Çırpan Kanatlı Hava Aracının Hareket ve Akış Analizi

Çırpan Kanatlı Hava Aracının Hareket ve Akış Analizi

Kuşların uçuşu yıllardır insanları hep etkilemiştir. Leonardo Da Vinci 6 bin sayfalık çalışmasında şöyle yazmıştı: "Kuş nedir? Matematiksel kanunlara göre çalışan bir araç ve böyle bir aracı tasarlayabilmek  insanın elinde olmalı." Önceleri insan taşımayı amaçlayan çırpan kanatlı uçuş aracı çalışmaları günümüzde daha çok küçük ölçeklerde çalışmaya doğru şekillenmiştir. 

Çırpan kanatlı mikro hava aracının uçuş modeli kuş ve böceklerin uçuşundan ilham almaktadır. Çırpan Kanatlı Hava Aracı düşük Reynolds sayısı rejiminde yüksek aerodinamik kuvvetler ile kanat çırpma hareketi önemli bir araştırma konusu olarak gösterilebilir.

Kuş gerekli olan kaldırma kuvvetini kanatlarını çırpması ile elde edebilmektedir. Kuş kanatlarını çırparak kaldırma kuvveti üretmiyorsa, yani süzülüyorsa, planör uçağın uçmasıyla benzer şekilde uçar. Hava, kuşun kanadının üstünde, altına göre daha hızlı hareket eder ve bu da kanadın üzerindeki basıncın daha düşük olmasını sağlar.

Kuşlar, taşıma ve itme olmak üzere iki kuvvet oluşturmak için kanatlarını kullanırlar ve bu kuvvetlerle yer çekimi etkisiyle meydana gelen ağırlık ve sürüklenmenin üstesinden gelirler.

Uçuş sırasında bir kuşa etki eden dört kuvvet bulunur; taşıma, itme, sürükleme ve ağırlık.

YÖNTEM
Başarılı bir çırpan kanatlı hava aracı geliştirmek için;
==> Doğru motoru ve batarya seçmek adına; “Güç Sistemleri”
==> Kanatları çırpmak için yeterli torku elde edebilmek adına; “Dişli Tasarımı”
==> Aracı uçak veya helikopterden ziyade çırpan kanatlı bir hava aracı yapmak, motorun döner hareketini kanatların salınımlı hareketine dönüştürmek adına; “Çırpma Mekanizması”
==> Kaldırma kuvvetini meydana getiren, hava aracının amacına uygun bir şekilde uçması adına; “Kanatlar”
==> Serbest veya yönlendirmeli bir uçuşu sağlamak adına; “Kararlılık ve Kontrol”
==> Yapının hafifliği, dayanıklılığı ve enerji verimliliğini sağlamak adına “Malzeme” seçimi yapılır.

DAYANIKLILIK VE AĞIRLIK
Çırpan kanatlara sahip hava araçlarında ağırlık azaltımı, performansın artırılabilmesi için kritik öneme sahiptir. Bu araçlar, mekanik açıdan karmaşık olup, kuşların gösterdiği verimliliği tam anlamıyla yakalayamamaktadır, bu yüzden hafiflik önemlidir. Kanat çırpışları sırasında ortaya çıkan şok yükler, yapıyı stres altına sokar ve yapının dayanıklılığını etkiler. Bu nedenle, yapının hafifliği kadar sağlam ve esnek olması, hem enerji emilimini sağlayarak hasarı önleyecek, hem de araç için gereken performansı temin edecektir.

KANATLAR

Zar tipi kanat, inşası kolay ve yaygın kullanılan bir tasarımdır. Kanat, ön kısmında sert bir iskele ve gerisinde esnek bir zar içerir. Zar kısmının esnekliği ile yukarı ve aşağı çırpışlar sırasında kanat farklı açılar alır. Kanat yapısına esnek çapraz destekler ve şeritler eklenerek, yapısal stabilite artırılabilir, enerji verimliliği iyileştirilebilir ve uçuş stabilitesi sağlanabilir.

