İHA Performansını Artırmak İçin Pervane Balanslama - Teknik Rapor

Yazan: Lauren Nagel

Yönetici Özeti

İnsansız Hava Araçları (İHA'lar), optimum performans, verimlilik ve uzun ömür elde etmek için iyi dengelenmiş pervanelere dayanır. Ancak, pervanelerdeki küçük dengesizlikler bile mekanik stresin pozitif bir geri besleme döngüsünü tetikleyerek artan titreşime, düşen itki verimliliğine, daha yüksek güç tüketimine ve kritik bileşenlerde hızlanan aşınmaya yol açabilir. Zamanla bu etkiler İHA'nın itki sistemini, yataklarını, uçuş kontrolörü performansını ve yapısal bütünlüğünü bozarak nihayetinde arızaya kadar geçen ortalama süresini (MTTF) kısaltır ve işletme maliyetlerini artırır.

Bu teknik rapor, İHA pervanesi dengesizliğinin nedenlerini, sonuçlarını ve çözümlerini inceler. Kabul edilebilir kalıntı dengesizlik için yönergeler sunan ISO 21940-11:2016 gibi endüstri standartlarını ele alır.

Dengesiz pervanelerle ilgili riskleri azaltmak için teknik rapor, statik ve dinamik dengeleme tekniklerini değerlendirir. Statik dengeleme, kütle dağılımını düzeltmek için basit ve düşük maliyetli bir yöntem sunarken, profesyonel İHA uygulamaları için gereken hassasiyete sahip değildir. Buna karşılık dinamik dengeleme, pervanenin döndüğü sırada alınan ölçümlere dayalı düzeltmeler sağlayarak daha yüksek düzeyde doğruluk, endüstri standartlarına uyum ve uzatılmış bileşen ömrü sağlar. Dinamik dengeleme çözümlerinin benimsenmesi, İHA üreticilerinin ve operatörlerinin aşınmayı azaltmasına, uçuş verimliliğini artırmasına ve genel İHA güvenilirliğini iyileştirmesine olanak tanır.

Pervane dengesizliğini kaynağında ele alarak İHA uzmanları duruş sürelerini azaltabilir, bakım maliyetlerini düşürebilir ve çeşitli operasyonel ortamlarda kararlı, verimli uçuşlar sağlayabilir.

Bölüm 1: Arka Plan

İyi dengelenmiş pervaneler, en iyi performansı gösteren İHA'ların kritik bir bileşenidir. Dengeli pervaneler başarının anahtarı olduğu gibi, dengesiz pervaneler performansın bozulması, bileşenlere stres binmesi ve pazardaki rekabet gücünün azalması şeklinde arızalara yol açabilir.

Küçük İHA'larda pervaneler genellikle ucuzdur ve kolayca değiştirilebilir. Pervane kaynaklı bir arıza İHA'nın tamamına zarar verdiğinde veya değiştirilmesi daha maliyetli olan büyük pervanelere sahip daha büyük dronlarda bir arıza meydana geldiğinde maliyetler birikmeye başlar.

Bu teknik rapor, pervanenin dengelenmesinin inceliklerine inerek İHA'nın işlevselliğini, güvenilirliğini ve uzun ömürlülüğünü korumadaki önemini vurgular.

1.1 Pervane Dengeleme Nedir?

Genel olarak pervanenin dengelenmesi, boyut, kütle ve kuvvet üretimine odaklanarak pervanenin kanatları ve eksenleri boyunca denge elde etme işlemini ifade eder.

Pervaneler genellikle üç yöntemden biriyle dengelenir: statik, dinamik ve aerodinamik. Statik ve dinamik dengeleme, dururken (statik dengeleme) veya çalışma devrinde (dinamik dengeleme) pervane boyunca eşit kütle elde etmek için pervane üzerine ağırlıklar eklemekten oluşur. Bu dengeleme türleri, kütle merkezi ile dönme merkezi arasındaki hizalama hatalarını giderir.

