DETAYLI TASARIM RAPORU

(1)

2. TÜBİTAK LİSELER ARASI İNSANSIZ HAVA ARAÇLARI YARIŞMASI

DETAYLI TASARIM RAPORU

2021

(2)

2. TÜBİTAK LİSELER ARASI İNSANSIZ HAVA ARAÇLARI YARIŞMASI

DETAYLI TASARIM RAPORU

TAKIM ADI: Enceladus Aerospace Team TAKIM ID: 50658

KATEGORİ: Sabit Kanat

KURUM ADI: Nezihe Derya Baltalı Bilim ve Sanat Merkezi DANIŞMAN ÖĞRETMEN: Veysel KIRIŞAN

(3)

İÇİNDEKİLER DİZİNİ

Sayfa

İÇİNDEKİLER DİZİNİ ... 2

1. GENEL ÖZET ... 3

1.1 Tasarım Süreci ... 3

1.2 Temel Görev Gereksinimleri ve Tasarım Özellikleri ... 3

1.3 Sistem Performans Özellikleri ... 4

2. YÖNETİM ÖZETİ ... 4

2.1 Takım Organizasyonu ... 4

2.2 Zaman Akış Çizelgesi ... 6

3. DETAYLI TASARIM ... 7

3.1 Tasarımın Boyutsal Parametreleri ... 7

3.2 Tasarımın Yapısal Özellikleri ... 10

3.2.1 Gövde, Mekanik Sistemler ... 10

3.2.2 Aerodinamik Özellikler ... 10

3.2.3 Görev Mekanizması Sistemi ... 11

3.2.4 Elektrik Elektronik Kontrol ve Güç Sistemleri Entegrasyonu ... 12

3.3 Uçuş Performans Parametreleri ... 12

3.4 Hava Aracı Maliyet Dağılımı ... 13

4. PROTOTİP ÜRETİM SÜRECİ ... 14

4.1 İHA İmalat ve Montaj Süreci ... 14

4.2 İHA Elektrik Elektronik Entegrasyon Süreci ... 15

4.3 İHA Montajı ve Genel Kontroller ... 15

4.4 Üretim İş Zaman Çizelgesi Planlanan ve Gerçekleşen ... 15

5. TEKNİK ÇİZİMLER ... 16

(4)

1. GENEL ÖZET

1.1 Tasarım Süreci

İHA'nın tasarımı için öncelikle tüm ekip bir araya gelip fikir üretimi ve paylaşımında bulunduk. Bu toplantılar ardından en ideal olarak görünen önerileri bir bütün haline getirerek kabaca bir tasarım felsefesi elde ettik.

Planlamamıza göre, İHA'nın göreve en yatkın biçimde olması için tüm isterleri karşılayan en yalın ve sade tasarımı oluşturduk. Bu tasarımda estetik kaygılar ve kabiliyet gösterimi gibi şeyler üzerine vakit ve kaynak harcamak yerine ilk aşamada görev isterlerini en minimalist şekilde karşılamak vardı.

Parkur gereksinimlerini karşılayacak kadar manevra kabiliyeti, havada seyrüseferi sağlayacak kadar aerodinami gibi ögeler yanında tabii ki iddialı şekilde itki ve kaldırma kuvveti, görevi eksiksiz yerine getirebilecek bir faydalı yük taşıma/bırakma mekanizması, üretilebilirlik ve fonksiyonellik dengesini idealde sağlayan yapısal parçalar, ağırlık dengesinin mükemmele mümkün olduğunca yakınlığı gibi de kuvvetli yönler bulunuyor.

Tasarım sürecinde tamamen takımdaki biz öğrenciler tarafından yürütülen çalışmalar sonucu tasarlanan parçalar ile 3D yazıcı ve çeşitli başka araç gereçler ile üretilen parçalar kullanıldı. Hazır tedariki zorunlu olan aviyonik parçalar hariç tamamen Enceladus Aerospace imali bir süreç planladık.

Bu planlama doğrultusunda da gövde ve kanat gibi yapısal parçalar için kapron malzemeyi işledik ve bunları 3D yazıcıyla ürettiğimiz bağlantı parçalarıyla birleştirdik.

