19

Şekil 9 Kanat profili

Kanat profillerinin ucu doğrultusu ve yönüne göre en öndeki noktalarına hücum kenarı (leading edge), en geride kalan noktalarına ise firar kenarı (trailing edge) denir. Hücum ve firar kenarlarından geçen doğruya veter çizgisi (chord line), hücum ve firar kenarları arasındaki uzaklığa ise veter uzunluğu (chord length) adı verilir. Bütün kanat profillerinin firar kenarları sivridir. Aerodinamik tanımanın oluşturulması ve kalitesi açısından önemlidir.

Bütün uçak kanatları basık yapılardır. Kanatların basıklıkları kesit profillerinin kalınlık oranıyla ölçülür. Kanat profilin kalınlığı hücum kenarında sıfır değerinden başlayarak veter boyunca değişir. Firar kenarında yine sıfıra gider. Kalınlığın veter boyunca aldığı en büyük değere maksimum kalınlık ve bu kalınlığa erişen noktaya maksimum kalınlık noktası konumu denir. Bir kanat profilinin maksimum kalınlığının veter uzunluğuna oranı kalınlık oranı (thickness ratio) olarak adlandırılır.

Şekil 10: Profildeki Kalınlık

Kalınlık oranı: Maksimum kalınlığın veter boyuyla oranı

%14 kalın profil

20

Bazı kanat profilleri veter çizgisiyle simetrikken, diğerleri değildir. Simetrik olmayan kanat profillerine kamburluklu kanat profilleri denir.

Kanat profilinin veter boyunca üst ve alt yüzeyleri arasındaki tüm orta noktaları birleştiren çizgi kamburluk eğrisi, veter boyu herhangi bir konumda kamburluk eğrisinin veter çizgisine dik uzaklığı kamburluk (camber), kamburluklardan en büyüğünün değeri maksimum kamburluk ve maksimumun görüldüğü veter konumu da maksimum kamburluk noktası konumu diye adlandırılır.

Şekil 11: Kamburluk

Bir kanat profilinin maksimum kamburluğunun veter uzunluğuna oranı kamburluk oranı olarak adlandırılır.

Kamburluk oranı: Maksimum kamburluğun veter boyuna oranı

Uçak kanatlarında %1-4

Kompresör ve türbin panellerinde %8-10

Kanat profillerinin kamburluk oranlarının taşıma kuvvetiyle ilgisi vardır. Kalınlık oranı ve kalınlık dağılımı ise taşıma kuvvetinin kalitesiyle ilgilidir.

Ses altı ve ses üstü hızlardaki uçak kanatlarının kesit profilleri kendi aralarında benzerlikler gösterirler. Ses altı kanat profilleri yuvarlak hücum kenarlı ve orta ve yüksek kalınlık oranına sahipken, ses üstü kanat profilleri genelde sivri hücum kenarlı ve düşük kalınlık oranlıdırlar.

Şekil 12: Ses altı ve Ses üstü Kanat

21

Şekilde bazı kanat profilleri görülmektedir.

Şekil 13: Bazı Kanat Profilleri

22

3.1.4 Taşımanın Oluşumu

Kanadın taşıma kuvveti, kanadın uçuş ve açıklık doğrultularına dik doğrultuda ve kanadın sırtı yönünde pozitif işaretli olarak tanımlanır.

Şekil 14: Taşıma Kuvvetleri

Kanat profilinin uçuş doğrultusu ve veter çizgisi arasında kalan açı atak açısı olarak adlandırılır. Atak açısının büyüklüğünün kanadın taşıma kuvvetiyle ilgisi vardır. Ancak atak açıları genellikle sınırlı açılardır. (α < 15÷ 20°)

Taşıma kuvveti kanat yüzeyi boyunca havanın oluşturduğu yüzeysel kuvvetlerin bileşkesidir.

