İnsansız Savaş Uçağı Bayraktar Kızılelma Neden Önemli Bir Teknoloji Ürünü?
bayraktar kızılelma... emeği geçen herkesi tebrik etmek gerek potansiyeli yüksek bir başarıdır. tabii bu sadece ilk uçuş, ecnebilerin deyimiyle maiden flight. bir gövde tasarlayıp bunu uçurmak hafife alınacak bir iş değil, şu an ortasındayım oradan biliyorum.
uçuş sırasında neler denendi tabii onları bilmek mümkün değil. biraz neden önemli bir iş olduğuna değineyim.
vizyon açısından insansız bir savaş uçağı tasarlamak neden önemli bir şeydir?
insanlı savaş uçaklarında manevra yaparken savaş pilotları her ne kadar fiziken eğitimli de olsa, insan vücudunun sınırları vardır. ortalama bir insan kısa bir süre için yer çekiminin dokuz katına dayanabilir. eğitimli savaş pilotları için belki bu 10 ya da 11 olabilir ama limitiniz insan vücududur. insan vücudunun kaç g kuvvetine kadar dayanabileceği konusunu burada bırakayım.
insansız bir süpersonik jet tasarladığınız zaman teknik olarak içinde insan olmadığı için çekebileceği g kuvvetinin limiti de artık başka parametrelerden etkileniyor.
1) uçağın yapısal mukavemeti
uçak en nihayetinde bir bütündür. maruz kalacağı aerodinamik kuvvetler nedeniyle üzerinde çeşitli dönme, burulma gibi streslerle normal stresler oluşacaktır. yapısal iskeletin bu kuvvetleri taşıması gerekir. daha sağlam bir iskelet yapmak istedikçe ağırlaşır. daha az kuvveti taşıyacak daha hafif malzeme bulmak, geliştirmek tabii ki malzeme biliminin en güncel konularından biridir.
buna ek olarak, flutter denen ve aslında kararsız hava hareketlerinin yarattığı kararsız basınç kuvvetlerinin uçak gövdesi üzerinde yarattığı döngüsel kuvvetlerin uçağın doğal frekansından uzak bir frekansa sahip olması gerekir.
aksi takdirde tablo bu olur
2) aerodinamik performans
aerodinamik performansı dikkate alarak bir tasarım yaparken kontrol etkinliği önemli bir parametredir. bu noktada taşıyıcı kanatların büyüklüğü, ağırlık merkezinin yeri ve kontrol yüzeylerinin büyüklüğü temel unsurlardır. savaş uçakları genellikle kararsız olacak şekilde tasarlanır. bunun nedeni yüksek manevra yapabilmesine duyulan ihtiyaçtır.
hücum açısı, dümen açısı ve bu ikisinin farklı bütün kombinasyonlarında bütün uçakların bir trim koşulu vardır. bu trim koşulu aslında uçağın ağırlık merkezine bütün momentlerin sıfır olduğu noktayı temsil eder. kontrol etkinliği denilen mefhum ise bir hücum açısı altında bu momenti trimlemek için kontrol yüzeylerinin kaç derece oynatılması gerektiğini belirtir.
bu oran büyüdükçe, manevra yapması daha zor ve stabil bir tasarıma ihtiyacınız olur. çünkü uçakta ve kontrol kanatçıklarındaki hücum açısının alabileceği limitler, kanadın stall'a düşeceği limit hücum açılarıyla sınırlıdır. stall'a girilmesi anlık performans kayıpları getirir eğer şiddetli bir stall ise. bu yolcu uçakları için pitch down yaparak kanat üstünü stall'dan temizledikten sonra yeniden lift konumuna getirilmesini elzem kılar. savaş uçaklarının motorlarından dolayı sahip olacağı yüksek itki/ağırlık oranı stall'dan daha kolay kaçmalarına yardımcı olabilir.
savaş uçaklarında kontrol etkinliği küçük olur. sert manevra kabiliyetleri için küçük yunuslama ve yalpalama kontrolünde uçağı hızlıca bambaşka bir trim koşuluna intikal etmeye zorlarlar. bir uçağın 60 derecelik hücum açısında uçuş senaryoları olabilir ama burada bir trim koşulu olmaz. çünkü shed vortexlerin, yani kanat ve gövde arkasına dökülen girdapların büyüklüğü çok artar. çok büyük olan bu girdaplar ayrıca kararsız bir basınç alanında gezinirler. bu yüzden gövde üzerindeki basınç dağılımı zamana bağlı olarak sürekli oynar.