Çift kanat mekanizmaları, tek kanat mekanizmalarıyla çok benzer şekilde çalışır. Bu dört kanat, bir çift makas gibi çalışır, bu nedenle sadece iki bağlantı çubuğu gereklidir. Tek kanatlı hava aracına göre göre büyük bir iyileştirmedir. Kanatların 180° faz farkı (bir kanat yukarı giderken karşı kanat aşağı gider) kaldırma ve verimlilik açısından iyi etkiler vermektedir. 

ÇIRPMA MEKANİZMASI

Tasarım	Açıklama	Avantajlar	Dezavantajlar	Yaygın Kullanım Alanı
Kademeli Krank	Bağlantı çubukları, kanatların simetrik çırpılmasını sağlamak için belirli bir mesafe ve açıyla düzenlenir.	Basit ve evde kolayca yapılabilir.	Hassasiyet sınırlı; manuel hizalamaya bağlı; genellikle lastik bantla çalışır.	Hobi projeleri; ev yapımı ornithopterler.
Tek Dişli Krank	Tek bir dişli, kanat menteşelerini ve bağlantı çubuğunu birleştirir; çırpma sırasında genişleyip daralır.	Kompakt tasarım.	Yüksek frekansta genişleme/daralma bileşen arızasına neden olabilir.	Küçük ornithopterler.
Çift Dişli Krank	İki dişli kanat menteşelerini kontrol eder; varyasyonlar arasında senkronize veya ters yönde dönen dişliler vardır.	Daha iyi simetri; kanat hizasızlığını azaltır.	Orta seviyede karmaşıklık; hassas montaj gerektirir.	Orta boy ornithopterler; deneysel tasarımlar.
Enine Şaft	Dişliler ve kanatlar farklı düzlemlerdedir; çubuklar dönebilmek için rulmanlara sahiptir.	En simetrik çırpma; büyük ornithopterler için uygundur.	En ağır ve karmaşık tasarım; önemli ölçüde ağırlık ekler.	Büyük ornithopterler; mühendislik projeleri.

" Lead-lag etkisi", çırpma asimetrisi nedeniyle yuvarlanma momentine ve enerji kaybına yol açar. Çırpma mekanizmalarının simetrisini artırmak için faz farkını azaltılmalı.

"Ölü merkez" konumu, krankın duraksadığı ve iş yapmadığı noktadır; bu durum, ani şok yüklerine yol açabilir ve önlem olarak asimetrik çırpma veya volan etkisi kullanılır. 

"Kilitlenme" ise mekanizma boyutlandırma hatalarından kaynaklanır ve kanadın normal hareket aralığını aşmasıyla ortaya çıkar. Bu sorun, bağlantı çubuğu ve kanat kolu arasındaki açıların dikkatlice tasarlanmasıyla önlenir. 