Kanat yüzeyindeki her bir noktada havanın yüzeye uyguladığı yerel kuvveti, yüzeye dik ve yüzeye teğetsel doğrultuda olmak üzere iki bileşene ayırmak mümkündür. Yüzeye, birim alan başına dikey doğrultuda etkiyen kuvvete basınç, teğetsel doğrultuda etkiyen kuvvete de sürtünme adı verilir. Basınç kuvveti kanat yüzeyine doğru yönlenmiştir. Sürtünme kuvvetleri ise kanadın uçuş yönüne zıt yöndedir.

Taşıma kuvveti yerel kuvvetlerin uçuş doğrultusuna dik doğrultudaki bileşenlerinin bileşkesidir. Kanadın basık bir geometri olması ve uçuş doğrultusunun veter doğrultusuna yakın olması nedeni ile taşıma kuvveti daha çok basınç kuvvetlerinden kaynaklanır. Sürtünme kuvvetinin taşıma üzerindeki etkisi ihmal edilebilecek kadar küçüktür.

Kanadın taşıma kuvveti oluşturabilmesi için üst yüzeyindeki basınçların genel olarak alt yüzeydekilere oranla daha küçük olması gerekir. Bu fark ne kadar fazla ise taşıma kuvveti o kadar büyük olur.

Kanadın alt ve üst yüzeyleri arasında bir basınç farkı oluşması kanat etrafından geçen havanın hız kazanması ile ilgilidir. Hava hızlandıkça basınç azalır. Kanadın üst yüzeyinden geçen hava alt yüzeyinden geçene oranla daha fazla hızlandığı için üst yüzeydeki basınçlar alt yüzeydekilere oranla daha küçük olur. Böylelikle bir basınç farkı doğar.

23

Şekil 15:Kanat Basınç Dağılımı

Simetrik kesit profiline sahip bir kanat sıfır atak açısı ile uçurulduğu zaman alt ve üst yüzeyindeki basınç dağılımları simetrik olacağından hiçbir taşıma kuvveti üretmez.

Taşıma kuvveti oluşması için bu simetrinin bozulması gerekir ki, basınç dağılımının belirtilen simetrisi iki yolla bozulabilir.

- Atak açısı

- Kamburluk

Her iki halde de sivri firar kenarının etkisi ile hava firar kenarını düzgün şekilde terk etmek zorundadır. Bu da üst yüzeyden havanın daha hızlı geçmesine sebep olur. Uygulamada kamburluk ve atak açısı etkilerinden her ikisinden de yararlanılır.

Şekil 16: Atak Açışı

3.1.5 Taşıma Katsayısı

Taşıma kuvvetinin kanadın üst görünüm alanıyla orantılı olduğunu söylemek mümkündür. Yani büyük bir uçağın taşıma kuvveti küçük bir uçağa oranla daha büyüktür.

Taşıma kuvvetinin kanadın geometrisiyle ile de ilgili olduğunu söylemek mümkündür. Örneğin, simetrik kesitli kanat ile kambur kesitli kanat arasındaki farklılık yukarıda belirtildi.

24

Buna göre kamburluğu farklı kanatların taşımalarının da farklı olacağını kolaylıkla anlamak mümkündür.

Aslında atak açısını da geometrini bir parçası olarak düşünmek mümkündür. Yani hava akımı aynı kanadın etrafından geçerken farklı atak açılarında farklı kuvvetler oluşturarak, adeta kanattan farklı bir geometriymiş gibi etkilenir.

Taşıma kuvveti kanadın havaya nazaran uçuş hızıyla da ilgilidir. Yani kanat ne kadar hızlı uçar ise o kadar büyük taşıma kuvveti oluşturacaktır. Tecrübeler taşıma kuvvetinin hızın karesiyle orantılı olduğunu göstermektedir.

