~eki I lend i ri lebi I i r Hava AraCJ Konseptleri

Prof. Dr. Serkan OZGEN, Prof. Dr. Yavuz YAMAN, Yrd. Do~. Goknur BAYRAM, Do~. Dr. Melin ~AHiN, Prof. Dr. Ay~en YILMAZ, Yrd. Do~. Yusuf ULUDAG

Ozet

Bu makale geli;;mekte alan $ekillendinlebJ1Jr

Hava Arar;lan teknolojilerini ve yonelimlen

konu almaktadJI: Konu 1le ilgili diinyadaki

ara;;tmna geli;;tirme faalwetleninn mevcut

durumu 6zetlenmekte, bu tip hava arar;la­

nnm tasanm ve geli;;tJrme faaliyetlerine

yonelik 6neriler aerod1namik, ur;u;; meka­

nigi, malzeme bilimleri ve yap1sal

tasanm/analiz ar;1lanndan ele almmaktadJr:

Makalenin birinci b6liimii ;;ekillendinlebilme

konseptini 6zetlerken ikinci b6liim mevcut

teknoloj1k diizeJlln ve ir;erdigi potans1yelin

ar;1klanmasma aynlmJ§tJr: Ur;iincii boliim ise

teknolojik zorluklan ve r;oziim 6nerilerini

ir;ermektedir:

I. Giri§

"$ekillendirilebilir Hava Arac1" terimi uc;u§

s1rasmda kanat plan §ekillerini belirgin olarak

degi§tirebilme yetenegine sahip uc;aklan

tan1mlamak ic;in kullan1lmaktad1r. Boyle bir

yetenegin yaklt tasarrufunu, gbrev yete­

negini, gorev ba§anmml ve esnekligini

arthrma potansiyeline sahip bir etken oldugu

di.i§i.ini.ilmektedir.

Konvansiyonel sabit kanatll uc;aklann kanat

plan §ekilleri ve kana! profilleri gbrev

profillerinin sadece bir evresi ic;in en iyile§­

tirilmi§ olarak tasarlanmaktad1r. brnegin

nakliye uc;aklan seyir performansm1, av

uc;aklan manevra kabiliyetini, ke§if ve

gozetleme uc;aklan ise turlama ba§anmlanm

en iyile§tirecek kanat tasanmlanna sahip-

tirler. Farkl1 gbrev evreleri ic;in en uygun kanat

§ekilleri $ekil 1 'de gbsterilmektedir [!].

Ancak, tasanm evresi dl§mda kalan uc;u§

evrelerinde konvansiyonel kanatlann sergile­

digi aerodinamik performans optimum

olmaktan uzakt1r. Buna kar§lllk §ekillen­

dirilebilme yetenegi ugu§un ti.im evreleri igin

en iyi performans1 sunma potansiyeline

sahiptir. $ekillendirilebilme yetenegi saye­

sinde uc;aklann performanslan artacak,

birden fazla tipte uc;ak gerektiren gbrevlerin

daha az, hatta tek tip uc;ak ile ba§anlmas1

mi.imki.in olabilecektir. Bunun yam s1ra,

§ekillendirilebilme yetenegi sayesinde

mevcut uc;aklarda bulunan karma§lk ve aQ1r

kumanda yi.izeyi mekanizmalanmn basitle§­

tirilmesi, hatta tamamen elimine edilmesi

mi.imki.in olabilecek, aerodinamik gi.iri.ilti.i ve

si.iri.ikleme azalt!labilecektir.

Her ne kadar bir hava aracm1 "§ekillen­

dirilebilir" olarak nitelendirmek ic;in kesin bir

sa)'lsal olc;i.it bulunmasa da, kana! at;lkllgmm

%200, Kanat alanmm %50 ve kanat ok ac;1smm

20° degi§tirilmesi literati.irde gene! kabul

gbrmi.i§ degerlerdir [2] . Konvansiyonel

kumanda yi.izeylerinde sahip olmayan

$ekil I: Fark!J u<;U§ ko§ullan iqin en uygun kana/ §ekillen

ugaklar da "§ekillendirilebilir" olarak tamm- degi§tirebilen kanatlar tasarlamalan ve

lanmaktad!r. bunlan tiim alt sistemleri ile birlikte riizgar

DARPA (Defense Advanced Research ti.inelinde test etmeleri istenmi§tir. Ikinci

ProJects Agency) 'ya gore ise bir hava aracmm a§amada ise tasarlanan ugaklann olgekli

"§ekillendirilebilir" olarak nitelenebilmesi

igin a§agJdaki ozelliklere sahip olmas1

gereklidir :

• Degi§en gorev ko§ullanna uyum sagla­

mak amac1yla durumunu belirgin bir

§ekilde degi§tirebilme yeteneQi,

• Ancak §ekil degi§ikligi sayesinde mum­

kiln olabilecek sistem kabiliyeti,

• Ileri malzemeler, uyanc1lar, aki§ di.izen­

leyiciler ve mekanizmalann yenilikgi bir

yakla§Jmla entegre edildigi ve durum

degi§ikligini mi.imki.in kilan bir tasanm.

Boyle bir yetenegin a§agJda snalanan

kazan1mlan sag lamas! mi.imki.indi.ir:

• Aerodinamik etkinligin artmas1 (ta§Jma/

si.iriikleme oram),

• Karma§Jk ve agrr flap mekanizmalannm

elimine edilmesi,

• Karma§Jk ve ag1r kumanda mekanizma­

lannm basitle§mesi,

• Aerodinamik gi.iriiltiini.in azalmas1,

• Yakit tiiketiminin azalmasJ,

• Yap1sal titre§im ve g1rpmmanm kontrol

altmda tutulmas1,

• Daha yi.iksek gorev esnekliginin saglan-

riizgar ti.ineli modelleri i.izerinde gah§JimJ§tJr.