ELEKTRONİK BİLEŞEN

Bileşen	Özellikler	Görev	Uyumluluk Analizi
A2212 2200KV Motor	- KV: 2200 Çalışma voltajı: 7-12V (2-3S LiPo) Maks. akım: 21.5A (60s) Uygun ESC: 25-30A Pervane: 6x3, 6x4, 6x4.5	Fırçasız motor, uçağın itme gücünü sağlar.	Batarya voltajı (11.1V) ve ESC kapasitesi (30A sürekli) motorun gereksinimlerini karşılıyor. Motorun 30A ESC ile anlık akımlara dayanması mümkün.
Nvision 3S 1000mAh Batarya	- Hücre sayısı: 3 (11.1V) Kapasite: 1000mAh Deşarj oranı: 30C (30A sürekli deşarj) Ağırlık: 92g Boyutlar: 22x31x70mm	Elektrik kaynağı sağlar; motor ve ESC'yi besler.	Batarya, motor ve ESC'nin gereksinimlerine uygun. 30C deşarj oranı ile maksimum 30A sürekli akım sağlayabiliyor. Motor ve ESC için yeterlidir.
SG90 Mini Servo Motor	- Çalışma voltajı: 4.8-6V Çalışma akımı: 100-360mA Çalışma hızı: 0.1s/60° Ağırlık: 9g	Kontrol yüzeylerini (ör. kanatlar) hareketini sağlar.	ESC’nin 5.5V BEC çıkışı (4A) servo motorların çalışma voltajı ve akımı için yeterlidir. ESC, birden fazla servo için yeterli kapasitede.
ZTW Beatles G2 30A ESC	- Sürekli akım: 30A Anlık akım: 40A Uygun pil: 2-4S LiPo BEC: 5.5V 4A Koruma özellikleri: Faz kaybı, aşırı ısınma, düşük voltaj	Motor hızını kontrol eder ve BEC çıkışıyla diğer bileşenleri besler.	Motorun maksimum sürekli akım gereksinimi (21.5A) ESC’nin 30A kapasitesine uygundur. Ayrıca, 5.5V 4A BEC çıkışı, servo motorları destekler. ESC'nin koruma özellikleri, güvenli çalışma için idealdir.
FlySky FS-i6X RC Kumanda	- Frekans: 2.4GHz Kanal Sayısı: 10 Menzil: ~500m Hafıza: 20 model Batarya: 4x AA pil	Kullanıcıdan gelen kontrol sinyallerini alıcıya ileterek uçağın kontrolünü sağlar.	10 kanal kapasitesi, uçak için gereken tüm işlevleri (motor, servo kontrolü vb.) fazlasıyla karşılar. Güvenilir menzil (~500m) ve hassas kontrol imkanı sunar.
FlySky iA6B Alıcı	- Çıkış Türü: PWM, PPM, i-Bus Çalışma voltajı: 4.0-6.5V Telemetri desteği: Var	Kumandadan gelen sinyalleri ESC ve servo motorlara ileterek kontrol sağlar.	Alıcı, ESC’nin 5.5V çıkış voltajıyla uyumludur. PWM sinyalleri, ESC ve servo motorları sorunsuz bir şekilde kontrol etmek için kullanılabilir. Telemetri desteği ek avantaj sağlar.

Motor ve ESC: Hafif yapıda; motor 47 gr, ESC ise 25 gr ağırlığında. Bu, uçağın genel ağırlığını artırmaz.
Batarya: 92 gr ağırlığı ile tasarım için uygun ve kompakt bir yapıya sahiptir.
Servo Motorlar: Her biri yalnızca 9 gr ağırlığında olup, uçak üzerinde yük oluşturmaz.
RC Kumanda ve Alıcı: Kumanda uçakta taşınmayacağından ağırlık etkilemez. FlySky iA6B alıcısı ise yalnızca 14 gr ağırlığında olup, uçağın toplam ağırlığını önemli ölçüde artırmaz.

MALZEME

Bölüm	Malzeme	Açıklama
Kanatlar	Mylar Film (PET)	Yüksek çekme mukavemeti (~200 MPa), esneklik ve rijitlik dengesi (4 GPa), hafiflik (1.39 g/cm³), yorulma ve kimyasal direnci yüksektir. Aerodinamik performansı artırır ve uzun ömürlüdür.
Kanat Çerçevesi ve Destek Çubukları	Karbon Fiber Borular	Yüksek çekme mukavemeti (~3000 MPa), elastik modülü (~200-500 GPa), düşük yoğunluk (1.6 g/cm³), yorulma ve korozyon direnci yüksektir. Hafif ve rijit yapı sağlar. Aerodinamik kuvvetlere dayanıklıdır.
Gövde	Polipropilen Köpük	Hafif (~0.9 g/cm³), esnek (~1.7 GPa), darbe emme kapasitesi yüksektir. Ancak mukavemet açısından sınırlıdır. Düşük maliyetli projeler için uygundur.
Gövde	Karbon Fiber Kompozit	Yüksek çekme mukavemeti (~3000 MPa), elastik modülü (200-500 GPa), düşük yoğunluk (~1.6 g/cm³), yorulma dayanımı yüksektir. Kritik bölgelerde rijitlik sağlar ancak maliyetlidir. Hibrit yapıda kullanılması önerilir.
Kuyruk	Mylar Film	Hafif (~200 MPa çekme mukavemeti), esnek, çevresel etkilere dayanıklıdır. Kuyruk yüzeyinin aerodinamik performansını artırır.
Kuyruk	Karbon Fiber Destek Yapı	Yüksek çekme mukavemeti (~3000 MPa), elastik modülü (~200-500 GPa), hafif (1.6 g/cm³). Kuyruk yüzeyine rijitlik ve dayanıklılık sağlar.
Dişliler	Poliasetal (POM)	Hafif (~1.4 g/cm³), yüksek aşınma direnci, düşük sürtünme katsayısı, kimyasal ve çevresel dayanıklılık. Metal dişlilere kıyasla düşük maliyetlidir ancak yüksek mukavemetli uygulamalar için sınırlıdır.
Bağlantı Çubukları	Çelik	Orta-yüksek çekme mukavemeti (~400-600 MPa), rijitlik (~200 GPa), yüksek yorulma ve aşınma direnci. Ağırlık ve korozyon gibi dezavantajları vardır, ancak yük taşıma kapasitesi açısından uygundur.