Taşıma kuvveti bütün bunların dışında havanın yoğunluğuna da bağlıdır. İrtifa ile atmosfer içindeki hava yoğunluğu azalır (veya basınçlandırılmış rüzgâr tünelinde havanın yoğunluğu büyüktür). Bu da taşıma kuvvetini etkilemektedir.

Buna göre taşıma ile bu parametreler arasında şeklinde ilişki kurmak mümkündür.

Burada

Bu parametrelerin boyutları yukarıdaki bağıntıda konulup karşılaştırma yapılır ise

CL büyüklüğünün boyutu olmayan bir katsayı olacağı görülür. Bu boyutsuz büyüklüğe taşıma katsayısı denilmektedir.

Taşıma kuvvetiyle bu kuvveti etkileyen parametreler arasındaki ilişki genellikle

25

Denklem 2

Şeklinde bir formülle ifade edilir. Burada

Denklem 3

Büyüklüğü dinamik basınç diye adlandırılır. Böylece bir kanadın taşıma katsayısı

Denklem 4

Şeklinde, taşıma kuvveti dinamik basınca ve kanat alanına bölünerek elde edilir.

Taşıma kuvvetini rüzgâr tünelinde yapılan deneysel çalışmalar ile ölçmek veya teorik yöntemler ile yaklaşık olarak tahmin etmek mümkündür. Değişik atak açılarında deneyler yaparak taşıma katsayısının hücum açısı ile değişimi elde edilebilir.

Bir kanadın taşıma katsayısının atak açısı ile değişimi şekilde görüldüğü gibidir.

Grafik 1:CL-a değişimi

26

Taşıma atak açısının küçük ve orta olarak nitelendirildiği değerlerinde (α

27

Yerel taşıma bu kanat diliminin uç noktaları sayılabilecek hücum ve firar kenarında sıfırdır. Kanadın birim açıklıktaki bir dilimi için veter boyunca yayılı taşıma kuvvetleri integre edilerek bu kanat dilimine etkiyen taşıma kuvveti elde edilebilir. Bu kuvvet de kanat açıklığı boyunca yerel taşıma kuvveti diye nitelendirilebilir.

Şekil 18: Kesite Gelen Basınç

Taşımanın kanat açıklığı boyunca şekilde gösterildiği tarzda bir değişiklik göstereceğini söylemek mümkündür. Şöyle ki; bir kanadın iki ucunda üst ve alt yüzeyler arasında önemli bir basınç farkı oluşamayacağı için yerel taşıma sıfır olacak, kanadın orta bölgesinde ise taşıma muhtemel olarak en büyük değerini alacaktır. Böylece açıklık boyunca taşımada bir değişim oluşacaktır.

Şekil 19: Kesitteki V hızı

Yukarıdaki şekle göre kanat orta bölgelerinde taşıma üretirken, uç bölgelerde aynı büyüklükte taşıma üretememektedir. Buna göre taşıma dağılımını temsil eden eğrinin üzerindeki gölgelendirilmiş alan taşıma kuvveti için bir kayıp olarak nitelendirilebilir.

3.1.6 Açıklık oranının etkisi, İki boyutlu kanat

Kanadın ucundaki kayıplar taşıma kuvvetinin kendisine oranlandığı taktirde aynı özellikteki iki kanattan açıklığı daha büyük olanın kayıp oranının daha küçük olduğu, diğer bir deyişle taşımanın daha verimli olduğunu söylemek mümkündür.

28

Kanat açıklığının çok büyük (teorik olarak sonsuz) olması halinde kayıp oranı ihmal edilebilir mertebelere iner. Böyle bir kanat iki-boyutlu kanat olarak adlandırılır. Bu kanadın açıklığı boyunca her yerinde taşımanın aynı olduğu kabul edilir.

Şekil 20: Açıklık oranı-V

Bu nedenle iki boyutlu kanadın aerodinamik katsayıları, kanat profili karakteristikleri olarak bilinir. Yalnız, iki boyutlu bir kanadın taşıma katsayısı tanımlanırken, açıklığın sonsuz alınması durumunda kanat alanı sonsuz olacağı ve bunun da anlamsız olacağı için, referans alan olarak kanadın birim açıklıktaki bir kısmının alanı alınır.