Ugi.inci.i a§amada ise w;aklann seri §ekil

degi§tirebilme yeteneklerini ve manevra

kabiliyetlerini sergilemeleri planlanmaktadJr.

Yi.iriiti.ilen galJ§malann sonucundan birbi­

rinden hayli farkl1 yakla§Jmlara sahip iki

tasanm ortaya gJkmJ§tJr. Lockheed-Martin

tarafmdan geli§tirilen tasanm "katlanan

kanat" (folding wing) konsepti olarak

tammlanmaktad1r ve kanat agJk!JgJ ve kanat

ok ag1s1mn uc;:u§ SJrasmda degi§tirile­

bilmesine olanak tan1maktadn, $ekil 2 . Thsa­

nmda, kanat kabuk malzemesi olarak, JSJtJ!dJ­

gmda saniyeler igerisinde yumu§aYJ.p §ekil

degi§tirebilen bir §ekil haf1zah polimer

kullamlmJ§tlr. Is1tma i§lemi malzemenin igeri­

sine tabakalar halinde gomi.ilmi.i§ esnek

JSJtJcJ!ar sayesinde yapJ!maktad1r. Bu §ekilde

i.iretilen kanat yi.izeyi %I 00 'e varan gerinimler

altmda dahi di.izgi.inli.iguni.i koruyabilmek­

tedir. Kanat istenen §ekle ula§l!gmda JSJtma

i§lemine son verilmekte ve kanat §ekli sabit­

lenmektedir.

NextGen Aeronautics tarafmdan geli§tirilen

konsept ise "degi§ken ag1, degi§ken veter"

(variable sweep, variable chord) konsepti

olarak tammlanmaktadJr, $ekil3. Hava aracJ­

mn tasanm1 ali.iminyumdan i.iretilmi§ makash

bir yapmm ki.igi.ik hidrolik motorlar vaSJtaSJ ile

$ekil 4: ''llktif kanatr;:1k " konsepti

degi§tirilebilmi§tir .

Bir diger kanat konsepti ise $ekil 4'te ri.izgar

ti.ineli modeli goriilen "aktif kanatg1k" (active

winglet) konseptidir. Kanatg1klar yi.iksek

irtifada seyir esnasmda si.iriikleme kuwetini

azalttJklanndan doiaYJ modern nakliye ugak­

lan igin hayli faydalJdJrlar. Normal durumda

ini§ ve kalki§ esnasmdaki etkilerinin gok daha

az olmasma ragmen §ekildeki gibi kullanJI­

dJklannda ek kanat alam saglayarak fayda­

lanm ikiye katlamaktadJrlar.

B. Firar Kenan Konseptleri

FlexSys firmas1 Air Force Research

Laboratory destegi ile goreve uyumlu bir

kanadm riizgar ti.ineli ve ugu§ testlerini

tamamlaml§l!r, $ekil 5. Kanadm agJk!JgJ 50

ing, veter boyu ise 30 ingtir. Kanadm firar

kenan 30o/s h1zmda bi.iki.ilebilmekte ve

toplam ± !Oo'lik bir deplasman elde

edilebilmektedir. Deneylerde kanad!n hi.icum

ve firar kenarlannm bi.iki.ilebilmesinin aerodi­

namik performans1 belirgin bir §ekilde iYJ.le§­

tirmekte oldugu, bunun da yakit tiiketiminde

%5-15 mertebesinde bir azalmaya yo! ac;:acag1

goriilmi.i§ti.ir. mas!.

§ekillendirilmesine dayanmaktadJr. Kabuk Monner ve arkada§lan bir sivil nakliye

Uygulamanm ne o!acag1 §ekil degi§ikliginin

olgegini ve S!k!Jgml belirleyen faktordi.ir.

6rneQin bi.iyi.ik olgekli §ekil degi§ikligi bir

ugu§ evresinden digerine gegi§ SJrasmda

kullamlmaktadJr ve bu nedenle seyrektir. Ote

yandan kumanda yi.izeyi etkisi yaratacak §ekil

degi§ikligi ise ki.igi.ik olgekli olmasma

ragmen neredeyse si.ireklidir.

II. Mevcut Teknolojik Diizey

A. Kanat Konseptleri

ABD'nde $ekillendirilebilir Hava Araglan ile

ilgili ara§l!rma-geli§tirme faaliyetleri 2003

YJ.hndan bu yana DARPA destegi ile i.ig

a§amadan olu§an Morphing Aircraft

Structures (MAS) program! altmda

si.irdi.iri.ilmektedir. Birinci a§amada ara§tlrma

gruplanndan kanat agJkhklanm %150

malzemesi ise metal katkis1 ile gi.ic;:lendirilmi§

silikondur. Bu tasanm ile ugu§ s1rasmda yak­

la§Jk 100 knot (185 km/h) si.iratte kanat ala­

nmda %40, kanat agJk!Jgmda %30 degi§im

elde edilmi§ ve ok ac;:Jsl 5-15o arahgmda

$ekil 2: Lockheed-Martin, ''ka tlanan kanat" konsepti .

