HAVA ARACI TASARIMI

Ercan Caner, Sun Savunma Net, 05 Eylül 2023

Hava Aracı Tasarımı

Hava aracı tasarımı, havacılık/uzay mühendisliği disiplininde özel bir alandır. Havacılık ve uzay mühendisliğinin akademik bölümü geleneksel olarak dört ana uzmanlık alanına sahip olma eğilimindedir: aerodinamik, uçuş dinamikleri, itki sistemi ve gövde.

Nitelikli bir uçak tasarımcısı, hava aracı tasarlamak için bu dört bilimsel kavram ve ilkelerinin tümünü kullanır, bunları özel tasarım teknikleri kullanarak bütünleştirir ve koordineli benzersiz bir sistem olan hava aracını tasarlar ve geliştirir. Tasarım; bilim, sanat ve tekniklerin birleşimidir. Bir tasarımcının bu dört alanda yeterli bilgi birikimine sahip olmasının yanı sıra matematik, beceri, deneyim, yaratıcılık, sanat ve sistem tasarım tekniklerini de kullanması gerekir.

Hava aracı tasarım süreci, belirli bir dizi gereksinimi karşılamak üzere optimum tasarımı elde etmek için bir arada harmanlanması gereken çok sayıda disiplinin karmaşık bir birleşimidir. Sistem mühendisliği yaklaşımı, müşteri gereksinimlerini karşılayan entegre ve yaşam döngüsü dengeli bir dizi sistem insanı, ürün ve süreç çözümü geliştirmek ve doğrulamak için tüm teknik çabayı kapsayan disiplinler arası bir yaklaşım olarak tanımlanır.

Çok disiplinli sistem mühendisliği tasarımı, bir sistem mühendisliği sürecinin uygulanmasını içerir ve mühendislerin birden fazla teknik alanda kapsamlı tasarım bilgisine sahip olmasını ve bunu yapmak için gelişmiş araçlar ve yöntemler gerektirir.

Türkiye’nin ‘‘Orta Menzilli’’ ilk yerli ve milli turbo jet motoru: TEI-TJ300. Kaynak: DEFENCE TURK

Karmaşık hava aracı sistemleri, yüksek maliyet ve geliştirmeleriyle ilgili riskler nedeniyle, sistem mühendisliği metodolojilerinin benimsenmesi için birincil aday haline gelir. Birçok insanlı uçağın geliştirilmesinde sistem mühendisliği tekniği uygulanmıştır. Bir hava aracı, ortak bir amaç veya amaca doğru birlikte çalışan birbiriyle ilişkili bir dizi bileşenden oluşan bir sistemdir.

Birincil hedefler, düşük maliyetle elde edilen güvenli uçuşu içerir. Her sistem bileşenlerden veya alt sistemlerden oluşur ve herhangi bir alt sistem daha küçük bileşenlere bölünebilir. Örneğin, bir hava ulaşım sisteminde uçak, terminal, yer destek donanımı ve kontroller birer alt sistemdir.

Tasarım

Tasarım, birçok kişinin rutin olarak kullandığı bir problem çözme tekniğinin daha gelişmiş bir versiyonudur. Tasarım heyecan verici, zorlayıcı, tatmin edici ve ödüllendiricidir. Bir matematik problemini çözmek için genel prosedür basittir. Tasarım çok daha özneldir, nadiren tek bir “doğru” cevap vardır. Tasarım dünyası birçok zorluk, belirsizlik, belirsizlik ve tutarsızlık içerir.

Genel olarak, bir tasarım süreci üç ana işlemi içerir: analiz, sentez ve değerlendirme. Analiz, bir tasarım adayının performansını veya davranışını tahmin etme sürecidir. Değerlendirme, eksiklikleri belirlemek için her uygun tasarım adayının performans hesaplaması ve tahmin edilen performansını karşılaştırma sürecidir. İsim sentezi, birlikte yeni bir şey oluşturan iki veya daha fazla varlığın bir kombinasyonunu ifade eder.