Böylece iki boyutlu kanadın taşıma katsayısı

Denklem 6

Şeklinde tanımlanır. Burada c veter uzunluğudur.

Grafik 2 CL-a Değişimi

Şekilde bir kanat profilinin taşıma katsayısının hücum açısıyla değişimi, aynı kesit profili kullanılarak imal edilmiş bir üç boyutlu kanadın katsayısıyla karşılaştırılmıştır. Üç-boyutlu kanadın maksimum taşıma katsayısı kesit profilinin taşıma katsayısına oranla daha küçük iken maksimum taşıma atak açısı daha büyüktür. Ayrıca üç boyutlu kanadın herhangi bir atak açısındaki taşıma katsayısı iki boyutlu kanadın aynı atak açısındaki taşıma katsayısından daha

29

küçüktür. Diğer bir deyişle üç boyutlu kanadın taşıma eğrisi eğimi, iki boyutlu kanadın taşıma eğrisi eğiminden küçüktür.

Üç-boyutlu bir kanadın aerodinamik karakteristikleri, kanat profili karakteristiklerinden elde edilebilir. Nitekim bunun bir sonucu olarak birçok üç-boyutlu kanat için taşıma eğrisi eğimini aynı kesit profilinin kullanıldığı iki-boyutlu kanadın taşıma eğrisi eğimine yaklaşık olarak

Denklem 7

Şeklinde bağlamak mümkündür. Burada iki boyutlu kanadın taşıma eğrisi eğimini, AR ise üç boyutlu kanadın açıklık oranını belirtmektedir. İki boyutlu kanat karakteristikleri literatürde çoğu zaman kanat profili karakteristikleri olarak adlandırılır. Havacılığın ilk 50 yılında kanatlarla ilgili çalışmaların çoğunu kanat profillerindeki deneysel teorik çalışmalar oluşturmuştur. Bu çalışmaların büyük bir kısmı raporlar halinde literatüre katılmıştır.

3.1.7 Sürükleme Kuvveti

Kanat uçak için gereksinim duyulan taşıma kuvvetini oluştururken diğer taraftan da uçağın ilerlemesini zorlaştıran bir aerodinamik direnç kuvveti oluşturur. Bu kuvvete sürükleme kuvveti (drag) denir. Sürükleme kuvveti uçuş doğrultusunda, uçuş yönüne zıt yönde pozitif işaretli olmak üzere tanımlanır.

Şekil 21: V-D Kuvvetleri

Sürükleme kuvvetini esas itibariyle kanat üzerinde oluşan basınç ve sürtünme kuvvetlerinin uçuş doğrultusundaki bileşenleri yaratmaktadır. Gerek basınç dağılımı gerekse sürtünme dağılımı değişik etkenlerden etkilenmektedir. Bunlar arasında kesit profili geometrisi ve atak açısını, açıklık oranını, yüksek hızlarda ortaya çıkan şok dalgalarının etkisini saymak mümkündür.

30

Sürükleme kuvveti de taşıma kuvveti gibi hava yoğunluğuna, hızın karesine ve kanat alanına bağlı olup

CD =

şeklinde bir sürükleme katsayısı tanımlamak mümkündür. Sürükleme katsayısı başlıca kanat geometrisine ve atak açısına bağlıdır. Hücum açısı ile tipik değişimi şekilde gösterildiği gibidir.