++ $ekil 3. NextGen, "degi§ken ar;:1,

degi§ken veter" konsepti

uc;:agmm firar kenannda degi§ken kamburluk

elde edebilmek igin "parmak" konseptini

geli§tirmi§lerdir. Metalden yapJ!mJ§ ama

yeterince esnek kabuk aerodinamik profili

olu§turmaktad1r. Normal bir kanadm firar

kenanndaki rijit elemanlar birbirlerine gore

hareket serbestligine sahip plaka benzeri

elemanlarla (parmaklar) degi§tirilmi§tir,

$ekil. 6. Elemanlar sert olmalanna ragmen

ortaya g1kan yap! esnektir ve elektrik

motorlanyla uyan!dJQ-lnda hem kanat ac;:Jk!Jgl

boyunca hem de veter boyunca kamburlugun

degi§mesine olanak vermektedir. Geli§tirilen

konsept 3.2m X 0.9m (agJk!Jk X veter)

boyutlannda bir modele uygulanmJ§ ve test

edilmi§tir. Elemanlar metal ve karbon

elyaflyla gi.iglendirilmi§ polimerden (CFRP)

imal edilmi§tir.

9ekil 7'de gosterilen "donen kaburga"

(rotating rib) konseptinde konvansiyonel

olarak per~inlerle birle§tirilen kabuk ve i~

yapt yerini kabugun kaburga iizerinde

kaymasma olanak saglayan raylara btrak­

mt§ttr. Kanadm firar kenannda kabuk ve

kaburgalar birbirlerine sabitlenmi§ degildir

ve raylar sayesinde birbirlerine gore kayma

hareketini yapabilmektedir. Uyanctlar tarafm­

dan uygulanan tork kabugu deforme etmeye

yaramaktadtr. Konsepti dogrulamak i~in

a§agtdaki ozelliklere sahip bir model

iiretilmi§tir:

• l.4m kanat a~tkhgma, 0.622m veter

boyuna sahip, firar kenan azami 5.5o

biikiilebilen, 4 adet donen kaburgadan

olu§ankanat,

• Kaburgalar, her birinin toplam veter

boyunun %50'si kadar uzunlukta oldugu

iki par~adan olu§maktadtr. Ondeki par~a

sabit iken arkadaki par~a biikiilebilmek­

tedir,

• KabukkalmhQ"tlmm'dir.

DLR'da geli§tirilen kanat modelinde ise

kaburga saytst normale gore azalttlmt§ ama

spar saytst arttmlmt§ttr. Sparlann a~tlannm

degi§tirilmesi esnek olmalanndan dolayt

kanadm kamburlugunun degi§mesine ola­

nak tammaktadtr, 9ekil 8. Kabuk ise kanat

profilinin §eklini sabitlemektedir ve bir kayt§a

benzemektedir. Bu nedenle bu konsepte

"kayt§-kaburga" (belt-rib) konsepti adt

verilmi§tir. Airbus 340 u~agmm di§ flapt

model almarak l :2 ol~ekli bir model karbon

elyaft ve epoksi re~inesinden iiretilmi§, kayt§­

kaburga baglanttlan i~in metal mente­

§elerden yararlamlmt§ttr. Testlerde firar

kenan 5o biikiilebilmi§tir.

:jekil 5: FlexSys, "goreve uyumlu kanat" konsepti

:jelal 6. DLR, 'pannak" konsepti

Linear Slides Trailing edge Linear Slide

:jekil 7: Politecnico di Milano, "donen kaburga" konsepti

:jekil 8: DLR, "kaYJ$-kaburga" konsepti

III. Telmolojik Zorluklar

Bir "9ekillendirilebilir Hava Aract "'nm

tasanmt, geli§tirilmesi ve iiretimi ile ilgili

zorluklann a§agtdaki unsurlan i~erdigi

dii§iiniilmektedir:

• Mekanizmalar (algtlaytctlar ve §ekil

degi§ikligini miimkiin kllan uyanctlar) ,

• Esnek kabuk malzemesi (i~ yaptyt

destekleyen ve §ekil degi§ikligine olanak

veren malzemeler),

• Degi§ken u~U§ ko§ullan ve degi§ken

geometri ile uyumlu kumanda kanunlan.

9ekil 9, NextGen firmasmm geli§tirdigi

§ekillendirilebilir hava aracmda kullantlan

mekanizmayt, yaptsal elemanlan, algtlayt­

ctlan ve uyanctlan gostermektedir.

A. AlgllaYJ.Cl ve U yancllar

• Degi§en u~U§ ko§ullanna ve geometriye

uyum saglayabilecek, hafif algtlaytctlar,

uyanctlar ve yaptsal elamanlardan olu§an

aktif olarak kontrol edilebilecek sistem,

• 9ekillendirilebilir bir hava aract i~in elkin

bir sistemin geli§tirilmesi yeni tasanm

felsefeleri, yeni analitik yontemler ve

kapsamh testier gerektirmektedir.

Bununla ilgili parametreler ise a§agtdaki

gibidir:

• Kuwet, deplasman ve frekans,

• Agtrhkve hacim,

• Gii~.

Boyle bir sistemde kullantlacak elemanlar

i~in alternatifler ise a§agtdaki gibidir :

• Elektro-manyetik motorlar. Ozgiil gii~leri

yiiksek olmasma ragmen boyutlan bu tip

bir uygulama i~in uygun degildir,

• Aktif malzemeler. Ozgiil gii~lerinin dii§iik

olmasmdan dolayt bu tip bir uygulama i~in

uygun olmadiklan degerlendirilmektedir,

• Aktif malzeme motorlan. Bunlann ozgiil

gii~leri bu tip bir uygulama i~in uygundur

ve boyut olarak da uygun olma potansiyeli

ta§tmaktadtrlar.