Bu metinde sentez, tasarım ile birbirinin yerine kullanılmaktadır. Bu nedenle sentez, bilinen şeyleri yeni ve daha kullanışlı kombinasyonlar halinde bir araya getirmenin yaratıcı süreci olarak tanımlanır. Sentez tasarımın aracıdır, değerlendirme pusulasıdır. Gereksinimleri (kısmen veya tamamen) karşılamayan aday tasarımlar tekrarlanır. Yani sentez işlemi sırasında yeni değerler, özellikler, özellikler veya parametreler belirlenir. Yeniden tasarlanan aday, tasarım gereksinimlerine uygunluk açısından yeniden analiz edilir. Bu yinelemeli süreç, tasarım gereksinimleri karşılanana kadar devam eder.

Bir tasarım süreci, sentezi, analizi ve değerlendirmeyi koordine eden bir süreci başlatan hem entegrasyon hem de yineleme gerektirir. Bu üç işlem, tasarımın yaşam döngüsü boyunca yinelemeli ve sürekli olarak entegre edilmeli ve uygulanmalıdır.

Genel olarak, uçak tasarımı altı temel disiplinin katılımını gerektirir: (i) uçuş dinamiği, (ii) aerodinamik, (iii) itki sistemi, (iv) gövde, (v) yönetim becerileri ve (vi) mühendislik tasarımı. İlk dört madde, havacılık mühendisliğinin birincil uzmanlık alanlarıdır.

Yönetim, diğer insanlarla ve onlar aracılığıyla verimli ve etkili bir şekilde tamamlanacak şekilde iş aktivitelerini koordine etmek olarak tanımlanır. Bir uçak tasarımcısının yönetim becerileri ile donatılması ve tasarım süreci boyunca bir yönetici olarak hareket etmesi gerekir.

Son olarak, mühendislik tasarımı, tasarım sürecinin merkezinde yer alır ve bir hava aracının tasarımı için gerekli olan altıncı disiplin olarak kabul edilir. Uçak mühendisliği tasarımının kendi bilimi, kavramları, temelleri, teknik terimleri ve teknikleri olduğu unutulmamalıdır.

Karar Verme

Her şeyden önce, herhangi bir mühendislik seçiminin mantıksal ve bilimsel muhakeme ve analizlerle desteklenmesi gerektiği vurgulanmalıdır. Tasarımcının sadece beğendiği için bir konfigürasyon seçmesi beklenmez. Mevcut seçimin en iyisi olduğunu kanıtlayan yeterli kanıt ve nedenler olmalıdır. Karar vermedeki ana zorluk, genellikle her biri ile ilişkili bir riskle birlikte birden çok kriterin olmasıdır.

Bununla birlikte, çoğu tasarım projesinde, birkaç kabul edilebilir tasarım alternatifinin olduğu ve tasarımcının bunlardan yalnızca birini seçmesi gereken aşamalar vardır. Bu gibi durumlarda, matematiksel olarak çözülecek doğrudan yönetim denklemleri yoktur. Bu nedenle, çözüme ulaşmanın tek yolu tasarım seçenekleri listesinden seçim yapmaktır. Bir tasarım problemi için birden çok çözümün olduğu, ancak bir seçeneğin tüm karşılaştırma alanlarında diğerlerine açıkça üstün gelmediği birçok durum vardır.

En iyi alternatifi seçmek/belirlemek için en iyi kararı verme yaklaşımı aşağıdaki gibi beş adım atmaktır.

Adım 1. Alıştırmaya dâhil edilecek tüm alternatifleri belirleyin. Beyin fırtınası tekniğini kullanarak mümkün olduğu kadar çok tasarım konsepti oluşturmaya çalışın. Bununla birlikte, tüm alternatifleri dâhil etmek ve değerlendirmek için gereken kaynaklar göz önüne alındığında, alternatifleri yönetilebilir bir sayıya indirmek için ciddi bir şekilde düşünmeniz gerekir.