Buna karşılık aerodinamik dengeleme, kanat şekli ve hücum açısı gibi kanatların fiziksel özelliklerini ayarlayarak eşit itki üretimine odaklanır. Bu işlem genellikle izleme (tracking) olarak adlandırılır. Aerodinamik dengeleme, motor üzerindeki yunuslama ve yalpalama torkunu ölçerek veya her bir kanadın aynı izi takip ettiğinden emin olmak için bir dönüş sırasında her kanadı izleyerek tespit edilebilir. 

Bu makale, aerodinamik dengelemeden önce yapılması gereken statik ve dinamik dengelemeyi tartışacaktır.

ISO 21940-11:2016'da pervanenin dengelenmesi, “bir rotorun kütle dağılımının incelendiği ve kalıntı dengesizliğin veya hizmetteki titreşimin belirtilen sınırlar içinde olmasını sağlamak için gerekirse ayarlandığı bir prosedür” (ISO, 2016) olarak tanımlanır. Pervane dengelemesinin daha görsel bir tanımı, merkez etrafında neredeyse eşit bir kütle dağılımı elde etmek için bir pervane üzerine ağırlık eklenmesi veya çıkarılması olarak tanımlanacaktır.

Şekil 1: Eşit kütle dağılımı elde etmek için bir pervanenin kanatlarına ağırlık eklemek

1.2 Pervane Dengeleme Standartları

Şu anda pervanenin dengelenmesi için en çok atıf yapılan standart ISO 21940-11:2016, “Katı davranışlı rotorlar için prosedürler ve toleranslar”dır.

Güncellenmiş tanımlar ve daha geniş uygulamalarla önceki standart olan ISO 1940-1:2003'ün yerini alır.

2016 yılında oluşturulan yeni standart basit bir önermeyi takip eder: bir rotordaki dengesizlik seviyesi (U), kalıntı dengesizlik U_res, önceden tanımlanmış kabul edilebilir kalıntı dengesizlik U_per değerinden küçük veya ona eşit olduğunda kabul edilebilir sayılır.

U_per, kütle merkezinin düzlemindeki toplam tolerans olarak tanımlanır ve rotorun kütlesiyle orantılıdır:

U_per ∝ m

kg·m (kilogram metre), g·mm (gram milimetre), kg·mm (kilogram milimetre) veya mg·mm (miligram milimetre) cinsinden ölçülür.

U_per ile rotor kütlesinin oranı e_per olarak adlandırılır ve kabul edilebilir kalıntı özgül dengesizlik olarak tanımlanır:

e_per = U_per m

kg·m/kg (kilogram metre/kilogram), m (metre), g·mm/kg (gram milimetre/kilogram) veya μm (mikrometre) cinsinden ölçülür. Birçok e_per değeri 0,1 μm ile 10 μm arasında düştüğü için genellikle tercih edilen birim μm'dir.

Yalnızca bir bileşke dengesizliğe (ve ihmal edilebilir bir moment dengesizliğine) sahip bir rotor için e_per, rotorun kütle merkezi ile mil ekseni arasındaki mesafedir.

e_per'ün genellikle rotorun hizmet hızı n ile ters orantılı olduğu gözlemlenmiştir:

e_per ∝ 1 n

İHA rotor dengelenmesi için “hizmet hızı” yerine “seyir dönüş hızı” veya pervanenin seyir uçuşu sırasında çalıştığı RPM kullanılabilir.

Bu ilişki ayrıca şu şekilde ifade edilebilir:

e_per = c Ω

burada

Ω = seyir hızının açısal hızı, rad/s cinsinden

c bir sabittir

Başka bir deyişle,

Ω = 2πn 60

burada n = devir/dakika cinsinden seyir dönüş hızıdır.

ISO 21940-11:2016, kabul edilebilir kalıntı dengesizliğin büyüklüğünü belirlemek için kullanılabilecek beş yöntem belirtir: 

1. Birçok farklı rotorla uzun vadeli pratik deneyimden türetilen dengeleme kalitesi dereceleri
2. Kabul edilebilir kalıntı dengesizliklerin deneysel değerlendirmesi
3. Dengesizlikten kaynaklanan sınırlı yatak kuvvetleri
4. Dengesizlikten kaynaklanan sınırlı titreşimler
5. Dengesizlik toleranslarıyla ilgili yerleşik deneyim

3. ve 4. yöntemler için amaçlar sırasıyla yatak kuvvetlerini ve titreşimi sınırlamaktır. Dengeleme kalitesi toleransları ilgili yatak kuvveti ve titreşim sınırları tarafından belirlenir.