• Ancak, aktif malzemeler ile ilgili bazt

ktsttlamalarmevcuttur:

• Piezoelektrik malzemeler. Deplasman

ol~ekleri mikron mertebesinde olup

§ekillendirilebilir malzeme uygulamalan

i~in yetersizdir,

Fairing Slotted

Rib~ / Wing Main Pivot

/ Leading Edge Closeout Fairing Main

Weldment ______...

4-Bar/Slider Assembly

®---.

r!J 4-Bar Assembly

$ekil 9: NextGen, "de{ji§ken a91, degi§ken veter" konseptinde kullamlan mekanizma

• ~ekil haf1zali malzemeler. i§levsel dalga

aral1klan gok klSJtlidlr.

Ote yandan, §ekillendirilebilir malzeme

uygularnalan igin yeni bir alternatif olarak

aktif filmier ortaya <;ikml§tli. ~ekil !O'da bu

yeni teknoloji kullamlarak uretilen ve

NextGen tarafmdan §ekillendirilebilir hava

aracmda kullanJlan aktif malzemeli uyanc1

gorulmektedir.

$ekil 10: Aktif malzemeli uyanc1

B. Malzemeler

~ekil degi§tiren ugaklarda kullan!lmak uzere

segilecek malzemeler yap1sal ozelliklerde

yiiksek geri kazan1m, dayanlkllllk, esneklik,

elastikiyet ve gevre ko§ullanna dayamm gibi

ge§itli ozellikler ta§lmal!d!r Bu amaca

yonelik segenekler a§agJdaki gibidir:

• Elektroaktif polimerler (electroactive

polymers, EAP),

• ~ekil hafJzall ala§lmlar (shape memory

alloys, SMA),

• ~ekil haf1zal! polimerler (Shape memory

polymers , SMP),

• Nanokompozitler (Nanocomposites).

Elektroaktif polimerler, bir uyanya kar§l

cevap verebilir ve ayarlanabilir ozelliklere

sahip olduklan igin §ekil degi§tiren kanat

uygulamalan igin uygun malzemeler olarak

kabul edilebilir. iletken polimerler, iyonik

polimer-metal kompozitleri ve dielektrik

elastomerler bu tur malzemelere ornek

olarak verilebilir. Esas olarak EAP, elektriksel

enerjiyi mekanik enerjiye gevirebilme

ozelligine sahiptir Malzemenin segimi

uyanc1ya bagh gerinim, uyanc1 kuvveti,

uyanc1 h!Zl, uyanc1 voltaj1, ve uygularna igin

gereken tepkeye bagl!d1r. Literaturde,

EAP'ye ornek olarak iletken polimerlerin

karbon nanotiip gibi iletken dolgu maddeleri

ile birlikte kullamm1 dikkat gekmektedir

Karbon bazl! dolgu maddesi eklendiginde

polimer malzemeye ri)itlik ozelligi kazan­

dmhrken malzemenin §ekil geri kazamm1 igin

gerekli olan uyanc1 performans1 da artmlml§

olur.

~ekil haf1zah polimerler, voltaj uygulamasma

bagl! olarak §ekil geri kazan1m1 saglaya­

bildikleri igin elektroaktif bir malzeme olarak

§ekillendirilebilen ugak uygulamalannda

kullan!labilirler. Gene! olarak elektriksel etki,

polimer malzemede §ekil degi§ikligini

gergekle§tiren bir uyanc1 olarak dii§iinii­

lebilir. Buna ek olarak lSI!, kimyasal, optik ve

manyetik uyan mekanizmalan da bulun­

maktad!r Ancak elektriksel uyancJ!ar, ek

donan1m gerektirmemeleri ve pratik olmala­

nndan dolaYJ §ekil degi§tiren kanatlarda kul­

lamlmaya daha uygundurlar.

~ekil haf1zal1 polimer malzemeler elektriksel

veya yukanda belirtilen uyanlmalara cevap

olarak orijinal §ekillerini kazanabilirler; §ekil

ya da ozelliklerini de<Ji§tirebilirler. Elektriksel

ya da ISII uyanlma ile bu malzemeler, eger

gegi§ S!Cakl1gmm (earns! gegi§ S!Cakllgl gibi)

uzerine ISlhhrsa §ekil haf1za etkisi ba§lahlrm§

olur. Bu etkiyi malzemenin yap1smdaki sert ve

yumu§ak olmak uzere iki ayn faz belirler.

Ozellikle §ekil degi§tiren kanat uygulamalan

igin elektrikle veya lSI ile uyanld1gmda

malzeme yumu§ar ve kanadm yeni §ekline

uyumlu olacak §ekilde uzarna gosterir, eger

sogutulursa haf1zasmdaki §ekline geri doner.

Malzemenin 6zgun durumu, sert ve yiiksek

moduliisu olan bir yap1 ozelligindedir, yani

onun haflzasmdaki §eklidir. Elektrik, lSI veya

optik bir uyanc1 ile uyanld1Q1nda, §ekil haflzall

polimerler dii§iik moduluse sahip bir

elastomer haline gelir ve bu halde iken

uzayabilir ve kontrol mekanizmalan ile ba§ka

§ekle donii§ebilir Tekrar uyanld1klannda

ozgun durumlanna donerler .

~ekil haf1zall polimerler, termoplastik ya da

termoset malzemeler olabilir Malzemenin

sert ve yumu§ak kls1mlan sentez SJrasmda

ayarlanabilir. Boylece malzemeye istenilen

oranlarda rijitlik ve elastikiyet kazandmlabilir.

Sert klSJmlarm yumu§ak klSJmlara oran1,

malzemenin elastomerik ozelliQini belirler.