Adım 2. En iyi tasarımın seçilmesindeki ikinci adım, kriterleri belirlemek ve oluşturmaktır. Bu kriterler daha sonra seçenekleri geliştirmek için kılavuz olarak hizmet eder. Bazı tasarım referansları, kriterler yerine “verim ölçüsü” terimini kullanır.

Adım 3. Sonraki adım, metrikleri tanımlamaktır. Metrikler, kriter performans ölçütlerine ve birimlerine atıfta bulunmanın kısa bir yolu olarak tanımlanır. Metrikler, ortak bir değerlendirme ölçeği oluşturarak ve her bir kriterin metriğini bu ölçeğe eşleyerek karşılaştırılamaz karmaşık bir durumun (örneğin elmalar ve portakalların karşılaştırılması) üstesinden gelmek için kullanılan araçlardır. Basit bir değerlendirme ölçeği, her kriteri mükemmel, yeterli veya zayıf olarak haritalamaktır. Bu nedenle, her tasarım seçeneği, bu ortak ölçek kullanılarak her bir kritere göre derecelendirilebilir. Bir uçağın performansını ölçmek için tipik ölçümler, maksimum hız, kalkış koşusu, tırmanma hızı, menzil, dayanıklılık, dönüş yarıçapı, dönüş hızı ve tavandır.

Adım 4. Dördüncü adım, eşit olmayan öneme sahip kriterleri ele almaktır. Bir tasarımcı, tüm kriterleri eşit derecede önemli olarak ele almamalıdır. Tasarımcı, her gereksinimin (yani kriterin) müşteri için ne kadar önemli olduğunu belirlemeye çalışmalıdır. En basit yaklaşım, diğer kriterlere göre önemini belirtmek maksadıyla her bir kritere (hatta bir metrik seviyesinde) sayısal ağırlıklar atamaktır.

Bu ağırlıklar ideal olarak tasarımcının göreceli önem hakkındaki yargısını yansıtır. Bir tasarım alternatifinin diğerine üstün olup olmadığına ilişkin yargı, büyük ölçüde değerlendiricinin değerlerine ve tercihlerine bağlı olabilir. Bazı durumlarda, tasarımcının sayısal ağırlıkların temelinde kişisel “duygularına” ve “yargılarına” güvenmekten başka yolu yoktur. Başlangıç noktası olarak, her bir kriteri teker teker diğer kriterlerle eşleştirebilir ve her bir çiftteki öğelerden hangisinin diğerinden daha önemli olduğuna karar verebilirsiniz. Ağırlıklar daha sonra karşılaştırmayı kolaylaştırmak için normalleştirilebilir (yani, her sayıyı matematiksel olarak 1’in bir kesrine dönüştürebilir). Her bir kriterin ağırlığını belirlemenin ön koşulu önceliklendirmedir. Yukarıdaki tablo çeşitli uçak tasarımcılarının 10 tasarım kriterine göre önceliklerini göstermektedir. Kriter sayısı az olduğunda, bu görev basittir. Büyük ve karmaşık sistemler için sistem mühendisliği yaklaşımı kullanılmalıdır

Adım 5. En yüksek sayısal değeri veren alternatifi seçin. Karar verme sürecinin çıktısının en arzu edilen sonucu vermesi beklenir. Tasarımcı, belirli bir dizini en aza indirmek veya en üst düzeye çıkarmak için bir yazılım paketi geliştirerek karar verme sürecini yürütebilir. Kriterleri değerlendirmede belirsizlikler olması durumunda, karmaşık bir sağlam karar kuralı belirsizlikleri karar verme sürecine dâhil etmeye çalışmalıdır. Belirsizliklerle baş etmenin zorluklarından biri, belirsiz parametrelerin ve faktörlerin olasılıklarını bulmaktır. Bu en iyi şekilde “hassasiyet analizi” adı verilen bir süreçte gerçekleştirilir.