2. ve 5. yöntemler, kendi rotorları için önemli miktarda dengeleme verisi biriktirmiş, dengeleme kalitesi toleranslarını dahili olarak belirlemek için yeterli seviyede veriye sahip olan kuruluşlar tarafından en yaygın olarak kullanılır.

Yöntem 1, tipik makine türleri için dengeleme kalitesi gereksinimlerini belirlemek üzere “dünya çapındaki deneyim ve benzerlik mülahazalarına” dayanan küresel bir standardı kullanır.

Yöntem 1'e göre dengeleme kalitesi derecesinin birimi “G”dir ve mm/s (saniyede milimetre) olarak ifade edilen e_perΩ büyüklüğüne eşittir. Yani e_perΩ = 6,3 mm/s ise dengeleme kalitesi derecesi = G 6,3'tür ve bu, İHA rotor dengelenmesi için en yaygın olarak atıf yapılan derecedir.

Aşağıda yaygın makine türleri için dengeleme kalitesi derecelerinin özet tablosu yer almaktadır:

1.3 Pervane Dengesizliğinin Nedenleri

Bir pervanede dengesizlik yaratabilecek birçok değişken vardır. 

Kümülatif stres, normal operasyonlar sırasında pervanenin dengesizleşmesinin yaygın bir nedenidir. Üretim sırasındaki çok küçük kusurlar zamanla, özellikle yüksek RPM'li operasyonların uzun saatleri sonunda kötüleşebilir. Dengesiz bir pervane artan titreşime yol açar; bu da bileşenlerin gevşemesine, hizalama hatalarına, çatlaklara ve diğer zararlı etkilere neden olarak pervanenin dengesini daha da bozan pozitif bir geri besleme döngüsüyle çalışır.

Çarpışmalar veya araziye çarpma sırasında pervanelerde oluşan hasar da malzeme kaybına yol açarak dengesiz bir pervane oluşturabilir. Ucuz pervanelere sahip daha küçük İHA'larda pervaneyi basitçe değiştirmek genellikle daha ekonomiktir. Daha pahalı pervanelere sahip daha büyük İHA'larda pervaneyi değiştirmek yerine yeniden dengelemek daha mantıklı olabilir. Bununla birlikte, motor veya diğer bileşenler de hasar görmüş olabileceği için her boy araçta hasarın sistem üzerindeki daha geniş etkileri de göz önünde bulundurulmalıdır.

Sıcaklık stresi de naylon ve diğer plastik pervaneler gibi belirli pervanelerde deformasyonlara neden olabilir.

Şekil 2: Hasarlı bir İHA pervanesi kanadı (Bayne, 2022)

Bölüm 2: Dengesiz Pervanelerin Sonuçları

2.0 Arka Plan

Dengesiz pervaneler birçok İHA sistemini etkileyen bir dalga etkisi yaratır. Dengesizliğin nedenine bakılmaksızın, yüksek hızlı dönüş asimetriye yol açar ve bu asimetri dakikada binlerce kez tekrar tekrar kullanılır. Bu nedenle küçük bir dengesizliğin etkileri, uçağın genel itki sistemini, sensörlerini ve kararlılığını etkilemeye başlaması uzun sürmez.

Aşağıda, dengesiz pervanelerin bir İHA'daki en kritik sonuçlarından bazıları özetlenmiştir.

2.1 Titreşim

Dengesiz bir pervanenin yüksek hızlı dönüşünden kaynaklanan titreşim, bu bölümde tartışılan birçok ikincil sorunun temel nedenidir. Önceki çalışmalar, pervanenin dengesizliğinin çeşitli araç türlerinde kararsızlaştırıcı titreşimlere nasıl yol açabileceğini göstermiştir (Best, 1945; Loeffler, 1987; Fu, 2018). Bu titreşim, itki kaybı, artan gürültü, hızlanan bozulma ve düşen uçuş verimliliğiyle sonuçlanan sistemler genelinde performans bozulmasına yol açar.