o zaman neden aşırı düşük kontrol etkinliği tercih edilir? temel nedeni yüksek trim koşulu değil çabuk dönme gereksinimidir. diyelim ki kontrol yüzeyinizdeki kanatçık 10 derece etkin hücum açısında stall'a giriyor. kontrol etkinliğinizi 0.1 seçerseniz, 6 derece etkin pitch komutunun 60 derecede trim oluşturmasını beklersiniz. 60 derece hücum açısında uçağın stall'dan stall'a koşacağı ve bu noktada zaten bir trim koşulu gelişemeyeceği ortadadır. özellikle kobra manevrası yapılırken bu hücum açılarına tabii çıkılabilir ama bunun kararlı bir trim koşulu olmayacağı unutulmamalıdır.
askeri gösteri uçakları zaman zaman bu hücum açılarında stabil bir uçak görüntüsü verdiği zaman, uçağın bilgisayarı işlemci kapasitesinin kahir ekseriyetini yaw ve pitch otopilotuna harcıyordur.
asıl neden sert ve ani manevra yapabilme kabiliyetinin kazanımıdır. it dalaşında uçakları galebe çaldıran mekanizma ani manevra yapabilme kabiliyetidir. savaş uçağı pilotu kısa süre içinde, sensörden gelen verileri işleyip düşman uçağına önleme yapacağı zaman hangi komutları işleyeceğini bilmelidir. bunu da deli gibi bir g kuvveti altında yapması gerekir ve her saniye kararını yeni verilerle günceller. tabii insansız süpersonik bir uçağın böyle bir limiti yoktur.
3) aerodinamik stabilite
böyle bir uçak tasarladığınızda, uçak kararsız tasarlanır ki manevra kabiliyeti yine yüksek olsun. kararsız olması demek, uçağın aldığı hücum açısı arttıkça daha çok moment üretir hale gelmesi demektir. bu noktada kararsız aerodinamiğin kendine has problemleri ortaya çıkmaya başlar. yüksek hücum açıları altında gelişen girdaplar sürekli basınç alanından değişik bilgiler taşırlar.
türbülans ile beraber bu bilgiler kolmogorov ölçeğine ulaşana kadar daha küçük enerjili girdaplara ayrılırlar. buna neden olan kuvvet vorticity stretching terimidir. her bir küçük girdap farklı frekansta hareket ederken basınç alanından da farklı bilgiler taşımaya başlar. böylece basınç alanının içinde de küçük süreksizlikler gelişir. bunların türbülans ile hangi dereceye kadar etkileşime gireceği ilginç bir konudur.
odtü'deki sevgili dostumun da dediği gibi doğa low pass filter şeklinde çalışır. yani yeterince büyük frekansların şiddeti ne olursa olsun, uçağın stabilitesini etkilemez. dolayısıyla kütle eylemsizlik matrisleri için her uçağın farklı bir kritik frekans eşiği vardır. bunun üstündeki salınımlar önemsizleşir.
uçağı ne kadar unstable tasarlarsanız, bu aerodinamik kararsızlıkların şiddeti artacaktır. dolayısıyla sizin için kritik olan frekans eşiğinin üzerinde trimlemeniz gereken osilasyonlar vuku bulur. bunun sadece düşük kontrol etkinliği yetmez, aynı zamanda bu kontrol etkinliğinde hızlı ve robust çalışacak bir otopilot gerekir.
4) otopilot ve kontrol
uçağı ne kadar unstable tasarlarsanız, kontrol etmesi o kadar zorlaşır fakat işin doğası gereği daha yüksek manevralar yapabilecek bir uçağınız olur. uçuş bilgisayarı temel olarak iki işlevi yerine getiren bilgisayardan oluşur. bunlar uçuş bilgisayarı ve görev bilgisayarıdır.
görev bilgisayarı, uçaktaki bütün sensörlerden gelen verileri işler. bunlar insansız bir sistem için pilotun verdiği komutlar olabileceği gibi, uçak üzerindeki sensörlerden düşman uçakların konum ve zaman bilgisini içeren sinyaller de olabilir. bunların sonucunda genellikle görev bilgisayarı uçuş bilgisayarına bir emir verir.
uçuş bilgisayarıysa uçağın özellikle mach, irtifa, phi-theta-psi açıları, rudder-aileron-elevator komut açıları, anlık ağırlık merkezi bilgileri gibi bilgilerini içinde tutar. uçuş bilgisayarına herhangi bir komut geldiğinde bu bilgisayar bir komut verir. salak bir cümle oldu farkındayım ama böyle.
gelen komut diyelim ki 5 derece elevator açısı istedi. yani burnu yukarı çekmek istiyor ki muhtelemen irtifa artıracak. bu komutun gelmesi sadece burnun yükselmesi ama uçağın dönme ve dümen eksenlerinin stabil kalmasını içinde barındırır. yani elevator bir komut işlerken, yaw ve roll otopilotu olarak aktif şekilde stabilite sağlamalıdır.
