Döner Kanatlı İHA sistemlerinde İtki Sistemi ile Uçuş Performansı ilişkisi

Döner kanatlı İnsansız Hava Aracı (İHA) sistemlerinin toplam güç tüketiminin yaklaşık % 75 – % 90’ı itki sistemi tarafından doğmaktadır. Bu sebeple, hava aracı uçuş süresi, manevra kabiliyeti, operasyonel koşullara karşı direnç seviyesi gibi uçuş performans parametreleri ve faydalı yük kapasitesi ile doğrudan ilişkili olan itki sisteminin, hava aracı ağırlığına uygun ve yüksek verimli tasarımı önem arz etmektedir. 

Otonomi seviyesi yüksek bir İHA sisteminin çok kısa sürelerde havada seyredebilmesi ve düşük rüzgar direncine sahip olması, hava aracının sahip olduğu otonomi kabiliyetlerini anlamsız kılmaktadır. Diğer taraftan, uzun süre havada kalabilen hava aracının, çok düşük görüntü aktarım menziline ve görüntü kalitesine sahip olması da bir anlam taşımamaktadır. Bu hususta önemli olan, sahip olunması istenilen kabiliyetlerin ve uçuş performans özelliklerinin, minimum ağırlık ve boyutlardaki hava aracı ile hayata geçirilmesi veya benzer ağırlık, boyut ve kabiliyetlere sahip emsal ürünlere kıyasla hava aracının diğer uçuş performans özelliklerinden taviz vermeden daha uzun süre havada seyredebilmesidir. 

Döner kanatlı İHA itki sistemi, motor, pervane, ESC (Elektronik Hız Kontrolcüsü) ve batarya bileşenlerinden oluşmaktadır. İtki sistemi mimarisi şematik olarak Şekil 1’de yer almaktadır.

Şekil 1: İtki sistemi mimarisi

ESC, yer kontrol istasyonundan verilen komutlara ve uçuş kontrolcüsünden aldığı sinyale göre motorun devir sayısını ayarlamaktadır. Diğer taraftan ESC, motorun çektiği maksimum akımı aktaracak kabiliyette olmalıdır. Benzer şekilde ESC’nin aktardığı maksimum akımı ise bataryanın sağlayabilmesi gerekmektedir. Bilindiği üzere, motorun çektiği maksimum akımı ESC’nin aktaramaması durumunda ESC’nin arızalanması, ESC’nin aktardığı akımı bataryanın sağlayamaması durumunda ise bataryanın şişmesi olayı gerçekleşir.

Maximum RPM (Dakikada Devir Sayısı) ile fırçasız motorlar tarafından oluşturulan toplam itki kuvvetinin hava aracı ağırlığına oranının belirli bir değerin üzerinde olması beklenilirken söz konusu bu değer, uçuş süresi ile rüzgara dayanım ilişkisini belirlemektedir. İtki sistemi ile uçuş performansı ilişkisini irdelemek amacıyla piyasada halihazırda bulunan T Motor firmasına ait farklı fırçasız motor ile farklı geometrilerdeki  pervanelerin test datası baz alınmış ve belirli kabuller altında hava aracı uçuş süreleri hesaplanmıştır. Bahsi geçen motor ve pervanelere ilişkin test verileri Şekil 2, 3, 4 ve 5’te yer almaktadır.

Şekil 2: MN1804 model T motorun 5*3 pervane ile test datası

Şekil 3: MN1804 model T Motorun 6*2 pervane ile test datası

Şekil 4: MN2204 model T motorun 5*3 pervane ile test datası

Şekil 5: MN1806 model T motorun 7*2.4 pervane ile test datası

Şekil 2, 3, 4 ve 5’te yer alan her bir pervane ve motor çiftinin test verileri dikkate alınarak, % 100 throttle için pervanelerin verimi, ürettiği itki kuvveti ve çektiği akım, her bir motorun ağırlığı ve 4 adet pervane tarafından oluşturulan toplam itki kuvvetinin hava aracı toplam ağırlığına oranı bilgisi Çizelge 1’de verilmiştir. 

Toplam İtki/Toplam Ağırlık değeri hesaplanırken, motor dışındaki tüm sistemlerin toplam ağırlığının 300 gram olduğu ve her bir pervanenin aynı ağırlıkta olduğu kabulü yapılmıştır.

Toplam İtki/Toplam Ağırlık oranı, uçuş performansını doğrudan etkileyen ve uçuş performansını değerlendirirken dikkate alınan önemli bir parametredir. Bu değerin büyük olması rüzgara karşı daha dirençli ve manevra kabiliyeti daha yüksek hava aracı itki sistemini beraberinde getirmektir. İlaveten, uçuş emniyeti açısından 2 civarında olması beklenilen bu değer, itki sistemi tasarımı konusunda diğer bir genel prensip olan, hava aracının %40 – %60 throttle ile hover edebilmesini doğrulamaktadır.