Multirotor dünyasında, birçok çalışma, pervanenin dengesizliği ile titreşim arasındaki nedensel ilişkinin İHA'lara da uzandığını doğrulamıştır; bu çalışmalar için yerleşik ivmeölçerler (Ghalamchi, 2018) ve rotor üzerindeki algılama (Lin, 2023) gibi yöntemler kullanılmıştır. Diğer araştırmalar, titreşim ve dengesizliği gürültü profili analizi (Rangel-Magdaleno, 2018) ve lazer vibrometre (Kuantama, 2019) gibi temassız yöntemlerle tespit etmeyi amaçlamıştır.

Bu çalışmalar, pervanenin dengesizliği ile titreşim arasındaki ilişkiyi, özellikle ne zaman endişe kaynağı haline geldiğini daha iyi anlamamıza yardımcı olmuştur.

Kuantama (2019)'da, dengeli ve dengesiz İHA pervanelerindeki titreşimi ölçmek için bir lazer Doppler vibrometresi kullanılmıştır. Çalışmada, bir lazer ışını pervanenin üç bölgesine odaklanmış; uç, kanadın merkezi ve göbek, titreşim hızını elde etmek için pervanenin dinamik hareketini izlemiştir. Deneylerden önce yazarlar, pervaneyi iki bölgede dengelemek için statik dengeleme sistemi kullanmıştır: kanatların merkezi ve göbek. Pervane daha sonra bir rotora monte edilmiş ve 7.000 RPM'ye kadar dönüş hızlarında döndürülmüştür.

Şekil 3: Kuantama'nın (2019) lazer vibrometre test düzeneği

İlginç bir şekilde, daha yüksek RPM'lerde 14” pervanesi, dengeli ve dengesiz modeller arasındaki titreşim hızında 13” pervaneye kıyasla çok daha geniş bir ayrım gösterdi. 5.000 RPM'de, dengesiz 13” pervanesi, dengeli pervaneye kıyasla %12 veya 0,4 m/s daha yüksek bir titreşim hızı sergiledi. Buna karşılık, bu ayrım 14” dengesiz ve dengeli pervaneler arasında %33 veya 2,3 m/s'lik bir titreşim hızı artışına ulaştı. Yazarlar, “4000 RPM üzerinde titreşim hızında çarpıcı bir artış meydana geldiğini” belirtmiştir. 

Şekil 4: 13” pervanenin (sol) ve 14” pervanenin (sağ) titreşim hızı (Kuantama, 2019)

Bu sonuçlar, pervanenin dengesizliğinden kaynaklanan titreşimlerin daha yüksek RPM'de daha büyük etkiye sahip olduğu ve daha büyük pervanelere sahip İHA'larda daha önemli sonuçlar doğurabileceği yönündeki önceki bulguları desteklemektedir.

Salem ve diğerleri (2025) tarafından yapılan daha yeni bir çalışma, rüzgar türbülansı ve çevresel gürültü gibi durumları içeren dinamik ortamlarda rotor dengesizliğini tespit etmekle ilgili zorlukları ele almayı amaçlamıştır.

Sistemde dengesizlik, bir pervanedeki kanat vidalarından birini gevşeterek oluşturulmuştur. Titreşim desenleri, İHA'nın gövdesine monte edilmiş bir mikro-elektromekanik sistem (MEMS) sensörü kullanılarak kaydedilmiş ve kaydedilen veriler, daha sonra bir test veri setine uygulanacak olan Çok Katmanlı Perceptron MLP sinir ağı modelini eğitmek için kullanılmıştır.

Sonuçlarında, dengesiz rotorun titreşim profilinin, dengeli rotora kıyasla üç eksende de (X, Y, Z) önemli ölçüde daha fazla titreşim gösterdiğini belirttiler. Sapma X ekseninde en belirgin halini alarak 2 g'yi aşan tepe değerlerine ulaştı; ancak Y ve Z eksenlerinde gözlemlenen düzensiz desenler, dengesizliğin sistem genelinde ikincil titreşimlere yol açtığını göstermektedir. 