Kavramsal Tasarım Akış Şeması

Kavramsal Tasarım Akış Şeması Kavramsal sistem tasarım aşaması boyunca (ihtiyaç analiziyle başlayarak), ana hedeflerden biri, bir giriş olarak sistem için özel tasarım gereksinimlerinin geliştirilmesi ve tanımlanmasıdır. Bu faaliyetlerin sonuçları birleştirilir, entegre edilir ve bir sistem spesifikasyonuna dahil edilir. Bu belirtim, baştan itibaren sistem tasarımı için genel rehberlik sağlayan en önemli “teknik gereksinimler” belgesini oluşturur. Genel olarak, kavramsal tasarım aşamasında aşağıdaki adımlar gerçekleştirilmelidir:

1. Sorunu tanımlayın ve bunu, çözüm sağlayacak bir sistem ihtiyacının tanımına çevirin.
2. Belirlenen ihtiyaca yanıt olarak sistem planlamasını (örneğin Gantt şeması) gerçekleştirin.
3. Sistemin pratik olduğundan ve sistem tasarımı için teknik bir yaklaşımın ayrıntılarına götürdüğünden emin olarak bir fizibilite çalışması yürütün.
4. Sistemin belirlenmiş görevini yerine getirmek için gerçekleştirmesi gereken işlevleri açıklayan sistem operasyonel gereksinimleri geliştir.
5. İstenen yaşam döngüsü boyunca sistemin sürekli desteği için bir üretim/bakım planı önerin.
6. Tasarım için teknik performans ölçütlerini ve ilgili kriterleri belirleyin ve önceliklendirin.
7. Sistem düzeyinde bir işlevsel analiz gerçekleştirin ve gereksinimleri çeşitli alt sistemlere tahsis edin.
8. İhtiyaçları formüle edin ve bunları değerlendirmek için ölçütler oluşturun.
9. Tasarım gereksinimlerini ele almak ve özelliklerini listelemek için beyin fırtınası yapın ve birkaç kavram tasarlayın.
10. En iyi konsepti seçmek için takas analizini gerçekleştirin.
11. Bir sistem özelliği geliştirin.
12. Bir kavramsal tasarım incelemesi (CDR) yürütün.
13. CDR konsepti onaylamazsa, yeni bir yaklaşım seçin ve yeni konseptler oluşturun.

Tasarım Gereksinimleri

Müşteri tarafından talep edilen ve tasarım ekibi tarafından ele alınması gereken özel tasarım gereksinimleri vardır. Bununla birlikte, müşterinin mutlaka farkında olmadığı ve sözlü olarak arzu etmeyebileceği başka tasarım gereksinimleri de vardır. Bu bölümde, tasarımla ilgili gereksinimlerin bir listesi aşağıdaki gibi kısaca gözden geçirilir:

• Performans Gereklilikleri;
• Kararlılık Gereksinimleri;
• Kullanım Gereklilikleri;
• Operasyonel Gereklilikler;
• Karşılanabilirlik Gereklilikleri;
• Güvenilirlik Gereklilikleri;
• Bakım Gereksinimleri;
• Üretilebilirlik Gereklilikleri;
• Değerlendirilebilirlik Gereklilikleri;
• Kullanılabilirlik Gereksinimleri;
• Emniyet (Uçak İçin Uçuşa Elverişlilik) Gereklilikleri;
• Çarpmaya Dayanıklılık Gereklilikleri;
• Desteklenebilirlik Ve Hizmet Verebilirlik Gereklilikleri;
• Sürdürülebilirlik Gereklilikleri;
• Atılabilirlik Gereklilikleri;
• Pazarlanabilirlik Gereklilikleri;
• Çevresel Gereklilikler;
• Saptanabilirlik Gereklilikleri;
• Standart Gereksinimleri;
• Yasal Gereklilikler.

Yukarıda listelenen gereksinimler için spesifikasyonlar hazırlanmalı ve tasarım ve üretim aşamalarında ele alınmalıdır. Bu gereksinimlerin tümü her sistem için gerekli değildir, ancak tasarımcı hangilerinin uygulanabilir olduğundan emin olmalıdır.