Son YJllarda §ekil degi§tiren yap1lar igin

kompozit malzeme kullanlml dikkat gekrnek­

tedir. ~ekil haf!zal1 polimere (epoksi, termo­

plastik elastomer, v.b.) iletken bir dolgu

maddesi (karbon nanotup, ginko oksit,

baryum titanat, karbon fiber larninat gibi)

eklendiginde §ekil degi§tiren kanatlarda

kullarulmak uzere ustiin ozelliklere sahip

kompozit malzemeler elde edilebilir . ~ekil

:)ekil II: :)ekillendirilebllir hava arac1 uygulamalannda kullamldJijJ bilinen bir malzeme

ll 'de bu tip malzemelere bir ornek goriil­

mektedir.

C. Tasanm, Ugu§ Mekanigi ve Kumanda

Kanunlan

U ~ak tasanm si.irecinin ilk safhaS! olan ag1rllk

ve boyutland1rma hesaplamalannda, benzer

tipte u~aklann ozelliklerini kullanarak y:tllar

i~inde baz1 istatistiksel ve ampirik yontemler

geli§tirilmi§tir. Gi.ini.imi.izi.in sabit kanatll

u~aklanmn tasanmmda bu yontemlerden

s1kllkla faydalamlmaktad1r. $ekillendirile­

bilen u~aklar i~in benzer u~aklardan olu§an

bir veri tabam olmad1gmdan, boyle bir

yontemin kullamlmasma olanak yoktur.

Bunun yerine, sonlu elemanlar yontemi

kullamlarak bir yapay veritabam olu§tU·

rulmaS!, ag1rllk tahmini ile boyutland1rmanm

ise bilinen yontemlerle devam ettirilmesi

onerilmektedir

Konvansiyonel sabit kanatll u~aklann aksine,

§ekillendirilebilir bir hava aracmm aerodi­

namik analizi degi§en u~U§ §artlanmn yam

s1ra u~agm geometrisindeki degi§imleri de

dikkate almak durumundad1r. Bu gereksinim,

kavramsal ve on tasanm evrelerinde h1zll ,

dogruluk derecesi yi.iksek ve aym zamanda

her geometri degi§tiginde yeni bir <;ozi.im ag1

olu§turulmasma ihtiya<; duymayan bir

yakla§lm kullamlmasm1 zorunlu k1lar.

Wickenheiser ve Garcia tarafmdan onerilen

"ta§ly:tCl ~izgi" (lifting line) yakla§lilll boyle bir

gereksinimden dogmu§tur. Bu yakla§Jmda i.i~

boyutlu kanadm, birbirlerine <;eyrek veter­

lerinden tutturulmu§ bir dizi kanat profilinden

olu§tugu varsay:tlmaktad1r. Her bir kanat

profili ger<;ek kanat i.izerindeki konumlanna

ve a~1lanna kar§lllk gelecek §ekilde <;ozi.ime

dahil edilmektedir. Daha soma her bir profilin

toplam ta§lma ve si.iriikleme kuwetlerine

olan katk:J.lan hesaplanmakta ve kanat a<;1kl1g1

boyunca integral almmak suretiyle kanadm

toplam ta§lma ve si.iri.ikleme kuvveti

bulunmaktad1r.

Gi.ini.imi.izde u<;aklann tasanm1 ve u<;u§

mekanigi analizi i<;in kullamlan yontemlerin

bi.iyi.ik bir <;ogunlugu u<;ag1 rijit kabul etmekte

ve dogrusal yakla§lilll benimsemektedirler.

$ekillendirilebilen bir u<;agm u<;U§ modelinin

geometrideki degi§imleri de hesaba katarak,

dogrusal olmayan bir yonternle geli§tirilmesi

gerekmektedir .

Tum u<;ak geli§tirilme si.ire<;lerinde oldugu

gibi, §ekil degi§tirebilen bir u<;agm da riizgar

ti.ineli testlerinin yap1lmas1 gereklidir. Ri.izgar

ti.inellerinin boyutlanndan dolay:t, testlerde

kullamlan modeller genelde ger<;eklerinin

ki.i<;i.ilti.ilmi.i§ birer kopyaS!dli. $ekil degi§·

tirmeyi saglayacak mekanizmamn belli

ol~egin altmda ki.i<;i.ilti.ilmesi teknik olarak

mi.imki.in olmayacagmdan, boyle bir u<;agm

riizgar ti.ineli modelinin l/l ol<;ekte olmaS!

gerektigi di.i§i.ini.ilmelidir.

Yine her geli§tirilme si.irecinde oldugu gibi,

§ekillendirilebilen u<;aklann da u~U§ testle­

rinin ger~ekle§tirilmesi gereklidir. Boyle bir

u<;agm bir iHA olacag1 di.i§i.ini.ildi.igi.inde,

kumanda ozelliklerinin sabit kanatll konvan­

siyonel bir u~aktan farkl1 olacag1 a<;1kt1r.

Dolay:ts1yla, boyle bir u~agm ger<;ek u<;U§U

yap1lmadan once, sana! ortamda bir simi.i­

latorde u<;urulmas1 gereklidir. Bu sure<;, boyle

bir u<;ak i<;in konvansiyonel sabit kanatll bir

u<;aga gore <;ok daha bi.iyi.ik onem arz

etmektedir. U<;u§ testleri S!rasmda, u<;U§

bilgileri ile u<;agm yap1smm aerodinamik

kuwetlere verdigi tepkileri ger<;ek zamanll

olarak izlemek i<;in bir telemetri sistemine de

ihtiya<; vard1r.