bu sinyalin, hem otopilot ve hem de aktif komut için bir işlenme hızı var. uçağı unstable tasarladığımız için burnu yukarı kaldırdıkça daha fazla moment kazanarak burnu daha hızlı yukarı kaldıracak. bu güzel ama trim noktasından geçerken daha hızlı bir açısal moment ile geçecek. bu yüzden aerodinamik tepki hızından daha hızlı sürede komutunun aerodinamik instabiliteden gelen ek momentleri de çabucak trimlemesi gerekecek.
buna ek olarak yaw ve roll otopilotlarının herhangi bir osilasyona karşı sürekli stabilite için çeşitli aralıklarla rudder ve aileron basması gerekecek. çünkü komut sadece elevator içeriyor yani z ve x momentlerinin sürekli sıfır etrafında tutulması gerekiyor.
bu tarz uçuş dataları bu yüzden çok önemlidir. her ne kadar muhtelif cfd verileriyle bir aerodinamik veritabanı çıkarsanız da, uçağın gerçek durumdaki performansını özellikle de unstable tasarlanmış bir uçak için steady rans ile hayatta kalamazsınız, hele bir de yüksek hücum açılarını da zorlayacaksanız.
bu noktalarda otopilotların gain matrislerini optimize edecek kontrolcü peşindeyseniz ve bunu cfd ile yapacaksanız, steady rans değil des ya da les yaparak yeteri kadar zaman adımı koşturduktan sonra fft analiziyle uçağın farklı momentlerdeki dominant modlarına bakmanız gerekir. bu dominant modlar da o koşuldaki stabilite için ilgili otopilota ayırmanız gereken gain bilgisini verecektir.
gainleri çok aşağıya çekerseniz robust bir otopilot olur ama manevrabiliteden yersiniz. zaten gain matrisleri de dinamik tasarlanır. ayrılacak gain matrisini uçuş bilgisayarı bir lookup tablosu kullanarak hesaplar. ilk uçuş öncesi cfd'den gelen ve daha sonra uçuş verileriyle beraber optimize edilen bu veritabanı, komutun hesaplanma süresini uzatır. bu da performansı düşürür.
bunun yerine çok parametreli bir fonksiyon kullanarak uçuş koşullarına bağlı olarak tek bir fonksiyon üzerinden hesaplamayı öneren bir yöneticim vardı. kendisiyle amir-çalışan ilişkisi içinde değil de hoca-öğrenci ilişkisi içinde olmak istediğimi hep söylemiştim. 6-dof ile cfd verilerini birleştiren modeller de var. bildiğim kadarıyla lockheed martin tarafından geliştirilmesine önem veriliyor ve kullanılıyor. fakat bu noktada yazılım geliştirilmesine destek verecek kaynak ve zaman sıkıntısı içinde olduğumuzu belirtmeliyim.
bu problemlerin çoğu savaş uçakları için de vardı ama insan vücudundan kaynaklanan limitler nedeniyle daha alt bir noktada optimizasyon gerektiriyordu. insansız bir savaş uçağında ise, limitiniz malzeme mukavemeti ve aerodinamiğe olan hakimiyetiniz oluyor. bu hakimiyet ise kuşkusuz uçuş mekaniği, kontrol ve aerodinamik disiplinlerinin arasında bir optimizasyon gerektiriyor.
aklıma gelen konular şu ana kadar kabaca bunlardan ibaret
elbette şu an hatırlamadığım ve belki de hiç bilmediğim başka detaylar da var. kızıl elmanın potansiyeli ise insan vücudunun limitlerine takılmadan bir tasarım uzayında çalışma şansı vermesidir. ne yalan söyleyeyim mühendis olarak kıskandım böyle bir işin içinde olmak isterdim. öte yandan, baykar'ın çalışma koşullarını duyduktan sonra ise bu istek haliyle sönümleniyor çünkü tutku olarak görünce güzel ama iş olarak görünce can sıkan ve insanı mutsuz eden bir eyleme dönüşüyor. bu yüzden doktora yapıyorum zaten.
doktoramda ele aldığım problem ise bütünleşik cfd çözücülerde kullanılan yaklaşık ve tam riemann çözücülerin bu dominant modlara olan etkisini incelemekti. bitirmek için elimden geleni yapıyorum ama çalışırken çok zor oluyor. umarım bir gün biter. hayat nonlineer bir riemann problemi, onu doğrusallaştırarak yaklaşık çözücülerle çözmeye çalışmayın.