DİŞLİ SİSTEM
Dişli kutusu tasarımı için iki temel yöntem bulunmaktadır:
==> Dişli milini, lineer yol üzerine yerleştirmektir. Bu yöntem, genellikle bilye rulmanlara sahip olmayan mikro boyutlu çırpan kanatlılar için önerilir.

==> Diğer yöntem ise birbirine bağlı iki veya daha fazla plakayı içerir. Bu plakalar arasına mesnetler yerleştirilir. Rulman kullanımı söz konusudur. Plaka dişli kutusu tasarımı, çift kollu mekanizmalar için daha uygundur. Daha büyük radyo kontrolü ve daha karmaşık gövde tasarımlarına uygundur. 

Diş sayıları ve bölüm dairesi çapına göre modül 0.5 olarak hesaplanır.

HAREKET ANALİZİ

1-) Motordan aktarılan ilgili miktarda rpm ile harekete geçen ilk dişli (en soldaki dişli) ve son dişli (en sağdaki dişli) arasındaki hareket analizi.

Dört çubuk mekanizmasında yer uzvu (yeşil çubuk) sabittir. Dişli hareket analizinde son dişli ile ilgili bulunan analiz sonuçları dört çubuk mekanizmasında çubuk 2’ ye (turuncu çubuk) aktarılır.

2-) Çubuk 2 ye aktarılan analiz sonuçları ile yapılan hareket analizi sonucu çubuk 4 (kırmızı çubuk) ile ilgili gerekli değerlere ulaşılır. Çubuk 4 (kırmızı çubuk) çırpma hareketini yapacak ve kanat ile ilgili açısal yer değiştirme, açısal hız konusunda bilgi verecek.  

UZUV BOYUTLARININ BELİRLENMESİ

Uzuv boyutları geçmişte yapılmış çalışmalar ve oyuncak çırpan kanatlının uzuv uzunlukları, oranları kullanılarak belirlenmiştir.

 

"Kv" değeri, bir motorun sabit hızını ifade eder. Motora 1V (bir volt) uygulandığında, yük bağlanmadan motorun dakikada kaç devir (rpm) döndüğünü gösterir.

Motor Hızı : Bu hız, motorun boşta (yani yük altında değilken) döneceği teorik maksimum hızdır. Bu hız, KV değeri (2200 KV) ile verilen voltajın çarpımıdır:

RPM = KV x Voltaj = 2200×11.1=24420 RPM

Kayıplar:
==> Elektriksel Kayıplar: Akım direnci, ESC’ nin verimliliği ve kablolarda oluşan kayıplar.
==> Mekanik Kayıplar: Kanatların veya pervanenin yükü, rulman sürtünmesi ve motor içinde ısınma kayıpları.
==> Hava Direnci: Ornithopter kanatlarının büyük bir hava direnci oluşturması rpm’ in düşmesine neden olur.

Bu kayıplar, genelde toplam hızın %10-15 kadarını düşürür. Eğer %13.5 kayıpla 24420’den 21120’e düşürmek makul bir durumdur.