Örneğin, tespit edilebilirlik gereksinimi hayalet bir uçak için bir “zorunluluktur”, ancak ev yapımı olmayan tüm hava araçlarının Federal Havacılık İdaresi tarafından belirlenen uçuşa elverişlilik (yani güvenlik) standartlarına uyması gerekir. Bir uçak (sivil nakliye uçağı) için karşılanması gereken çarpışmaya dayanıklılık standartlarının bulunduğunu not etmek ilginçtir.

Genel tasarım hedefine ulaşmak, çeşitli gereksinimler arasında uygun bir denge gerektirir. Belirtilen bazı gereksinimler diğerlerine zıt göründüğü için bunu başarmak çok zordur. Başta askeri hava araçları olmak üzere modern hava araçlarının tasarım gereksinimleri, çeşitli sektörlerin temsilcilerinden oluşan bir komite tarafından uzun bir süreçte belirlenmekte ve sonuçlandırılmaktadır.

Örnek Olay Çalışması

Problem:

İki koltuklu bir savaş uçağı, askeri bir görevi yerine getirmek ve aşağıdaki görev gereksinimlerini karşılamak üzere tasarlanmak üzere sipariş edilmiştir.

Maksimum hız: 30 000 ft’de en az Mach 1,8.

Mutlak tavan: 50 000 ft’den daha yüksek.

Etki yarıçapı: 700 km.

Tırmanış hızı: 12 000 fpm’den fazla.

Kalkış rulosu: 600 m.

Yük taşıma kapasitesi: 8000 kg

g limit: +9’dan fazla.

Yüksek manevra kabiliyeti.

Bu uçak için optimum konfigürasyonu belirleyin.

Çözüm:

Başlangıçta, temel bir avcı uçağı konfigürasyonu A aşağıdaki gibi varsayılır: konvansiyonel konfigürasyon, itki sistemine sahip, turbofan motor, çift motor, çekici pervaneli motor, sabit motor, motorlar gövde içine yerleştirilmiş, tek kanat, sabit kanat, konik kanat, sabit süpürme açılı kanat, sabit ayar açısı, alçak kanat, ankastre kanat, kıç kuyruk, konvansiyonel kuyruk, gövde ucunda ikiz VT, geri çekilebilir iniş takımı, burun takımı, tek uzun gövde, tandem oturma, kokpit, tamamı hareketli yatay kuyruk, tamamı hareketli VT, kanatçık ve flap, hidrolik güç sistem ve tam metal yapı.

Karşılaştırma için, rastgele farklı değişkenlere sahip iki alternatif konfigürasyon, yani B ve C de dikkate alınır.

Tasarım indeksini bulmak için, öncelikle her konfigürasyon değişkeni için kriter indeksi, 10 liyakat veya kriter rakamının tümü için belirlenir. Daha sonra, denklemler kullanılarak her bir kriter için tüm indeksler toplanarak kriter indeksi hesaplanır (sonuçlar Tablonun Konfigürasyon A-B-C sütunlarında gösterilmektedir.

Bu indeksler diğer konfigürasyonlarla karşılaştırılmalıdır. Aşağıdaki tablo bu temel konfigürasyon (A) ile diğer iki konfigürasyon (B ve C) arasındaki karşılaştırmayı göstermektedir.

Bir sonraki adım denklemler kullanarak iki tasarım indeksi bulmaktır. Her üç konfigürasyon için DImin tasarım indeksi belirlenir ve sonuçlar tablonun 5. satırında gösterilir. Her üç konfigürasyon için DImax tasarım indeksi de belirlenir ve sonuçlar Tablonun son satırında gösterilir.

                                                     Tasarım Opsiyonları Tablosu

Tersine, iki parametre Pmin ve Pmax, Tablonun 4. sütununda (satır 5 ve 13) gösterildiği gibi hesaplanır. Küçültülmesi gereken tüm hedeflerin önceliklerinin toplamı (Pmin) %20’dir. Ayrıca, en aza indirilmesi gereken tüm hedeflerin önceliklerinin toplamı (Pmax) %80’dir. Pmax, Pmin’den büyük olduğundan, DImax’ın en yüksek olduğu konfigürasyon yani konfigürasyon A (142) optimum konfigürasyon olarak seçilir. Bu nedenle, optimizasyon metodolojisi yürütüldüğünde, tasarım bir temel konfigürasyondan optimize edilmiş bir konfigürasyona geçebilir. Hesaplamanın detayları burada gösterilmemiştir.