Grafik 3: CD-a değişimi

3.1.8 – Akım ayrılması, tutunma kaybı

Gerek taşıma katsayısının gerekse sürükleme katsayısının atak açısıyla değişimlerinin:

- küçük ve orta hücum açılarında çok düzenli olduğu (taşıma katsayısı lineere yakın değişim gösterirken, sürükleme katsayısı hemen hemen sabit kalmaktadır),

- yüksek diye nitelendirilebilecek hücum açılarında ise bu düzenin bozulduğu (taşıma artışları yavaşlamakta, hatta bir noktadan sonra hücum açısı ile taşıma azalabilmekte, sürüklemedeki artışlar ise çok hızlanmaktadır)

Grafik 4: CL-a Değişimi

31

Dikkati çekmektedir. Bu düzen ve düzensizliklerin sebebi aslında havanın kanat üzerinde düzenli veya düzensiz geçişiyle alakalıdır.

Küçük ve orta atak açılarında hava kanadın etrafından hayli düzgün bir şekilde ve yüzeye yapışık olarak (yüzeyi izleyecek tarzda) geçer ve kanadı firar kenarından düzgün bir şekilde terk eder.

Buna karşılık yüksek olarak nitelendirilen atak açılarında (8-10 derece gibi) kanadın üst yüzeyinde firar kenarı yakınlarında akım yüzeyi izleyemez duruma gelir. Yüzeyden ayrılır. Bu noktanın gerisinde girdaplı, karmaşık bir akım bölgesi oluşur. Bu da taşıma artışlarını kısıtlamaktadır.

Daha büyük atak açılarında ise üst yüzeydeki akım hücum kenarına yakın bir noktadan itibaren yüzeyden ayrılır. Bu durumda atak açısı arttırıldıkça taşıma artmadığı gibi aksine azalmaya başlar. Bu olaya tutunma kaybı (stall – perte de vitesse) denilmektedir.

Aşırı taşıma düzenekleri: Flaplar, slatlar, bir uçağın taşıma kuvveti hava yoğunluğu ve kanat alanı yanında özellikle uçuş hızı ve taşıma katsayısının fonksiyonu olup, uçuş süreci boyunca uçağın ağırlığını asgari düzeyde karşılaması beklenir.

L = Denklem 8

Uçağın kanat alanında önemli bir değişim olmaz. Buna göre belirli bir irtifada uçağın hızı azaldıkça gerekli taşıma kuvvetinin sağlanabilmesi için taşıma katsayısının arttırılması gerekmektedir.

Taşıma katsayısı ise atak açısının fonksiyonu olup, bir kanadın faydalı kullanımı maksimum bir atak açısı ile sınırlıdır. Kesit profilinin geometrisi değişmediği sürece, maksimum taşıma katsayısından daha büyük bir taşıma katsayısı elde etmek mümkün değildir.

Grafik 5: CL-a Değişimi

32

Grafik 6: CL-a Değişimi

Buna göre bir uçağın maksimum taşıma katsayısı ile sınırlı minimum bir hızdan daha küçük hızda havada tutunması mümkün değildir.

W Denklem 9

V Denklem 10

Ancak flap ve slat denilen elemanlarla kanadın kamburluğunu yapay olarak değiştirmek ve böylece taşıma katsayısını arttırmak mümkündür. Bu tip elemanlara aşırı taşıma düzenekleri (high-lift devices) adı verilmektedir.

Şekil 22: Firar kanadında değişen değerler

33

3.2 Yapılan Tasarım Çalışmaları

Bizim hesaplamalarımız ve analizlerimiz; XFLR5 isimli programla yapılmış olup, kanat profili olarak AG25 (Mark Drela tarafından dizayn edilmiş) kullanılmış, kuyruk bölümlerinin profili ise NACA 009’ dur. Analizler ve tasarımımız aşağıda tek tek belirtilmiştir. Ayrıca elektrik sistemi için kurulan devre de aşağıdadır.