Kapron malzemeyi ısıtılmış rezistans teli ve zımpara yardımıyla şekillendirdik.

1.2 Temel Görev Gereksinimleri ve Tasarım Özellikleri

Görev mekanizması için parkurda takımlardan bekleneni yerine getirebilecek yetkinlikte olan fakat aynı zamanda hafif, üretilebilir ve uçuş istikrarını bozmayacak niteliklere haiz bir mekanizma tasarladık.

Tek bir servo motordan tahrikli ve iki eş kavrama kolundan oluşan kıskaç benzeri bir mekanizma tasarladık. Bu mekanizma içbükey fiziksel formu sayesinde faydalı yükümüz olan 330 mililitrelik su şişesini kusursuz şekilde

(5)

kavrayabilecek ve seyir süresi boyunca güvenle taşıyacak.

Faydalı yük bırakma görev mekanizmasının İHA üzerindeki konumlandırılmasında ağırlık merkezi üzerine yoğun mesai harcadık. Düzeneği tam olarak ağırlık merkezi üzerine yerleştirerek uçuş sırasında yük bırakma öncesi ve sonrasında tork etkisi yaratarak dengeyi bozup uçuşu tehlikeye atmasının önüne geçtik.

Bu noktada tüm sistemin bir motor ve iki hareketli parçadan oluşması sayesinde hem ağırlık tasarrufu sağlayacak hem de üretim süreci ve yerine konulabilirlik konularında da verimli ve maliyet etkin tarafta bulunacaktır.

1.3 Sistem Performans Özellikleri

İHA yüksüz 1746 gram yüklü 2090 gram kalkış ağırlığına sahiptir. 11m/s yüksüz 12m/s yüklü stall hızına sahiptir. Maksimum yük kapasitesi 2kg’dır.

2. YÖNETİM ÖZETİ

2.1 Takım Organizasyonu Emre KAPLAN - Takım Kaptanı

Takımımızın kuruluş tarihinden bu yana kaptanlık rolünü üstlenmektedir. Aynı zamanda İHA atölyesinde 3D tasarım ile ilgilenen üyelere yardımcı olur.

Resul Umut TÜLÜOĞLU - Üye

Takımın as tasarımcısıdır. İHA'da kullanacağımız 3D tasarımları yapmak ve bunların çıktısını alıp gerekli revizyonları uygulamakla görevlidir.

Görkem ÜNLÜ - Üye

Üretim ve planlamadan sorumludur. Aynı zamanda danışman öğretmenimiz ile birlikte malzeme tedariği ve teknik destek konularında ilgili kişilerle iletişim kurmak, görevleri arasındadır.

Ahmet EFE - Pilot

İHA'nın pilotluğunu üstlenmektedir. Atölyede de montaj ve entegrasyon işlemlerinde rol almaktadır.

(6)

İlke VARAL - Üye

Elektrik ve elektronik konularında ilgi ve bilgi sahibi olmasından ötürü tüm elektronik altyapı ve haberleşme sistemlerinden sorumludur.

Barış AK - Üye

Otonom uçuş kabiliyetinin İHA'ya kazandırılmasından sorumlu takım üyesidir.

Yusuf Kerem Aksoy - Üye

Tasarım ve üretim süreçlerinde rol almıştır. Aynı zamanda takım içi sorumlulukların planlamasını yapan üyeler arasındadır.

Şema 1: Takım Organizasyonu

(7)

2.2 Zaman Akış Çizelgesi

İş Tanımı

01/02/2021- 14/02/2021 15/02/2021- 01/03/2021 02/03/2021- 15/03/2021 16/03/2021- 31/03/2021 01/04/2021- 30/04/2021 16/04/2021- 30/04/2021 01/05/2021- 31/06/2021 01/07/2021- 31/07/2021