Yazar, “Bu dalgalanmalar yalnızca İHA'nın kararlılığını tehlikeye atmakla kalmayıp, önlem alınmadığı takdirde mekanik arıza riskini de artırabilir.”

Şekil 5: a) dengeli ve b) dengesiz pervaneler için titreşim ivmesi (Salem, 2025)

Sinir ağları test veri setlerinde 0,9224'lük bir korelasyon katsayısına ulaşabilmiş olup, bu da modelin benzer verilerle diğer itki sistemlerindeki belirli dengesizlikleri tanımlamak için kullanılabileceğini göstermektedir.

Titreşimin İHA sistemlerinde hassas bir şekilde tanımlanması büyük önem taşımaktadır, çünkü sonraki bölümlerde ele alınan faktörlere katkıda bulunmaktadır.

2.2 İtki Kaybı

Pervane itkisinin dengesiz kanatlardan olumsuz etkilendiği matematiksel olarak çıkarılabilir ve deneysel olarak gösterilebilir.

Matematiksel olarak ifade etmek gerekirse, havada asılı kalma itkisine (T) katkıda bulunan temel değişkenlerden biri, kanat geometrisinin önemli bir bileşen olduğu itki katsayısıdır (C_T) (Rangel-Magdaleno, 2018):

T = C_T ρ A_r r² n²

C_T = T ρ n² D⁴

Burada C_T itki katsayısı, ρ hava yoğunluğu, A_r rotor diski alanı, r pervane yarıçapı, n açısal hız ve D pervane çapıdır.

Sedek (2018) ve Mizui (2012) tarafından tamamlanan araştırmalar, bu olguyu deneysel olarak doğrulamıştır.

Sedek (2018)'de, pervanenin toplam kütlesinin %5'ine karşılık gelen bir dengesizliğin %50'ye varan itki kaybına yol açabileceği gösterilmiştir. Yeni bir ticari pervanede bu kadar yüksek bir kusur bulunması son derece düşük bir ihtimaldir, ancak hasarlı bir pervanenin bu tür bir dengesizliğe yol açacak bir malzeme kaybına uğraması mümkündür.

Şekil 6: Dengeli ve dengesiz pervaneler için itki ve devir sayısı (Sedek, 2018)

Mizui (2012)'de daha gerçekçi bir senaryo ele alınmış olup, burada pervanenin dengesizliği toplam pervane kütlesinin %1'inden biraz fazlasına karşılık gelmektedir. Bu dengesizlik, 2800 ile 5600 RPM arasındaki çalışma hızlarında itkinin %2 ile %8 arasında azalmasına yol açmıştır.

Şekil 7: Dengeli ve dengesiz pervaneler için itki ve devir sayısı (Mizui, 2012)

Böylece operatör, Rangel-Magdaleno ve ark. (2018)'de kanıtlandığı gibi, test pervanesinde dengesizliğin artmasıyla güç tüketiminin arttığını gösteren bir çalışmada görüldüğü gibi, azalmış itki veya artmış güç tüketimiyle karşılaşır. Bu düzeltmeler, uçuş kontrol ünitesinin güç gereksinimlerini artırır ve böylece İHA'nın verimliliğini ve uçuş süresini azaltır.

Şekil 8: Dengeli ve dengesiz pervanelerin güç tüketimi için medyan, ortalama ve standart sapma (Rangel-Magdaleno)

2.3 Gürültü

Sezgisel olarak, dengesiz pervanelerin dengeli pervanelerden daha fazla gürültü ürettiği varsayılır. Ancak, İHA'nın uçuşunu önemli ölçüde engellemeyen küçük dengesizlikler için sonuçlar çelişkilidir.

Örneğin, Pechan (2015)'te yazarlar bunun aksini gözlemlemiştir. Çıkıntılar, girintili kanatlar ve kütle dengesizlikleri gibi çeşitli kusurlara sahip pervaneler gürültü üretimi açısından test edilmiş ve 3000 ile 5500 RPM arasındaki çeşitli devir hızlarında döndürülmüştür.

Deneylerinin çoğunda, çıkıntıları veya girintileri olan pervaneler, hasarsız pervaneye kıyasla ortalama olarak eşit veya daha yüksek gürültü üretimi (LZmax) göstermiştir.

