Dikey İniş Kalkış Araçlar İçin Melez Güç Sistemi: Analiz, Uygulama ve Kavramsal Tasarım

Abstract

Bataryaların düşük özgül enerjisi nedeniyle, elektrikli DİK (Dikey Kalkış ve İniş) (batarya ile çalışan), dayanıklılık ve faydalı yük konusunda kısıtlamalara sahiptir. Hibrit Elektrikli Tahrik Sistemleri (HEPS'ler) yüksek güç ve yüksek özgül enerji avantajlarını bir araya getirerek uzun dayanıklılık ve ağır faydalı yük kabiliyetlerine sahiptir. HEP (Hibrit Elektrikli Tahrik), İnsansız Hava Aracı (İHA) ve KHH (Kentsel Hava Hareketliliği) teknolojileri gelecekte umut verici gelişme trendleri olarak kabul edilmektedir. Teknolojideki mevcut gelişmelere ayak uyduran bu tez, İHA görevlerinde ve KHH hizmetlerinde hibrit motorlu DİK gerçekleştirmenin teknik fizibilitesini araştırmayı, tasarlamayı ve doğrulamayı hedeflenmiştir. Bu amaçla, hibrit motorlu çok rotorlu İHA sistemleri, ticari hibrit güç aktarma organları, İHA'larda kullanılan ticari motorlar, farklı DİK araçları ve bir dizi hava soluyan motor, Elektrik Motoru ve Elektrik Jeneratörü türleri ve Elektrikli Tahrik Üniteleri için teknik veriler toplanmış, sınıflandırılmış ve sunulmuştur. Ayrıca, kavramsal tasarım süreci sağlanmış ve daha yüksek dayanıklılık/ faydalı yükü görevlerinde (Hava taksi, Hava ambulansı, Ağır yük kargo) gerekli dayanıklılık ve faydalı yükü yeteneklerini genişletmek amacıyla ticari kullanıma hazır (COTS) ürünler kullanılarak aynı güce sahip bir hibrit güç aktarma organı için dört yapı tasarlanmış ve değerlendirilmiştir. Bu mimarilerin özellikleri yakıt verimliliği, yük taşıma kabiliyeti (P/W oranı) ve ön verilere dayalı dayanıklılık temelinde belirlenmiştir. Elektrikli/hibrit güç aktarma organları bileşenleri seçilmiş ve bir test tesisinde bir araya getirilmiştir. Deneysel sonuçlarda gösterildiği gibi, hibrit güç aktarma sistemi (Yakıt enjeksiyonlu iki zamanlı motor + Elektrik Jeneratörü) 1.5 kW güç sağlamak için yeterli olmuştur. Bu teknolojinin DİK KHH araçları için güç aktarma organlarına giden yol vurgulanmıştır. Bu çalışmanın teknik sonuçları, DİK KHH araçlarının ticari tasarımında yatırım olanaklarının önünü açacak ve akademi ile endüstriyi anlamlı bir katkı sağlayacaktır.Due to the low specific energy of batteries, electric VTOL (Vertical Take-Off and Landing) (battery-powered), has constraints on endurance and payload. Hybrid Electric Propulsion Systems (HEPSs) combine the advantages of high power and high specific energy and thus long endurance and heavy payload capabilities. HEP (Hybrid Electric Propulsion), Unmanned Aerial Vehicle (UAV), and UAM (Urban Air Mobility) technologies are considered promising development trends in the future. Keeping pace with the current advancements in technology, this thesis aims to explore, design, and confirm the technical feasibility of realizing hybrid-powered DİK in UAVs' missions and UAM services. To this end, technical data for hybrid-powered multi-rotor UAV systems, commercial hybrid powertrains, commercial engines that are used in UAVs, different VTOL vehicles, and a range of air-breathing engines; types of Electric Motors, Electric Generators, and Electric Propulsion Units have been collected, classified, and presented. Moreover, the conceptual design process is provided and four architectures for a hybrid powertrain having identical power are designed and evaluated using commercial off-the-shelf (COTS) products with the aim of extending the endurance and payload capabilities required in higher-endurance/payload missions (Air taxi, Air ambulance, Heavy lift cargo). The properties of these architectures are identified based on fuel efficiency, load-carrying capability (P/W ratio), and endurance based on preliminary data. The electric/hybrid powertrain components were selected and assembled in a test facility. As shown in the empirical results, the hybrid powertrain (Fuel-injected two-stroke engine + Electric Generator) was sufficient to provide 1.5 kW of power. The path for this technology into powertrains for DİK UAM vehicles has been highlighted. The technical results of this study will open up investment prospects in the commercial design of VTOL UAM vehicles and stimulate academia and industry.