Görev Analizi ve Literatür Taraması Tasarım

Özelliklerinin Belirlenmesi ve Aviyonik

Sistemlerin Seçimi Konsept Tasarımın Yapılması ve Aviyonik

Sistemlerin Seçimi Detaylı Tasarım Yapılması

Tasarım Üzerinde Testler ve Analizler

Yapılması Rapor Yazımı Malzemelerin Siparişi Kanat Yapımı Gövde İnşaası Aviyonik Sistemlerin Yerleştirilmesi Otonom Sistemlerin Entegrasyonu ve Uçuş Testleri

Tablo 1: İş zaman çizelgesi

(8)

3. DETAYLI TASARIM

3.1 Tasarımın Boyutsal Parametreleri

No Parça Adı Ağırlık(gram) Adet Toplam Ağırlık(gram)

1 Pervane 20 1 20

2 SunnySky X2820 Motor

160 1 160

3 Motor Montaj

Plakası

16 1 16

4 M8N GPS Modülü 31 1 31

5 60A ESC 48 1 48

6 Güç Modülü 24 1 24

7 PixHawk 39 1 39

8 Telemetri Modülü 20 1 20

9 Sigorta 47 1 47

10 Kumanda Alıcısı 13 1 13

11 Akım Kesici 97 1 97

12 Servo 9 5 45

13 Kanat Bağlantı Parçası

230 1 230

14 Kanat 36 2 72

15 Yatay Stabilizatör 25 1 25

16 Dikey Stabilizatör 15 1 15

17 Rudder 8 1 8

18 Elevator 11 1 11

19 Aileron 8 2 16

20 Arka İniş Takımı 20 1 20

21 Ön İnis Takımı 70 1 70

22 Ara Kablolar 15

23 Ana Gövde 186 1 186

24 Kanat L Montaj Parçaları

16 8 112

25 Yük Bırakma

Kapağı

3 2 6

26 Pil 420 1 420

(9)

TOPLAM 1746 Tablo 2: Ağırlık Tablosu

No Parça Adı Ağırlık(gram) X Uzaklığı (mm)

Y Uzaklığı (mm)

Z Uzaklığı (mm)

1 Pervane 20 0 17 332

2 SunnySky X2820 Motor

160 0 17 306

3 Motor Montaj Plakası

16 0 17 272

4 M8N GPS

Modülü

31 0 42 211

5 60A ESC 48 30 47 189

6 Güç Modülü 24 2 26 137

7 PixHawk 39 0 10 9

8 Telemetri Modülü

20 3 24 128

9 Sigorta 47 3 44 128

10 Kumanda Alıcısı 13 36 5 145

11 Akım Kesici 97 0 10 59

12 Yük Kapağı Servosu

9 20 73 20

13 Sağ Aileron Servosu

9 282 43 12

14 Sol Aileron Servosu

9 282 43 12

15 Rudder Servosu 9 12 47 762

16 Elevator Servosu

9 21 39 762

17 Kanat Bağlantı Parçası

230 0 40 34

18 Sağ Kanat 36 437 65 34

19 Sol Kanat 36 437 65 34

20 Yatay 25 0 17 845

(10)

21 Dikey Stabilizatör

15 0 103 772

22 Rudder 8 0 75 860

23 Elevator 11 0 17 845

24 Sağ Aileron 8 450 61 84

25 Sol Aileron 8 450 61 84

26 Arka İniş Takımı

20 3 92 780

27 Ön İnis Takımı 70 0 108 106

28 Ana Gövde 186 0 14 233

29 Sağ Kanat L Montaj Parçası 1

16 56 24 103

16 56 24 33

16 56 24 26

16 56 24 86

33 Sol Kanat L Montaj Parçası 1

16 56 24 103

16 56 24 33

16 56 24 26

16 56 24 86

37 Yük Bırakma Kapağı Sağ

3 15 73 0

38 Yük Bırakma Kapağı Sol

3 15 73 0

39 Pil 420 0 15 198

Tablo 3: Ağırlık Merkezi Tablosu

(11)

3.2 Tasarımın Yapısal Özellikleri

3.2.1 Gövde, Mekanik Sistemler

İHA'nın gövde ve yapısal parçalarının tamamını 3D tasarımdan sorumlu ekip üyeleri ihtiyaçlarımıza en iyi şekilde karşılık verecek ve üretilebilirlik, maliyet gibi konularda da optimum dengeyi sunacak biçimde tasarladılar. Bu süreçte önce dünya üzerindeki muadil uçar platformların felsefelerinden esinlenmelerde bulunsak da sonrasında tamamen isterlere yönelik ve daha sade olan tam özgün tasarımda karar kıldık.