D. Yap1sal Tasanm, Analiz ve Kontrol

Akl.lll kanatlar ya da goreve uyumlu kanatlar

olarak tan1mlanan kanat yap1lan, aerodi­

namik yi.ik dagJl!mml alg1lay:tcllar sayesinde

fark eden ve gorev §artlanmn gerektirdigi en

iy:t yi.ik dag1llmml i.iretecek yeni kanat §eklini

uyancllar vaS! laS! ile ortaya <;1karan kanat­

lard1r. Bu amaca ula§mak i<;in kanat ya da

benzer §ekildeki herhangi bir kontrol

yi.izeyindeki flap, irtifa di.imeni, istikamet

di.imeni degi§ikliklerini alg1layabilecek

dag1t1lml§ alg1lay:tcllar ve bu algJ!ay:tcllardan

gelecek sinyalleri i§leyip gerekli komutlan

uyanc1lara iletecek bir kontrol mekaniz-

GUNDEMi 63 masma ihtiya<; vard1r. Bu kontrol mekanizmas1

kendi ba§ma alg1lama ve uyarma ozelligine

sahip olmanm yanmda gi.irbi.iz de olmal!dlr.

Uyanc1lann temel gorevi, bulunduklan

yi.izey:tn geometrisini degi§tirmek suretiyle o

yi.izeydeki aerodinamik yi.iki.in dag1llmm1

istenen konfigi.irasyonda en uygun hale

getirmektir. Th§lma yi.izeyine etki eden

aerodinamik kuwetler yi.izey:tn geometrisiyle

dogrudan ili§kilidir ve bu yi.izey §ekli ne kadar

iy:t kontrol edilirse, yapmm aerodinamik

verimi o kadar yi.iksek olur. Bunlara ek olarak,

se<;ilecek algJ!ay:tcJ-uyancl ~iftlerinin bagll

olduklan yapmm pasif yap!sal ozelliklerini

~ok degi§tirmeden, yap1daki hareketli

par~alann azaltllmasma katkida bulunacak

§ekilde yerle§tirilmeleri de almacak verimde

onernli etkenlerden biridir.

1990 itibariyle h1z kazanan ''AktifEsnekKanat"

ve ''Aktif Aeroelastik Kana!" programlan,

teknolojik geli§melerden de faydalanarak bu

dalda geli§melerin saglanmasma onayak

olmu§tur Aktif kanat tasanmlan, 2000'li y:tllar

itibariyle iHA'larda uygulanmaya ba§laml§tlr.

Bu uygulamalar, kanat yi.izeylerinin ku§lara

benzer bir §ekilde daha verimli ve goreve

uyumlu olarak kullan1lmasm1 hedeflemi§tir.

Kanat yi.izeyindeki §ekil degi§iklikleri gene!

olarak kamburluk, ve burulma degi§iklikleri

olmak i.izere iki kategoride yapllml§tlr. Bu

degi§iklikler, alman ol<;i.imleri degerlendiren

gi.irbi.iz kontrol teorileri kullamlarak yapll­

ml§tlr. Literati.irdeki son yay:tnlar, geleneksel

kanat yap1lannm yerine yeni konseptler

geli§tirerek bunlar1 incelemektedir. Bunlara

ornek olarak Manner, Campanile ve

Anders' in kambur degi§ikligi i.izerine yaptlgi

<;all§malar gosterilebilir. Manner· in geli§·

tirmi§ oldugu yap1sal konsept, yolcu u~ak­

lannm kanatlanndaki geleneksel kontrol

yi.izeylerini devamll yi.izeylerle yenilemeye

yoneliktir. Kanadm arka kism1, birbiri i.izerinde

hareket edebilen donen par<;alar ve dogrusal

rulmanlar sayesinde §ekil degi§tirebilen bir

yap1ya doni.i§ti.iri.ilmi.i§ti.ir. Campanile ve

Anders da benzer bir yakla§lmla kanadm i<;

yap1s1m degi§tirmi§ ve kontrol kuwetleri

uygulayarak kambur degi§ikligi saglaml§·

lard1r. Bendiksen, modelledigi tork i.ireten

uyanc1 ti.ipler sayesinde esnek kanatlarda

burulmaYJ kontrol ederek kanat <;!rpmasmm

engellenebilecegini ve aym zamanda kanat

yap1sal ag1rhgmm %40'lara varan oranlarda

azaltJlabilecegini gbstermi:;:tir.

Bu tiir kanatlann tasanmmda, yap1sal a<;1dan

a:;:ag1daki ad1mlar izlenmektedir. bncelikle

yap1sal tasanm a:;:amasmda gbreve uyumlu

kanat konseptleri geli:;:tirilmekte, bu noktada

daha soma kullan1lacak olan algJlaYJC!lar ile

PZT ve/veya SMA ve/veya mekanizma tipi

uyanc1lar belirlenmektedir. Bunlann ardm­

dan bilgisayar ortammda gbreve uyumlu

kanadm kat1 modelleri ve sonlu elemanlar

modelleri haz~rlanmaktad1r. Uretimde kulla­

mlacak kuvvetli ve esnek polimer tipi

malzemelerin belirlenmesinin ardmdan

malzemelere ait veriler sonlu elemanlar

madeline uygulanmakta ve kanadm dogal

frekanslan ile titre:;:im bi<;irnleri belirlenmek­

tedir. Ardmdan <;e:;:itli bilgisayar benze:;:imleri

yardJmJyla, kanat sonlu elemanlar modelinin

iyile:;:tirilmesi ve buna bagl! olarak en hafifve

dayamkh kanat modelinin belirlenmesi

a:;:amalan ger<;ekle:;:tirilmektedir.

