Tez Arşivi

Hakkımızda

Tez aramanızı kolaylaştıracak arama motoru. Yazar, danışman, başlık ve özete göre tezleri arayabilirsiniz.


Orta Doğu Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Anabilim Dalı

Optimal external configuration design of missiles

Füzelerin dış geometrik konfigürasyonlarının eniyilenmesi

Teze Git (tez.yok.gov.tr)

Bu tezin tam metni bu sitede bulunmamaktadır. Teze erişmek için tıklayın. Eğer tez bulunamazsa, YÖK Tez Merkezi tarama bölümünde 255836 tez numarasıyla arayabilirsiniz.

Özet:

The main area of emphasis in this study is to investigate the methods and technology for aerodynamic configuration sizing of missiles and to develop a software platform in MATLAB® environment as a design tool which has an ability of optimizing the external configuration of missiles for a set of flight requirements specified by the user through a graphical user interface. A genetic algorithm based optimization tool is prepared by MATLAB is expected to help the designer to find out the best external geometry candidates in the conceptual design stage. Missile DATCOM software package is employed to predict the aerodynamic coefficients needed in finding the performance merits of a missile for each external geometry candidate by integrating its dynamic equations of motion.Numerous external geometry candidates are rapidly eliminated according to objectives and constraints specified by designers, which provide necessary information in preliminary design. In this elimination, the external geometry candidates are graded according to their flight performances in order to discover an optimum solution.In the conceptual design, the most important performance objectives related to the external geometry of a missile are range, speed, maneuverability, and control effectiveness. These objectives are directly related to the equations of motion of the missile, concluding that the speed and flight range are related to the total mass and the drag-to-lift ratio acting on missile. Also, maneuverability depends on the normal force acting on missile body and mass whereas the control effectiveness is affected by pitching moment and mass moment of inertia of missile. All of the flight performance data are obtained by running a two degree-of-freedom simulation.In order to solve the resulting multi-objective optimization problem with a set of constraint of linear and nonlinear nature and in equality and inequality forms, genetic-algorithm-based methods are applied. Hybrid encoding methods in which the integer configuration variables (i.e., nose shape and control type) and real-valued geometrical dimension (i.e., diameter, length) parameters are encoded in the same individual chromosome.An external configuration design tool (EXCON) is developed as a synthesis and external sizing tool for the subsonic cruise missiles. A graphical user interface (GUI), a flight simulator and optimization modules are embedded into the tool. A numerical example, the re-configuration problem of an anti-ship cruise missile Harpoon, is presented to demonstrate the accuracy and feasibility of the conceptual design tool. The optimum external geometries found for different penalty weights of penalty terms in the cost function are compared according to their constraint violations and launch mass values. By means of using EXCON, the launch mass original baseline Harpoon is reduced by approximately 30% without deteriorating the other flight performance characteristics of the original Harpoon.Keywords: External Configuration, Conceptual Design, Flight Performance, Maneuverability, Control Effectiveness, Control Surface, Multi-objective Optimization, Cruise Missile, Penalty weight, Cost Function, Penalty Function

Summary:

Bu çalışmadaki temel amaç, füzelerin aerodinamik dış geometrik parametrelerini ölçülendiren yöntem ve teknolojilerin araştırılması ve, füze dış geometrisini kullanıcı arayüzüyle belirlenen uçuş gereksinimlerini karşılayacak şekilde eniyileyebilen bir tasarım aracının Matlab® ortamında geliştirilmesidir. Genetik algoritma tabanlı hazırlanan bu eniyileme aracının, kavramsal tasarım aşamasında, tasarımcının en iyi geometri adaylarını keşfetmesine yardımcı olması beklenmektedir. Geliştirilen yazılımda, her bir dış geometri adayına sahip füzenin performans başarım değerlerinin hareket denklemlerinin yardımıyla elde edilirken gereken aerodinamik katsayılar Missile DATCOM yazılımı aracılığıyla kestirilmektedir.Kavramsal tasarım aşamasının başında, gereksinimleri sağlayacak füze konfigürasyon adaylarının sayısını azaltmak ve ön tasarım aşamasına yönelik bilgi edinmek amacıyla, yüksek sayıda konfigürasyon adayının hızlı bir şekilde irdelenip, elenmesi gerekmektedir. Bu elemede, en iyi geometriyi bulabilmek için, dış geometri adayları, başarım ölçütlerine göre puanlandırılmıştır.Kavramsal tasarım aşamasında dış geometri oluşturulması açısından en temel başarım ölçütleri menzil, hız, manevra kabiliyeti ve kontrol etkinliğidir. Her bir ölçüt hareket denklemleriyle ilişkilendirildiğinde, menzil ve hızın, toplam kütle ve füze gövdesine etkiyen kaldırma kuvvetinin hava direncine oranıyla ilgili olduğu anlaşılmıştır. Ayrıca, manevra kabiliyetinin gövde üzerine etkiyen yanal kuvvet ve kütleyle, kontrol etkinliğinin ise yunuslama momenti ve eylemsizlikle bağıntılı olduğu görülmüştür. Tüm performans başarım verileri, iki serbestlik dereceli uçuş benzetiminin çalıştırılması ile elde edilmiştir.Doğrusal ve doğrusal olmayan eşitsizlik ve eşitlik formlarındaki kısıtlara sahip bu çok amaçlı eniyileme problemini çözebilmek için genetik algoritma tabanlı yöntemler uygulanmıştır. Tek bir kromozom içerisinde, konfigurasyon parametreleri (örn., burun tipi ve kontrol tipi) için tamsayılar ile, geometrik uzunluk parametreleri (örn., çap ve boy) için gerçek sayılar ile kodlamaların uygulandığı karma şifreleme yöntemleri uygulanmıştır.Ses hızı altında uçan füzeler için, dış geometri boyutlandırma ve sentez aracı olarak kullanılan bir yazılım (EXCON) geliştirilmiştir. Bu yazılımın içinde, kullanıcı grafik arayüzü, uçuş simülatörü ve eniyileme modülleri yer almaktadır. Geliştirilen kavramsal tasarım aracını doğrulamak amacıyla, sayısal bir örnek çalışma olarak, gemilere karşı atılabilen seyir füzesi Harpoon'un dış geometrisinin yeniden şekillendirilmesi problemi ele alınmıştır. Ceza fonksiyonunun başına farklı ceza ağırlıkları konularak oluşturulan maliyet fonksiyonlarına göre bulunan eniyi geometriler, kısıtları ihlal etmelerine ve fırlatma kütlesi değerlerine göre karşılaştırılmıştır. EXCON sayesinde, diğer uçuş başarım değerleri kötüleşmeksizin, özgün Harpoon füzesinin kütlesi yaklaşık olarak %30 düşürülebilmiştir.Anahtar Kelimeler: Dış Geometri, Kavramsal Tasarım, Uçuş Başarımı, Manevra Kabiliyeti, Kontrol Etkinliği, Kontrol Yüzeyi, Çok Amaçlı Eniyileme, Seyir füzesi, Ceza Ağırlığı, Maliyet Fonksiyonu, Ceza fonksiyonu