Yine kendimiz tasarlayıp 3D yazıcı aracılığıyla ürettiğimiz bağlantı elemanları ile bu yapısal parçaların bir araya getirilmesini sağladık. Görev ve parkur gereğince; stall hızı düşük, faydalı yük dahil kalkış ağırlığını rahatça tolere edebilecek ve aynı zamanda istenmeyen bir durum yaşandığında çabucak yerine yenisi konabilecek basit ama etkili bir tasarım süreci gerçekleştirdik.

3.2.2 Aerodinamik Özellikler

Yaptığımız araştırmalarla beraber 1200’e yakın kanat profili inceledik. Bunun sonucunda düşük kamburluğu ve tabanının düz olmasından ötürü ag-38 kanat profilini kullandık.

Görsel 1: Ag-38 Kanat Profili

(12)

Grafik 1: Ag-38 Kanat Profilinin aerodinamik katsayıları

İniş takımında kullandığımız yerleşim sayesinde kalkışta 5 derecelik hücum açısı elde ettik bu da kalkış anında flap kullanmasak da profilden oldukça verimli bir şekilde faydalanmamızı sağladı.

𝐿 = 1

2𝐶_𝑙𝑟𝑉²𝐴

Modern kaldırma denklemini kullandığımızda İHA1.225kg/m³ hava yoğunluğunda 0.4m² kanat alanıyla kalkışta 8m/s hızda kalkıp havada 11,3/s stall hızına sahiptir.

860kv lık motorumuzun yüksek torkundan maksimum verim almak amacıyla 13 inçlik pervane tercih ettik. Bu sayede iha 2,670gf lik itki elde etmektedir. 1.7kg ağırlığı sayesinde kendisini dikey yukarı dahi taşıyabilmektedir.

3.2.3 Görev Mekanizması Sistemi

2. görevin gerçekleştirilmesi için tasarlanan yük mekanizması yük bırakma esnasında dengenin bozulmaması için tam ağırlık merkezi altına yerleştirildi. İki parçadan oluşacak ve meydana gelebilecek aksiliklerin önüne geçilmesi için olabildiğince basit olarak tasarlanan bırakma mekanizması bir servo tarafından kontrol edilecek.

Mekanizmaya yerleştirilecek olan şişe yere indiğinde herhangi bir hasar almamasını sağlamak için paraşüt kullanılacak. Mekanizmanın bir parçası diğer parçasını mekanik bir kilitle tutacak. Servoya bağlanan parça aşağıya indirildiğinde mekanik kilit açılacak diğer parça da açılmış olacak. Açılan mekanizmanın ardından şişe serbest kalacak ve bırakılacak. Bırakma işlemini tam alanın ortasına denk gelecek şekilde ayarlanması için uçuş öncesinde rüzgar hızı ölçülüp hesaplamalar yapılacak.

(13)

Ardından tam bırakma işleminin yapılacağı yer Pixhawk üzerinden işaretlenecek ve bu işlem tamamen otonom olarak gerçekleştirilecektir

Görsel 2: Yük Mekanizması

3.2.4 Elektrik Elektronik Kontrol ve Güç Sistemleri Entegrasyonu

Devre şemamızın temelinde PixHawk 2.4.8 uçuş kontrolcüsü yer almaktadır.

Pixhawk, manuel kullanımda kumandadan gelen sinyali uygun frekansta şifreleyerek ESC üzerinden motora aktarır ve hareket böylelikle sağlanmış olur. Küresel konumlama sistemi verisi, sürat, irtifa gibi telemetri verileri yine Pixhawk üzerinde yorumlanarak kaydedilir ve yer kontrol istasyonuna aktarılır. Otonom uçuşta ise bu verilere uygun hareket komutlarını sağlamak Pixhawk'ın görevidir ve pilot müdahalesine gerek kalmamaktadır.