Şekil 9: Hasarlı (B1 - B5), dengesiz (B6) ve pürüzsüz pervanelerin tespit edilen en yüksek gürültü seviyesi (LZmax)

Bir kanadından zımparalama yoluyla malzeme çıkarılan dengesiz pervane durumunda sonuçlar, 5000 RPM'de dengeli pervanenin aslında daha yüksek frekanslarda daha fazla gürültü ürettiğini göstermiştir. 

Şekil 10: 3000 (sol) ve 5000 RPM'de (sağ) pürüzsüz ve dengesiz pervanelerin gürültü spektrumları

Yazarlar kanattan ne kadar malzeme çıkarıldığını belirtmedikleri gibi, pervanenin testten önce dengelenip dengelenmediğini de göstermedikleri için bu bulguları nasıl yorumlayacaklarına karar vermek zordur. Malzeme ekleme veya çıkarma yoluyla hasar gören pervaneler de ayrıntılı olarak tanımlanmamış olup, muhtemelen kendileri de dengesiz bir durumu temsil etmektedir.

Yazarlar tonal ve geniş bantlı gürültü arasındaki farkı tartışmakta ve bunları şu şekilde ayırt etmektedir: “Tonal gürültü, homojen akıştaki kanadın aerodinamiği ve kinematiği, [...] kalınlık, yükleme ve kuadrupol gürültüsü ile ilgilidir. Geniş bantlı gürültü daha karmaşıktır ve akış ile kanadın çeşitli bileşenleri arasındaki etkileşimle oluşur.” Tonal gürültü seviyeleri toplam gürültüye en büyük katkıyı temsil ederken, geniş bantlı gürültü yalnızca küçük bir kısmı temsil etmektedir. Tonal gürültünün önemli bir bileşeninin, pervane kanadının kalınlığıyla belirlenen kalınlık gürültüsü olduğunu belirtmektedirler.

Dengesiz pervanenin kanadının zımparalama yoluyla inceltilmesinin, daha az kalınlık gürültüsüne ve daha düşük tonal gürültü üretimine katkıda bulunmuş olabileceği varsayılabilir.

Iannace (2019) tarafından yapılan başka bir çalışmada, pervane gürültüsü ölçümleri dört adet 2 kanatlı pervaneye sahip bir quadcopter İHA kullanılarak yankısız bir odada alınmıştır. Gürültü üç durumda karşılaştırılmıştır: 1) değiştirilmemiş pervaneler, 2) pervanelerden birinin bir kanadına kağıt bant eklenmesi, 3) pervanelerden birinin her iki kanadına da kağıt bant eklenmesi. İHA'nın, pervanelerin ve kağıt bandın kütleleri belirtilmemiştir.

Dört mikrofon drone'un etrafında farklı konumlara yerleştirilmiş ve doğrusal ses basınç seviyesi dB cinsinden ölçülmüştür. İlginç bir şekilde, üç farklı durumda ölçülen ses arasında önemli bir fark bulunmamıştır. Dört dengeli pervaneye sahip İHA'nın ortalama ses seviyesi, aslında iki dengesiz durumdan biraz daha yüksektir (1,4 dB Lin).

Şekil 11: Her bir durum için dB Lin cinsinden ses basınç seviyesi

Toplam gürültü seviyeleri çok benzer olmasına rağmen, her bir durumun yazarın sinir ağının %97'den fazla bir başarı oranıyla ayırt edebildiği benzersiz bir gürültü imzası vardı.

Semke (2020) tarafından gerçekleştirilen üçüncü bir çalışma, hasarın İHA'ların ivmesi, akustik seviyeleri ve uçuş performansı üzerindeki etkisini tanımlamayı amaçlamıştır. Testler, dört benzersiz pervane setine sahip bir DJI Phantom 4 Pro kullanılarak gerçekleştirilmiştir; setlerden ikisi düşük gürültülü tasarıma, diğer ikisi ise standart tasarıma sahipti. Her sette, dengesizlik oluşturmak için pervanelerden birinin ucundan bir santimetre malzeme çıkarılmış, diğeri ise değiştirilmemiş bırakılmıştır.