Havac1hk yap1lannda <;ok bnemli olan

aeroelastik analizler; belirlenen aerodinamik

kuvvetlerin olu:;:turulan kanat madeline

uygulanmaSJ ve kanat JraksamaSJ ve kanat

<;1rpmas1 gibi statik ve dinamik aeroelastik

etkilerin incelenip degerlendirilmesiyle

yap1lmaktadJr.

Gbreve uyumlu kanatlann en bnemli

bzelliklerinden birisi de kontrol edilebilir

olmaland1r. Bu baglamda aktif kontrol

ybntemlerinin tasanm1 siirecinde; tasarlanan

kanadm yap1sal ve aerodinamik bzellikleri

gbz online almarak, maksimum kald!rma

kuvveti ve minimum siirtiinme kuvvetini

saglayacak olan kanat :;:eklini olu:;:turacak bir

denetleme ybnteminin tasarlanmaSJ gerek­

mektedir. Bunun i<;in kontrol sistem modelle­

rinin elde edilmesi ve benze:;:imlerinin

saglanmasmm ardmdan uyanc1lann uygu­

layabildigi kuwetleri ve gil<; gereksinmelerini

de irdeleyerek, denet<;iler tasarlanmakta ve

giirbiizliikleri saglanmaktad1r. Denet<;ilerin

yap1ya uygulanmaSJ ve deneysel verilerle

sistem modellerinin iyile:;:tirilmesi kontrol

siirecindeki diger ana i:;:lernlerdir. Aeroelastik

analizlerve aktifkontrol analizleri gbz bniinde

tutularak, geli:;:tirilen kontrol yiizeylerinin ve

ybntemlerin yap1ya uygulanmaSJ ve denen­

mesi ile aeroservoelastik analizler de yapJl­

maktadJr.

Yap1sal a<;Jdan bnemli bir nokta da gbreve

uyumlu kanada ait yer testleridir. Bu testlerde

bncelikle iiretilecek kanat modelinin statik

testleri yap!lmakta ve mukavemet bzellikleri

belirlenmektedir. Teorik olarak elde edilen

rezonans frekans1 ve titre:;:im bi<;imlerinin

dogrulanmas1 amac1yla yap1lan testier kana­

elm dinamik testleri olarak tammlanmaktad1r.

IY.Sonu~

Yukanda verilen bilgilerin l§Jgmda, :;:ekillen­

dirilebilen hava ara<;lannm ve ilgili tekno­

lojilerin havacJl!kta bir devrim yaratma

potansiyeline sahip oldugu sbylenebilir. Bu

teknoloji sayesinde u<;aklann kumanda

mekanizmalan, performans bzellikleri, yaklt

ekonomileri ve agJrl!klannda bnemli iyile:;:­

melerin olacag1 bngbriilmektedir. Sivil ve

askeri u<;aklann gbrev ba:;:anm ve gbrev

esneklik diizeyleri artacak, ve normalde <;ok

saYJda u<;ak tipi gerektiren gbrevler daha az

saYJda u<;ak tipi ile yerine getirilebilecektir.

Bu teknolojinin klsa vadede kullan1mmm sabit

kanatl! askeri insans1z hava ara<;lannda

olacag1 a:;:ikard1r. Ancak, teknolojinin orta ve

uzun vadede sivil u<;aklarda ve hatta dbner

kanatl! hava ara<;lannda kullan!ml :;:imdiden

bngbriiler dahilindedir. Avrupa Komisyonu

tarafmdan 2008 YJ.lmda ba:;:latJlan Cleansky

Mu:;:terek Teknoloji Inisiyatifi'de bu tekno­

lojinin bnemini ve potansiyelini vurgula­

maktadJr.

Ancak :;:ekillendirilebilir hava ara<;lan ve ilgili

teknolojiler heniiz biiyiik oranda emekleme

a:;:amasmdad1r. Biiyiik bl<;ekli :;:ekil degi:;:ik­

liklerine olanak verecek malzeme ve yap1lar

heniiz tan1mlanma ve geli:;:tirilme a:;:amasm­

dadJr. Kald1 ki, bu tip hava ara<;lan i<;in yaygm

kabul gbrmu:;: tasanm, aerodinamik ve u<;u:;:

mekanigi analiz ybntemleri de geli:;:tirilme

a:;:amasmdad1r.

Kl\YNl\KyA

l) B. Canfield and J. Westfall, Distributed actuation system for a flexible in-plane Morphing wing, Advanced Course on Morphing Aircraft , Mechanisms and Systems, Lisbon, Portugal, 2008.

2) M. D. Skillen, W A. Crossley, Modeling and optimization for morphing wing concept generation, NASNCR-2007-214860, 2007.

3)A.-M. R. McGowan, Overview: morphing activities in the USA, Advanced Course on Morphing Aircraft, Mechanisms and Systems, Lisbon, Portugal, 2008.

4) http:/ /www.aer.bris .ac .uk/research/morphing/mor ph-intro.html.

5) http://www. composi tesworld. com/articles/the­changing -shape-of-future-aircraft.

6) http:/ /wwwflightglobal .com/articles/2006/08/15/20 8463/lockheed-martin-and-nextgen-aeronautics­start-fast-morphing-uav-tests-turning-attention-to­attack.htrnl.

7) M. I. Friswell, Active winglets, bi-stable structures and compliant mechanisms, Advanced Course on Morphing Aircraft, Mechanisms and Systems, Lisbon, Portugal, 2008.

8) P Gamboa, J. Vale, F. Lau, A. Suleman, Multidisciplinary design optimization of a morphing wing, Advanced Course on Morphing Aircraft, Mechanisms and Systems, Lisbon, Portugal, 2008.