Tüm devre Li-Po pil tarafından beslenmekte ve devrenin güvenliği sigorta ve akım kesici tarafından sağlanmaktadır. Pil, sağladığı gücü ESC üzerindeki “BEC Modülü”

aracılığıyla devre elemanlarına iletmektedir. Böylece tüm elemanlar doğru ve sağlıklı şekilde beslenmiş olur.

Kumandadan verilen kontrol girdileri ile servo motor gibi elemanların kontrolünün sağlanabilmesi için sırasıyla kumanda alıcısı ve Pixhawk tarafından komutlar

(14)

Yer kontrol istasyonu ve İHA platformu arasında iletişimin sağlanamadığı potansiyel bir acil durum halinde 5 saniye içerisinde aksiyon alınır ve platform failsafe moduna geçer.

3.3 Uçuş Performans Parametreleri

İhamızda 4200mAh 4S Li-Po pil kullanıyoruz. 40C deşarj oranına sahip bu pilin sağlayabildiği maksimum akım 160 amperdir. Kullandığımız Sunnysky x2820 motor 13 inç pervane ile tam güçte 40A akım çekmektedir. Bu parametreler dahilinde uçuş süremiz maksimum güçte 4dk ortalama güçte 16 dakikadır.

3.4 Hava Aracı Maliyet Dağılımı

Tablo 3. İHA malzeme maliyet tablosu

Numara Parça Adı Birim

Fiyatı (TL)

Miktarı Toplam Fiyatı(TL)

1 Leopar Power 4S 14.8V 4200maH Li-Po Pil

700 1 700

2 Hobbywing Skywalker 60A ESC

200 1 200

3 SUNNYSKY x2820-III 860KV 700 2 1400

4 60A Sigortalı Akım Kesici 45 1 45

5 RadioLink PIXHAWK + M8N GPS Modülü

910 1 910

6 Pixhawk Güç Modülü 115 1 115

7 Karbon Fiber Pervane 120 2 240

8 Karbon Fiber Çubuk 35 8 280

9 Kapron Malzeme 30 5 150

10 Telemetri Alıcı-Verici 550 1 550

11 Ön İniş Takımı 65 1 65

12 Arka İniş Takımı 25 2 50

13 Epoksi 150 1 150

14 Güç Kaynağı 200 1 200

15 Bağlantı Bandı 50 1 50

16 Fotoblok 15 10 150

17 Kontrplak 35 2 70

(15)

18 Servo 28 10 280 19 Kargo+ İşçilik+ Alet-Edevat+

Ulaşım (vb.) Bedelleri

700 1 700

TOPLAM 6305

Tablo 4: Maliyet Tablosu

4. PROTOTİP ÜRETİM SÜRECİ

4.1 İHA İmalat ve Montaj Süreci

Hava aracımızın montajı için tüm takım üyeleri eşit iş bölümü ile çalıştılar. Herkes kendi alanıyla ilgili kısımların montaj ve entegrasyonunda rol aldı.

Tüm parçaların tasarım ve üretimi tamamlandıktan sonra aviyoniklerin yerleşimi planlandı ve plana uygun şekilde gövde ve diğer parçalara konumlandırıldılar.

Ardından gövde, kanat, dikey stabilizatör, iniş takımı gibi ana parçaların bir araya getirilmesi süreci başarıyla tamamlandı. Yerde yapılan taksi testleri olumlu sonuç verince diğer tüm detay komponentlerle birlikte montaj ve entegrasyon süreci tamamlandı ve tekrar tüm fonksiyonlar test edildi.

Hava aracımızın montajı için tüm takım üyeleri eşit iş bölümü ile çalıştılar. Herkes kendi alanıyla ilgili kısımların montaj ve entegrasyonunda rol aldı.

Tüm parçaların tasarım ve üretimi tamamlandıktan sonra aviyoniklerin yerleşimi planlandı ve plana uygun şekilde gövde ve diğer parçalara konumlandırıldılar.