Döner kanatlı İHA sistemlerinin, uçuş süresi aşağıdaki denklem ile hesaplanabilmektedir.

E = 0.8. (C/I).60

Denklem 1’de, E (dakika) uçuş süresini I (A) havada asılı kalma modunda sistemin çektiği akımı ve C (Ah) batarya kapasitesini ifade etmektedir.

Şekil 2, 3, 4 ve 5’teki test dataları kullanılarak her bir pervane ve motor kombinasyonu ile hava aracının hover modu için çektiği akım değeri ve Denklem 1 kullanılarak yapılan hesaplamalar sonucu elde edilen uçuş süreleri bilgisi Çizelge 2’de verilmiştir. Her bir uçuş süresinin hesabında, batarya kapasitesi 3000 mAh olarak alınmış ve itki sistemi dışındaki alt sistemlerin çektiği akım ihmal edilmiştir.

Çizelge 1 ve Çizelge 2’deki verilere bakıldığında, 2 nolu motor ve pervane grubu tercihi ile maksimum Toplam İtki/Toplam Ağırlık değeri ortaya çıkmış ve rüzgara karşı en yüksek dirençli hava aracı platformu elde edilmiştir. Gerek uçuş süresi gerekse rüzgar direnci bakımından 2 nolu tercihin 1 ve 4 nolu tercihe kıyasla daha avantajlı olduğu görülmektedir.

Bununla birlikte, hava aracı uçuş süresinin, 2 nolu tercih ile 3 nolu tercihe kıyasla daha az olacağı göz önünde bulundurulmalıdır. 1 ve 4 nolu tercihler kıyaslandığında ise 1 dakikalık uçuş süresi farkının kabul edilebilir seviyede olması ve rüzgar direncinin daha yüksek olması sebebiyle 1 numaralı motor ve pervane grubu tercih edilebilir. Diğer taraftan, en iyi uçuş süresi 3 nolu motor ve pervane grubu ile elde edilmiş olup söz konusu ürün tercihinde, Toplam İtki/Toplam Ağırlık değerinin en düşük çıkması sonucu rüzgara ve yağmura karşı daha az dirençli bir yapı meydana gelmiştir.

Sonuç olarak, hava aracı itki sisteminin, ürünün kullanılacağı çevre koşulları ve ihtiyaç duyulan operasyon süresi dikkate alınarak en iyi şekilde optimize edilmesi ve tasarlanması gerekmektedir.

Uçuş performansının iyileştirilmesine yönelik uygulanan yapısal yöntemler

Callender (2017), ‘’Rotor Sound Pressure Level Reduction Through Leading Edge Modification’’ başlıklı çalışmasında, gürültü seviyesini azaltmak için doğadaki en sessiz uçucular arasında yer alan baykuşların kanat yapılarından esinlenerek pervane üzerinde modifikasyonlar yapmıştır. Söz konusu çalışmada kullanılan modifiyeli pervane görselleri Şekil 6’de ve çalışma sonucu elde edilen devir sayısına bağlı ses seviyeleri ve itki kuvveti verileri Şekil 7’da yer almaktadır.  

Şekil 7: Modifiyeli pervaneler

Şekil 8: Devir sayısına bağlı ses seviyeleri ve itki kuvveti verileri

Şekil 8’deki verilere bakıldığında düşük devir sayılarında standart pervane ve modifiyeli pervane arasında itki kuvveti değerinde çok az miktarda fark meydana geldiği ve yine düşük devir sayılarında standart pervaneye kıyasla ses seviyesinde önemli ölçüde iyileşme olduğu görülmektedir. Yüksek devir sayılarında ise iki pervane arasındaki itki kuvveti farkı artarken ses seviyeleri arasındaki fark azalmaktadır.

Butt ve Talha (2019), ‘’Numerical Investigation of the Effect of Leading-Edge Tubercles on Propeller Performance’’ başlıklı çalışmalarında, uçuş performansını iyileştirmek için balinaların kanat yapılarından esinlenerek pervane üzerinde farklı genlik ve dalga boylarında modifikasyonlar yapmışlardır. Çalışmada kullanılan ve C1, C2, C3 ve C4 olarak adlandırılan modifiyeli pervane görselleri Şekil 9’da ve 10000 devir sayısı için elde edilen pervane verimleri Şekil 10’da yer almaktadır.

Şekil 9: Modifiyeli pervane görselleri

Şekil 10: Modifiyeli verimleri

Şekil 10’daki verilere bakıldığında modife edilmiş pervanelerin veriminin daha yüksek olduğu görülmektedir.