Uzuv boyutları belirlendi ve bu sayede göz önünde bulundurulan oranlara yakın sonuçlar elde edildi.

r₁ = 30 mm  r₂ = 6.5 mm  r₃ = 29.5 mm  r₄ = 10 mm
r₂/r₁ = 0.217          r₃/r₁ = 0.983          r₄/r₁ = 0.333

Uzuv boyutlarına göre belirlenen dört çubuk mekanizmasında önemli açı değerleri

Tasarımda ölü merkez ve kilitlenme durumu gösterimi

HAREKET ANALİZİ

İlk dişlinin motor etkisi (21120 rpm) ile hareketi ve son dişlinin açısal hız değeri (deg/sn)

2095 deg/sn = 349.17 rpm
==> Son dişlinin açısal hız değeri 349.17 rpm
İkinci uzvun motor etkisiyle hareketi
Dördüncü uzuv için açısal yer değiştirme ve açısal hız değerleri (deg ve deg/sn) 

KANAT FREKANSININ BULUNMASI

Periyot (T) = t₂ – t₁ = 0.22- 0.05 = 0.17 saniye
Frekans (f) = 1/T = 1/ 0.17 = 5.88 Hz

Atanan düzlem ile kanat kord uzunluğu 170.6 mm

REYNOLDS SAYISI

Shyy ve arkadaşlarının 2013 yılında yayımladıkları çalışmada, çırpan kanatlı hava araçlarının aerodinamik performansını optimize etmek için uygun Reynolds sayısının seçimi üzerinde durulmuştur. Çalışmada, düşük Reynolds sayılarında (genellikle 10⁴ ile 10⁵ arasında) uçuş yapan ornitopterlerin tasarımında, kanat profili seçimi, kanat çırpma frekansı ve kanat hareketlerinin aerodinamik etkileri gibi faktörlerin dikkate alınması gerektiği vurgulanmıştır. Çırpan kanatlı MHA uygulamalarında temel alınan kuş ve böceklerin uçuş özelliklerine bakıldığında kuşların ve yarasaların 10⁴-10⁶ Reynolds sayılarında, böceklerin ise 10-10⁴ gibi düşük Reynolds sayılarında uçuşlarını gerçekleştirdikleri görülmektedir.

==> Reynolds sayısı 40000 ve akış koşulları laminerdir.
Reynolds sayısı, Re = 40 000
Hava yoğunluğu, ρ = 1.225 kg/ m3
Dinamik viskozite, μ = 1.81 x 10-5 Pa.s
Kanat kord uzunluğu, L = 0.17 m

V=  (Re.μ)/(ρ.L)
V = 3.47 m/s (Akışkan tipi olarak seçilen havanın hızı)

AKIŞ ANALİZİ

Akış analizinde kullanılacak çalışma alanı boyutları ve yüzeyler:

Çalışma yüzeylerinin analiz yapılacak ortama aktarılması

Mesh kalitesi bakımında özellikle dikkat edilen değerler;
Fixed Domain, Rotating domain, Inlet, Outlet Interface1, Interface2, Airfoil çalışma yüzeylerinde ilgili kenar, yüzeye göre tanımlanması:

Aspect ratio (1 Perfect, 20 Bad)

Skewness (0 Perfect, 1 Bad)

Orthogonal Quality (0 Bad, 1 Perfect)

==> Transient time,  Air material,  Laminar viscous model, Fixed domain’de material olarak Air seçimi yapıldı.
==> Rotating domain’ de material olarak Air, mesh motion işaretlemesi, speed olarak udf speed seçildi. User Defined- functions kısmından kanat genliği ve kanat frekansı göz önünde bulundurularak "omega" ya ulaşılacak biçimde oluşturulmuş kod eklenir.
==> Inlet velocity (3.47 m/sn), mesh ınterfaces, airfoil için drag- lift coeff. ayarlamaları yapıldı.

Çırpan kanatlı hava araçlarında kaldırma (Cl) ve sürükleme (Cd) katsayıları, kanat genliği, Reynolds sayısı, frekans ve kanat geometrisine bağlı olarak değişiklik gösterir.

İlerleyen çalışmalarda; farklı hava hızları, hücum açıları, frekanslar, kanat geometrileri için de denenebilir. Bu sayede karşılaştırmalar yapılarak değişkenlerin etkisi incelenebilir.

[Faydalanılan kaynaklar hakkında bilgi almak için ulaşılabilinir.]