Ardından gövde, kanat, dikey stabilizatör, iniş takımı gibi ana parçaların bir araya getirilmesi süreci başarıyla tamamlandı. Yerde yapılan taksi testleri olumlu sonuç verince diğer tüm detay komponentlerle birlikte montaj ve entegrasyon süreci tamamlandı ve tekrar tüm fonksiyonlar test edildi.

(16)

4.2 İHA Elektrik Elektronik Entegrasyon Süreci

Uçak tasarımından kaynaklı olarak pil motora yakın bir şekilde konumlandırıldı. Akım kesicinin bir ucu pile diğer ucu güç modülüne bağlandı. Güç modülünün diğer ucu ESC’ye bağlandı. ESC’nin diğer ucu motora bağlandı. Beş adet servo, GPS, telemetri, kumanda alıcısı, güç modülü Pixhawk’a bağlandı. Bağlanma sırasında jumper kablolar kullanıldı; gereken yerlerde lehim, gereken yerlerde bantla sağlamlaştırıldı.

4.3 İHA Montajı ve Genel Kontroller

İHA'nın tasarımı için belirlediğimiz, basamak basamak ilerleyen adımları sırasıyla üretip test ve entegrasyonlarını tamamladık. Bu testlerin içeriğinde anlık stres (darbe) dayanım testi, uzun vadeli dayanım testi, performans testi, sistem tanımlama testi, tesisat güvenliği testi (elektronik parçalar için), denge ve stabilite tecrübe denemeleri, taksi testi, kalkış/iniş ve pas geçme testi, stabil istikrarlı uçuş testi ve acil durum tatbikatı gibi aşamalar bulunuyordu.

Bunların her birini başarıyla tamamladıkça bir sonraki basamağa geçilerek havacılığın altın kuralı olan güvenlik ilkesi sağlam temellere oturtulmuş oldu.

Bu testlerin yanında pil ve diğer güç aktarım ögeleri özelinde batarya ömrü, çalışabilir aralık, akım kapasitesi ve termal verim/dayanım konuları üzerine araştırma denemeler yapıldı.

4.4 Üretim İş Zaman Çizelgesi Planlanan ve Gerçekleşen Görsel 5: Kontrplak Parça İmalatı Görsel 6: Kanat Destek Parçası

imalatı

Görsel 7: Kanat İmalatı

(17)

Görev Analizi ve Literatür Taraması Belirlenen sürede tamamlandı.

Tasarım Özelliklerinin Belirlenmesi ve Aviyonik Sistemlerin Seçimi

Belirlenen sürede tamamlandı.

Konsept Tasarımın Yapılması ve Aviyonik Sistemlerin Seçimi

Detaylı Tasarım Yapılması Belirlenen sürede tamamlandı.

Tasarım Üzerinde Testler ve Analizler Yapılması

Rapor Yazımı Belirlenen sürede tamamlandı.

Malzemelerin Siparişi Belirlenen sürede tamamlandı.

Kanat Yapımı Belirlenen sürede tamamlandı.

Gövde Yapımı Belirlenen sürede tamamlandı.

Aviyonik Sistemlerin Yerleştirilmesi Belirlenen sürede tamamlandı.

Otonom Sistemlerin Entegrasyonu ve Uçuş Testleri

Manuel uçuş testleri tamamlandı, otonom sistemlerin entegrasyonu devam ediyor.

Tablo 5: Geçekleşen iş zaman çizelgesi 5. TEKNİK ÇİZİMLER

Şema 2: İHA Aviyonik Bağlantıları

(18)

Şema 3: Yer İstasyonu

(19)

Dept. Technical reference Created by Approved by

Document type Document status

Title DWG No.

30.07.2021

İHA V4

Resul Umut Tülüoğlu 279.32

100

4°

244.46 118.52

725

(20)

Title DWG No.

30.07.2021

İHA V4

Resul Umut Tülüoğlu 149.63

399.03

40

174.57

150

251.72

133.47

289.17

65.16

620 55

(21)

Title DWG No.

30.07.2021

İHA V4

Resul Umut Tülüoğlu

100332.32

R20

84.69

600

500.4 177.71°

92.73 55

145

55

45

35

138.1

(22)

Title DWG No.

30.07.2021

İHA V4

Resul Umut Tülüoğlu