Uygulamada, bu metodoloji hedeflerin ve kısıtlamaların çok sayıda değerlendirilmesini gerektirir. Disiplin modelleri genellikle çok karmaşıktır ve değerlendirme için önemli miktarda zaman alabilir. Çözüm bu nedenle son derece zaman alıcı olabilir.

CI-Cost Index, PI-Performance Index, FI-Flying Qualities Index, TI-Period of Design Index, BI-Beauty (or scariness) Index, MI-Maintainability Index, RI-Productability Index, WI-Weight Index, DI-Disposability Index, SI-Stealthy Index. Bu tasarım hedeflerinden üç adedi, yani maliyet, ağırlık ve tasarım süresi minimize edilirken diğer yedi adet tasarım hedefi maksimize edilmelidir. Her bir tasarım opsiyonu müşteri isteklerine uygunluğu açısından değerlendirilmelidir. Yukarıdaki Tasarım Opsiyonları Tablosu benzeri bir tablo kullanılması en iyi tasarımın seçilmesini kolaylaştırır.

Fotoğraf: Singapore Institute of Technology

Sistem Mühendisliği

Sistem mühendisliğinin uygulanması, sistem mühendisliği sürecini doğru bir şekilde yürütmek için ortak bir sistem düşüncesi doğrultusunda çalışan ekip üyeleri arasında kusursuz bir arayüz gerektirir. Sistem mühendisliğinin ilke ve amaçlarına ilişkin genel bir anlaşma olmasına rağmen, gerçek uygulaması bir disiplinden diğerine değişiklik gösterecektir. Süreç yaklaşımı ve kullanılan adımlar, dâhil olan bireylerin geçmişlerine ve deneyimlerine bağlı olacaktır.

Sistem mühendisliğinin uçak tasarımına uygulanması, uçak tasarım gereksinimlerini ve işlevlerini sistem mühendisliği ilkeleriyle ilişkilendiren çok yönlü bir çalışma gerektirir. Bir fonksiyonel analiz, uçak bileşenlerinin fonksiyonları ile genel tasarım gereklilikleri arasındaki bağlantıların belirlenmesine yol açacaktır. Aşağıdaki tablo hava aracı ana bileşenleri ile tasarım gereklilikleri arasındaki ilişkiyi göstermektedir. Yükün temel olarak iki yönü vardır: (i) ağırlık ve (ii) hacim. Yükün ağırlığı esas olarak uçağın maksimum kalkış ağırlığını etkiler, ancak yük hacmi ve geometrisi öncelikle gövde tasarımını etkiler.

Hava aracı performans gereklilikleri iki gruba ayrılabilir: (i) menzil ve dayanıklılık, (ii) maksimum hız, tırmanma hızı, kalkış rulosu, stol sürati, tavan ve dönüş performansı. Menzil ve dayanıklılık büyük ölçüde yakıta bağlıdır, diğer performans gereklilikleri ise öncelikle yakıt ağırlığının bir fonksiyonu değildir. Bu nedenle, dayanıklılık ve menzil gereklilikleri esas olarak uçağın maksimum kalkış ağırlığını ve gerekli yakıt ağırlığını etkileyecektir. Aksine, diğer performans gereklilikleri motor tasarımını, iniş takımı tasarımını ve kanat tasarımını etkiler.

Stabilite gereksinimleri, kontrol edilebilirlik gereksinimleri ve uçuş kalitesi gereksinimlerinin tümü, uçağın ağırlık merkezinin konumunu ve bu da ağırlık dağıtım sürecini etkiler. Ancak stabilite gereklilikleri, yatay kuyruk ve dikey kuyruk tasarımını da etkileyecektir. Ek olarak, kontrol yüzeyleri tasarımı, kontrol edilebilirlik ve manevra kabiliyeti gerekliliklerinden büyük ölçüde etkilenir.