Yapılan çalışma sonucunda, 0.7 ilerleme katsayısı ve 10.000 devir sayısı için C1, C2, C3 ve C4 konfigürasyonlarında standart pervaneye kıyasla sırasıyla %14.99, %24.39, %28.89 ve %53.59 oranında pervane veriminde iyileşme meydana geldiği gözlemlenmiştir. Bununla birlikte, daha büyük genliğe sahip pervanelerin daha küçük genliğe sahip pervanelere kıyasla daha verimli olduğu gözlemlenmiştir. Diğer taraftan, genlikler değiştirilmemek üzere dalga boylarının C1’den C’ye ve C3’ten C4’e olacak şekilde azaltıldığında pervane verimlerinin sırasıyla %50.1 ve %35.34 oranında arttığı sonucu ortaya çıkmıştır.

Uçuş performansının iyileştirilmesi amacıyla kullanılan yöntemlerden bir tanesi de ducted pervane uygulamasıdır. Uçuş performansının iyileştirilmesine ilaveten, pervanenin akustik sönümleyici çerçeve ile entegre edilmesi yoluyla pasif ses azaltma yöntemi için de uygulanabilmektedir.

Kuantama ve Tarca (2017), ‘’Quadcopter Thrust Optimization With Ducted-propeller’’ başlıklı çalışmalarında, Şekil 11’de yer alan 3 farklı ducted pervane yapısının CFD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) yöntemi kullanılarak itki kuvveti analizleri yapılmıştır.

Şekil 11: Farklı ducted pervane yapıları

Her biri 4 cm çapında olan pervaneler ile yapılan analizlere ilişkin sonuçlar Şekil 12’de yer almaktadır. 

Şekil 12: Farklı ducted pervane yapılarının itki kuvveti verileri

Şekil 12’de görüleceği üzere yüksek devirlerde (4000 RPM değerlerinin üzerinde) ducted ve standart pervane yapılarında itki kuvveti değerinde dikkate alınır düzeyde fark gözlemlenmiştir. 9000 RPM için standart pervane tercihine göre tip α pervane yapısında 1.38 N ve tip β ve γ pervane yapılarında ise yaklaşık 2.1 N değerinde itki kuvveti bazında iyileşme görülmüştür.

Hrishikeshavan ve diğ, (2012), ‘’Development of a Quad Shrouded Rotor Micro Air Vehicle and Performance Evaluation in Edgewise Flow’’ başlıklı çalışmalarında, ducted ve ducted olmayan standart pervane yapılarının, hover modunda ve 1, 2, 3 ve 4 m/s mertebelerinde yaz rüzgar altında kaldırma kuvveti verilerini Şekil 13’teki gibi ortaya koymuşlardır.

Şekil 13: Ducted ve standart pervane yapılarının farklı yan rüzgarlar altında itki kuvveti verileri

Şekil 13’teki verilere bakıldığında her iki durum için de 2 m/s mertebesindeki yan rüzgara kadar belirli bir RPM için kaldırma kuvveti değerindeki sapmanın ihmal edilebilir olduğu görülmektedir. Bununla birlikte, 4 m/s yan rüzgar ve 7900 RPM için hover moduna kıyasla ducted pervanelerde %15, standart pervanelerde ise %12 oranında itkide artış meydana gelmiştir. İlaveten, her bir yan rüzgar mertebesi için ducted pervane tarafından üretilen itkide, standart pervaneye kıyasla önemli ölçüde iyileşme olmuştur. 7900 RPM için itkideki iyileşme, hover modu ve diğer koşullar altında yaklaşık 20 gram olarak ortaya çıkmıştır.

Her iki çalışma için de ducted yapılarından dolayı hava aracı ağırlığında bir miktar artış olacağı göz önünde bulundurulmalıdır. Bu durumda her bir pervane yapısı için hava aracı Toplam İtki/Toplam Ağırlık değeri ve uçuş süresi hesaplamaları tekrar yapılmalı ve nihai sonuçlar değerlendirilmelidir.   

Sonuç

Döner kanatlı İHA sistemlerinde toplam güç tüketiminin büyük bir kısmının itki sistemi tarafından doğması sebebiyle itki sisteminin ihtiyaç duyulan manevra kabiliyeti, uçuş süresi ve rüzgara dayanım gereksinimi dikkate alınarak en iyi şekilde optimize edilmesi ve uçuş performansının iyileştirilmesine yönelik yapısal uygulamalara başvurulması gerekmektedir.

İlaveten, hava aracına kazandırılmak istenen her bir kabiliyetin, hava aracının uçuş performans özellikleri üzerinde kısıtlayıcı etkisinin olduğu unutulmaması gerekmektedir. Tüm bu sebeplerden dolayı, bir dakikalık uçuş süresinin dahi kayda değer olduğu özellikle küçük boyutlu döner kanatlı İHA sistemlerinde, küresel pazarda rekabetçi olmak ve operasyonel gereksinimlere karşılık verebilmek için uçuş performans parametlerinin her biri için yüksek performans hedeflemek yerine belirli bir kullanım amacı ve operasyonel konsepte göre hava aracı sisteminin geliştirilmesinin daha uygulanabilir olduğu sonucu ortaya çıkmaktadır.