Küçük İHA'lar İçin 3D Baskılı Şekil Değiştirebilir Kanat Tasarımı ve Testleri

Öz

Kuşlar; tırmanış, düz uçuş, alçalma vb. değişik uçuş fazlarını, şekillendirilebilir kanatları sayesinde verimli bir şekilde gerçekleştirebilmektedirler. Geleneksel hava araçlarında ise değişik uçuş fazları için yardımcı kontrol yüzeyleri kullanılmaktadır. Bu çalışmada şekil değiştirebilir esnek kanat yaklaşımı ile mini sınıf insansız hava araçlarının uçuş verimliliğinin artırılması hedeflenmiştir. Esnek kanat 3 boyutlu yazıcı ile üretilebilir şekilde tasarlanmıştır. Kanat profilleri simetrik, yarı simetrik ve bombeli (kambur) olarak sınıflandırılabilir. Simetrik kanatlar daha yüksek hızlara ulaşılabilmesine olanak sağlarken bombeli kanat profilleri daha fazla kaldırma kuvveti üretilmesini sağlar. Hava aracı kanadının belirtilen kanat profillerine dönüştürülebilmesi amaçlanmıştır. Kanat, uyumlu hücum kenarı ve firar kenarına sahip olacak şekilde tasarlanmıştır. Bu sayede uçuş sırasında kanadın değişken kamburlu olabilmesi hedeflenmiştir. Kanadın şekillenebilmesi için kanadın üst yüzeyinde elastik deforme edilebilir esnek 3D baskılı yapılar, alt yüzeyinde ise yuva-yol ilişkisine sahip bir yapı tasarlanmıştır. Tasarlanan kanadın statik ve aerodinamik analizleri simülasyon araçları kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Optimizasyon çalışmalarından sonra 3 boyutlu (3B) yazıcı kullanılarak prototip kanat üretimi ve daha sonra rüzgar tünelinde şekil değiştirebilen kanadın testleri gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan şekil değiştirebilen kanadın değişik durumlardaki aerodinamik davranışı XFRL5 yazılımı kullanılarak analiz edilmiştir. Aerodinamik analizler sonucunda kambur kanadın en yüksek kaldırma katsayısına (CL) sahip olduğu görülmüştür. Simetrik kanadın daha düşük sürükleme katsayısına (CD) sahip olduğu ve sonuç olarak aerodinamik verimliliğinin daha yüksek olduğu görülmüştür. Rüzgâr tüneli testlerinde farklı rüzgâr hızları ve hücum açıları için kanat kaldırma kuvveti ölçümleri yapılmıştır. Geliştirilen uyumlu kanat ile çok geniş yelpazede farklı kanat davranışlarının elde edilebildiği görülmüştür.

Anahtar Kelimeler

• Şekil değiştirebilen kanat
• uyumlu kanat
• İHA

Design and Tests of a 3D-printed Morphing Wing for Small UAVs

Öz

Birds can perform different flight phases such as climb, cruise and descent efficiently thanks to their adaptive wings. In conventional aircrafts, auxiliary control surfaces are used for different flight phases. In this study, it is aimed to increase the flight efficiency of small unmanned aerial vehicles with the morphing wing approach. The flexible wing is designed to be produced using a 3D printer. Airfoils can be classified as symmetrical, semi-symmetrical and cambered. Symmetrical wings allow higher speeds to be achieved, while cambered wing profiles provide more lift. It is intended that the aircraft wing can be transformed to specified airfoils. The wing is designed to have a morphing leading and trailing edge. In this way, it is aimed that the wing can have variable camber during flight. In order to shape the wing during flight, deformable flexible 3D printed structures were designed on the upper surface of the wing, and a structure with a slotted guide on the lower surface. Static and aerodynamic analyzes of the designed wing were carried out using simulation tools. After the optimization studies, prototype wing was manufactured using a FDM 3D printer, and then the morphing wing was tested in the wind tunnel. The aerodynamic behavior of the designed deformable wing in different conditions was analyzed using XFRL5 software. As a result of the aerodynamic analysis, it was seen that the camber wing had the highest lift coefficient (CL). It has been observed that the symmetrical wing has a lower drag coefficient (CD), resulting in higher aerodynamic efficiency. In wind tunnel tests, wing lift measurements were made for different wind speeds and angles of attacks. It has been observed that a wide range of different wing behaviors can be obtained with the developed morphing wing.

Anahtar Kelimeler

• Morphing wing
• adaptive wing
• UAV

Kaynakça

1. Sadraey MH. Aircraft design: A systems engineering approach. West Sussex, UK: John Wiley & Sons, 2012.
2. Jha AK, Kudva JN. Morphing aircraft concepts, classifications, and challenges. Industrial and Commercial Applications of Smart Structures Technologies. San Diego, SPIE Publishing, 2004; 213–224.
3. Weisshaar T, Terrence A. Morphing Aircraft Technology-New Shapes for Aircraft Design. Defense Technical Information Center: Fort Belvoir,VA, USA, 2006.
4. Kelly FC. The Wright Brothers: A Biography. Courier Corporation, 2012.
5. Vasista S, Riemenschneider J, Monner HP. Design and testing of a compliant mechanism-based demonstrator for a droop-nose morphing device. 23rd AIAA/AHS adaptive structures conference; 2015 Jan 5-9; Kissimmee, USA. Reston: AIAA; 2015; pp. 1-16.
6. Zhao A, Zou H, Jin H, Wen D. Structural design and verification of an innovative whole adaptive variable camber wing. Aerosp Sci Technol 2019; vol. 89: 11-18.
7. Ajaj RM, Jankee GK. The Transformer aircraft: A multimission unmanned aerial vehicle capable of symmetric and asymmetric span morphing. Aerosp Sci Technol 2018; vol. 76: 512-522.
8. Fasel U, Keidel D, Baumann L, Cavolina G, Eichenhofer M, Ermanni P. Composite additive manufacturing of morphing aerospace structures. Manuf Lett 2020; vol. 23: 85-88.

9. Rodrigue H, Cho S, Han MW, Bhandari B, Shim JE, Ahn SH. Effect of twist morphing wing segment on aerodynamic performance of UAV. J Mech Sci Technol 2016; vol. 30(1): 229-236,.
10. Parancheerivilakkathil MS. A compliant polymorphing wing for small UAVs. Chin J Aeronaut 2020, vol. 33(10): 2575-2588.
11. Parancheerivilakkathil MS, Haider Z, Ajaj RM, Amoozgar M. A polymorphing wing capable of span extension and variable pitch. Aerospace 2022, vol. 9(4), pp. 205.
12. Keidel D, Fasel U, Ermanni P. Concept investigation of a lightweight composite lattice morphing wing. AIAA Journal 2021, vol. 59(6): 2242-2250.
13. Bishay PL, Burg E, Akinwunmi A, Phan R. Sepulveda K. Development of a new span-morphing wing core design. Designs 2019, vol. 3(1): pp. 12.
14. Althaus D, Niedrig F. Niedrig-geschwindigkeits-profile. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig/Wiesbaden, 1996.
15. Deperrois A. XFLR5 Analysis of foils and wings operating at low Reynolds numbers. Guidelines for XFLR5, vol. 142, 2009.