Grafik 7: Her iki kanat profili için gerekli grafikler

34

Grafik 8: Hücum açısı (α=0 için)-Cp değişimi

,

Grafik 9: Hücum açısı (α= -6 için)-CP değişimi

35

Grafik 10: Hücum açısı (α= 10 için)-CP değişimi

Grafik 11: Hücum açısı (α= 10 için) ve diğer indislerin değişimi

36

Grafik 12: CL, CD, Cm ve diğer indislerin Re (Reynold sayısı) değişimi

Grafik 13: : Sürtünme kuvvetinin kanat ve kuyruklara etkisi

37

Grafik 14: Kanat ve kuyruk kısmında oluşan akış çizgileri

Resim 12: İHA tasarımı ön görünüşü ve değerleri

38

Resim 13: İHA tasarımı üst görünüşü ve değerleri

Resim 14: İHA tasarımı perspektif görünüşü ve değerleri

39

Resim 15: İHA elektronik devresi tasarımı

Resim 16: Seçilen Motorun Teknik Resmi (max 3650 g kaldırabilir.)

40

4. ÇEVRESEL ETKİ DEĞERLENDİRMESİ

Çevre, Dünya üzerinde yaşamını sürdüren canlıların hayatları boyunca ilişkilerini

sürdürdüğü ortamdır. Diğer bir ifade ile Ekosistem olarak tanımlanabilir. Hava, su ve toprak

bu çevrenin fiziksel unsurlarını, insan, hayvan, bitki ve diğer organizmalar ise biyolojik

unsurlarını oluşturmaktadır. Doğal kaynakların aşırı ve yanlış kullanılması, zarar verilmesi

sonucunda çevrede dengenin olumsuz yönde bozulması ve birtakım sorunların ortaya

çıkmasına ‘Çevre Kirliliği’ adı verilmektedir.

Gelişen teknolojinin yaşamımıza getirdiği konfor yanında, bu gelişmenin doğaya ve

çevreye verdiği kirliliğin boyutu her geçen gün hızla artmaktadır. Çeşitli kaynaklardan çıkan

radyoaktif, katı, sıvı ve gaz halindeki kirletici maddelerin hava, su ve toprakta yüksek oranda

birikmesi çevre kirliliği oluşmasına neden olmaktadır.

Konvansiyonel enerji kaynaklarından ötürü oluşan çevre kirliliğinin önüne geçmek

maksadıyla yakın tarihten itibaren yenilenebilir enerji kaynaklarına olan talep ve ilgi her

geçen gün artmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynaklarının çevreye olumsuz etkileri ve

maliyetleri konvansiyonel enerji kaynaklarına göre daha azdır, yenilenebilir olduklarından

dolayı tükenmezler ve konvansiyonel yakıtların aksine çevre ve canlı sağlığı için önemli bir

tehdit oluşturmazlar.

Bu çalışmada; güneş enerji sistemi destekli İHA hakkında bilgilendirme yapılmıştır ve

çevreye olan olumlu ve olumsuz etkileri değerlendirilmiştir. Güneş enerjisi, güneşin

çekirdeğinde meydana gelen füzyon süreci ile açığa çıkan ışıma enerjisidir ve güneşteki

hidrojen gazının helyuma dönüşmesi şeklinde ki füzyon sürecinden kaynaklanır.

Güneş enerjisinden yararlanma konusundaki çalışmalar özellikle 1970’li yıllardan sonra

hız kazanmış, güneş enerjisi sistemleri teknolojik olarak ilerleme ve maliyet bakımından

düşme göstermiş, güneş enerjisi çevresel açıdan oldukça temiz bir enerji kaynağı olarak kabul

edilmiştir. Yürütmekte olduğumuz güneş enerji destekli İHA projesinde ki hedeflerimizden

biriside konvansiyonel enerji kaynaklarından dolayı oluşan çevre kirliliğini minimum

seviyeye indirmek amacıyla aracın çalışması için gerekli olan gücün bir kısmını güneş

enerjisinden karşılamaktır. Yapılan araştırmalardan elde edilen sonuçlarda da görüldüğü gibi

güneş enerjisinin içinde bulunduğumuz ekolojik sisteme olan zararları yok denecek kadar