9) http://www.flxsys.com/Pro]ects/MACW/

10) H. P Manner, D. Sachau and E. Breitbach, Design aspects of the elastic trailing edge for an adaptive wing, Structural Aspects of Flexible Aircraft Control, Ottawa, Canada, 1999.

ll) C. Thill, J. Etches, I. Bond, K. Potter and P Weaver, Morphing skins, Aeronautical J., Vol. 112, pp. 117-139,2008.

12) S. Ricci, Adaptive camber mechanism for morphing-experiences at DlA-PoliMi, Advanced Course on Morphing Aircraft, Mechanisms and Systems, Lisbon, Portugal, 2008.

13) L. F. Campanile and S. Anders, Aerodynamic and aeroelastic amplification in adaptive belt-rib airfoils, Aerospace Science and Technology, Vol. 9(1), pp.55-63, 2005.

14) G. P Carman, Novel motors for Morphing applications , Advanced Course on Morphing Aircraft, Mechanisms and Systems, Lisbon, Portugal, 2008.

15) Kikuta, M.T., Mechanical Properties of Candidate Materials for Morphing Wings, M.Sc. Thesis, Virginia Polytechnic Institute and State University, 2003.

16) Schultz, M. R., US Patent7,32l, 185,2008.

17) J Kim, Y Kang, Z. Ounaies, S. H. Bae and S. Yun, "Electroactive paper materials coated with carbon nanotubes and conducting polymers", American Society of Mechanical Engineers, Aerospace Division (Publication), Vol. 70, pp.59-63, 2005.

18) W J Cho, W J Kim,Y C. Jung and N. S. Goo, "Electroactive shape memory polyurethane composites incorporating carbon nanotubes" , Macromolecular Rapid Communications, Vol. 26, pp. 412-416, 2005.

19) C. Huang, and Q. Zhang, "Enhanced dielectric and electromechanical responses in high dielectric constant all-polymer percolative composites", Advanced FUnctional Materials, Vol. 14, pp. 501-506, 2004.

20) http://www.crgrp.com/technology/materialsportfolio/veriflex.shtml.

21) A. M. Wickenheiser, and E Garcia, ':Aerodynamic modeling of morphing wings using an extended lifting-lineanalysis",J.Aircraft, Vol. 44, pp.l0-16, 2007.

22) M.S. Shearer and C. E. S. Cesnik, "Nonlinear flight dynamics of very flexible aircraft", J Aircraft, Vol. 44, pp.l528-l545, 2007.

23) Pendleton, E., Lee, M. and Wasserman. L., Application of active flexible wing technology to the Agile Falcon,J.Aircraft, Vol. 29, pp. 444, 1992.

24) Pendelton, E., Bessette, D., Field, PB., Miller, G. D., Griffin K. E., TheActiveAeroelasticWing (AAW) Flight Research Program, AlAA Paper 98-1972, Proc. AlAA/ASME/ASCE/AHS/ASC 39th SDM Conf., Long Beach, CA, April20-23, 1998.

25) Gem, F.H., Inman, D,J. and Kapania, R.K., Structural and Aeroelastic Modeling of General Planform Wings with Morphing Airfoils, AlAAJ, Vol. 40( 4), pp. 628, 2002.

26) Sanders, B., Eastep, F.E. and Foster, E ., Aerodynamic and Aeroelastic Characteristics of Wings with Conformal Control Surfaces for Morphing Aircraft, J Aircraft, Vol. 40(1), pp. 94, 2003.

27) Amprikidis, M. and Cooper, JE , Development of Smart Spars for Active Aeroelastic Structures, AlAA Paper2003-l799, 2003.

28) Manner, H. S., Realization of an optimized wing camber by using formvariable flap structures, Aerospace Science and Technology, Vol. 5, pp. 445, 200 l.

29) Bendiksen, 0. 0., Hwang, G. Y, :A Flitter Control Concept for Highly Flexible Transonic Wings', 38th AlAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures , Structural Dynamics and Materials Conference, Kissimmee, FL,April7-9, 1997.

rof. Dr. Serkan OZGEN

ODTU Havac1hkve Uzay MiihendisliQi Bbliimii Ogre tim Uyesi

16 :;;ubat 1970 tarihinde izmir'de dogdu. l987'de TED Ankara Koleji Lisesi'nden

mezun oldu. Daha soma 1992 ve 1994 YJllannda Orta Dogu Teknik Universitesi,

Havac1hk Miihendisligi Boliimii'nden Lisans ve Yiiksek Lisans dereceleri ile mezun

oldu. 1994 YJlmdan ba:;;layarak ara:;;orma ve egitim <;:all§malarmJ Belgika'da bulunan

Von Karman Enstitiisii'nde siirdiirdii. Burada 1995 YJlmda Lisansiistii Diploma

egitimini, l999'da ise Doktora galJ:;>malanm tamamlad1. 1999 YJlmda Tiirkiye'ye

donerek Orta Dogu Teknik Universitesi, Havac1hk ve Uzay Miihendisligi

Boliimii'nde Ogretim Uyesi olarak goreve ba:;;lad1. 2007 YJlmda bir YJlhk

akademik izin gergevesinde TUSA:;;-Tiirk Havac1hk ve Uzay Sanayi A:;;'nde 'Th.sanm Uzmam olarak gorev

yaptJ. Akademik gal1:;>malanm akl:;;kanlar mekanigi, aerodinamik, ugu:;; dinamiQi ve ugak tasanm1 iizerinde

siirdiirmektedir. Ulusal ve UluslararasJ dergilerde basJ!mJ§ ve bilimsel toplantJ!arda sunulmu:;; 50'den fazla

makalenin yazand1r. Serkan OZGEN evli ve bir kiz gocuk babas1d1r.