41

azdır. Güneş enerjisi kullanımının bu projede çevresel açıdan zararı yoktur fakat aracın

kullanım aralıklarını verimsiz hale getirmektedir. Kullanım aralığından kast edilen durum;

araç güneş olmayan zaman dilimlerinde kendini şarj edemeyeceği için uzun süreli olarak

havada kalamayacaktır. Ancak günümüz şartlarında ki sanayileşme ve bunun yanında gelen

çevre kirliliği problemi göz önüne alındığında bu kabul edilebilir bir durumdur. Sonuç olarak

araçta kullanılan güneş enerji sistemi sayesinde aracın ekolojik sisteme verdiği zarar

minimum seviyeye indirgenmiştir ve çevre kirliliğinin önüne geçmek için atılmış büyük bir

adım olmuştur.

42

5. MALİYET HESABI

5000mAh 11.1V 50C 3S1P HardCase LiPo (Batarya) → 565 TL

SG51R Micro Digital Servo X 4 → 140 TL

XRotor-2207-1750KV Black V1 Race Pro Motor (P. No: 30405122) →230 TL

22X8- Carbon Fiber Propeller (PJT-22*8) →385 TL

ESC XRotor 20A v1 →100 TL

KABLO Bec W/Leads 20Awg 10cm JST Connector (2XMale- 2XFemale)- (AM-

9012A+B) X4 →45 TL

Balsa 3mm X 100mm X 1000mm X 6 →90 TL

Servo Accessoires Pack (8058)→ 25 TL

KUMANDA SETİ XG6- 2.4GHz 6-CH Radio Control System w/RG613BX Receiver

(00674)→ 1,010,00 TL

ALICI R6106HFC Fasst 2.4GHz 6-CH → 585 TL

6V 200mA Solarcell Güneş Pili 110x60 X2 → 80 TL

TOPLAM: 2245 TL KUMANDA HARİÇ NEREDEYSE UÇUŞA HAZIR (ARF)

3255 TL UÇUŞA HAZIR (RTF)

43

6. SONUÇLAR

“Güneş Enerji Sistemli İnsansız Hava Aracı” adlı bu çalışmamızda literatüre faydalı bir

kaynak oluşturmak ve çalışan bir model ortaya çıkarmak hedef alınmıştır. Özgün

modelimiz yapılan tüm analizlerden başarıyla geçmiş, kullanım kolaylığı ve göstermiş

olduğu performans bakımından örnek teşkil edecek sonuçlar ortaya çıkmıştır.

Yapılan araştırma ve çalışmalar doğrultusunda geliştirilmeye açık, her geçen gün hızla

büyüyen, insansız hava araçları çalışmalarının geniş kapsamlı bir alan olduğu

gözlemlenmiştir. Bu gelişen alanda bir fark ortaya koyup insansız hava aracının havada

kalma süresinin yenilenebilir enerji kaynaklarından birisi olan güneş enerjisinden

faydalanılarak arttırılması hedeflenmiştir. Yapılan araştırmalar doğrultusunda hedeflenen

projenin yapılması için gerekli olan malzemelerin ve aksesuarların neler olduğu, hangi tip

yazılım ve ara yüzlerin kullanıldığı, uçuş mod ve kullanım yönergeleri belirlenmiştir.

Klasik tasarım anlayışı istatistiklere, bu istatistikler ise içten yanmalı motorlara sahip

uçaklara dayandığından küçük boyutlarda bir insansız hava aracı için kullanıldığında

optimize edilemeyecek değerler ortaya çıkmaktadır. Ayrıca klasik tasarım metotları da

elektrik motoru ve bataryaya sahip uçaklar konusunda oldukça az bilgiye sahiptir.

Gerçekleştirdiğimiz bu projede klasik tasarım metotlarının yanı sıra model uçaklar ve

özellikle planörler üzerinde ayrıntılı incelemeler yapılmıştır.

Yapılan bu çalışmada hedeflenen asıl özellik aracın daha uzun süre havada kalması

olduğu için kanat yüzey alanına yerleştirilecek olan güneş panellerinden maksimum verimi

almak amacıyla kanat yüzey alanı olabildiğince geniş tutulmaya çalışılmıştır.

Bu projede küçük boyutlu insansız hava araçları için kullanılmakta olan XFLR5

programından yararlanılmıştır. Fakat yüksek verimli bir tasarım için aerodinamik

konusunda ayrıntılı bir çalışma yapılması gerektiği ve FLUENT gibi daha profesyonel bir

program ile bilgisayar destekli akışkan analizlerinden yararlanılması gerektiği tespit

edilmiştir.

Yapılan bu araştırmalar sonucunda yine tespit edilen durumlardan birisi ise insansız

hava aracının ağırlık dağılımının oldukça dikkatli yapılması gerektiğidir. İnsansız hava

aracı üzerine takılacak olan motor, güneş paneli gibi elemanların araç üzerindeki

dağılımına oldukça dikkat edilmiştir ve gerekli analizler yapılarak çizim üzerinde

gösterilmiştir.

Yapılan araştırmaların sonucunda ortaya konulan tasarım ve gerekli olan ekipmanların

temini için maliyet hesabı yapılmış ve ayrıntılı bir şekilde ortaya konulmuştur. Yapılan bu

araştırmalarda görülmüştür ki tasarlanan insansız hava aracının kabiliyetlerinin arttırılması

ile maliyet oldukça fazla artmaktadır.

44

7. KAYNAKLAR

1. Karaağaç, C. (2014) İHA sistemlerine genel bakış. Academia.edu. 07 Şubat

2015’de https://metu.academia.edu/CengizKaraa%C4%9Fa%C3%A7/Papers

adresinden alınmıştır.

2. www.ssd.dhmi.gov.tr- Dünyada ve Türkiye’de uçuş kontrolün kısa geçmişi.

3. Kaçar A., Tok B., Kahvecioğlu A. C., Albostan O., Köse S., İrfanoğlu B., Arıkan

K. B., Üç Döner kanatlı ve Döner-Rotorlu İnsansız Hava Aracının Tasarımı, Cilt

3, Sayı 6, Sf. 107-113, Aralık 2013

4. https://uavturkey.tubitak.gov.tr/assets/2018_iha_egitim_ali_eken.pdf

5. Unmanned System integrated roadmap FY2013- 2038, Approved by: James W.

Winnefeld, Frank Kendall, Reference number: 14-S-0553

6. Suraj G. Gupta, Mangesh M. Ghonge, Dr. P. M. Jawandhiya, Review of

Unmanned Aircraft System (UAS), International Journal of Advanced Research

in Computer Engineering & Technology (IJARCET), Volume 2, Issue 4, April

2013

7. Fundamentals of Aerodynamics 5th Edition, John D. Anderson Jr

8. Introduction to Aeronautics: A Design Perspective, Brandt et. al. , 2004

9. http://flightacademy.info/

10. Yükselen, M.A., UCK 351 Aerodinamik Ders Notları, Erişim tarihi: 05.03.2018.

(http://web.itu.edu.tr/yukselen/Uck351/05-

%20Kanat%20profillerinin%20aerodinami%F0i.pdf)

11. http://m-selig.ae.illinois.edu/ads/coord_database.html

https://metu.academia.edu/CengizKaraa%C4%9Fa%C3%A7/Papershttp://flightacademy.info/http://web.itu.edu.tr/yukselen/Uck351/05-%20Kanat%20profillerinin%20aerodinami%F0i.pdfhttp://web.itu.edu.tr/yukselen/Uck351/05-%20Kanat%20profillerinin%20aerodinami%F0i.pdf