Sonuçlar, standart kanatlardan ikisi için dengesiz pervanelerin, değiştirilmemiş pervanelere kıyasla 78 dB'ye karşı 74 dB olmak üzere 4 dB'lik bir gürültü seviyesi artışı, yani %5'lik bir artış gösterdiğini kanıtlamıştır. Buna karşılık, düşük gürültülü pervaneler hasarlı ve hasarsız durumlar arasında çok az veya hiç fark göstermemiştir.

Şekil 12: Hasarsız ve hasarlı pervanelere sahip İHA'ların dB cinsinden ses basınç seviyesi

Uçak üzerindeki bir ivmeölçer kullanarak uçağın titreşimini de benzer şekilde karşılaştırmışlardır. Sonuçlar akustik ölçümlerle paralellik göstermektedir. Tüm uçaklarda artan titreşim gözlemlenmiş, ancak bu artış düşük gürültülü pervanelere sahip İHA'larda daha az belirgin olmuştur.

Şekil 13: Hasarsız ve hasarlı pervanelere sahip İHA'lar arasındaki ivme artışı

Bu çalışmaların her biri, deneylerden önce İHA'nın pervanelerinin ve motorlarının iyi dengelenmiş olduğunu varsaymaktadır. Bu etkilerin aşağıdaki eklemelerle daha fazla incelenmesi ilginç olacaktır: 1) bilinen pervane kütlesi, 2) dengesizliğin bilinen kütlesi veya büyüklüğü, 3) deneyden önce pervanenin yerleşik bir standarda göre dengesinin ölçülmesi. 

Bu çalışmaların daha büyük İHA'larda da gerçekleştirilmesi ilginç olacaktır. Pechan (2015) 22” Xoar pervanesini test ederken, diğer iki çalışma küçük quadcopterler kullanmıştır.

Bu çalışmalardan çıkarılacak sonuç, İHA pervanelerindeki küçük dengesizliklerin gürültü üretimini önemli ölçüde artırmasının düşük bir ihtimal olduğudur, ancak büyük dengesizlikler, özellikle pervane boyutu ve devir sayısı arttıkça daha fazla gürültüye yol açabilir.

2.4 Bozulmuş Uçuş Kontrolörü Performansı

Dengesiz pervanelerin etkilerinden biri, yerleşik uçuş kontrolöründen düzeltici eylemler gerektiren azalmış uçuş kararlılığıdır. Bu, bozulmaları dengelemek için telafi edici tork girdileri (Pose, 2024) veya kararlılığı korumak için sürekli hızlı ayarlamalar (Vertiq, n.d.) şeklinde olabilir. Bu düzeltmeler uçuş kontrol ünitesinin güç gereksinimlerini artırır ve böylece İHA'nın verimliliğini ve uçuş süresini azaltır.

Önemli bir örnek, tutum, ivme ve açısal hız gibi temel parametreleri ölçmekten sorumlu Atalet Ölçüm Birimi (IMU) üzerindeki dengesizlik etkisidir. IMU'lar titreşimlere karşı son derece hassastır ve aşırı titreşim yükleri yorulmaya ve kırılmalara yol açarak mikro-elektro-mekanik sistemlerdeki (MEMS) mikro kirişlerde ve metal bağlantılarda arızalara neden olabilir (Xu, 2024). Bunun, dış ivme frekansının kablolamanın doğal frekansı ile senkronize olması sonucu rezonans ve gerilme yoğunlaşmasına yol açabileceği bulunmuştur (He, 2019). Başka bir çalışma, mikro kirişlerdeki bu tür çatlakların jiroskopun performansını ve dolayısıyla MEMS sensör okumalarını bozabileceğini göstermiştir (Larkin, 2020).

Yerleşik sensör okumalarının bozulması genellikle İHA'nın felaketle sonuçlanan arızasından önce gerçekleşir. Pose (2024)'de, pervane dengesizliğinden kaynaklanan titreşim, atalet ölçümlerinde aşırı gürültüye yol açmış ve sonuçta birkaç kaza ile sonuçlanan imkansız tutum tahminlerine neden olmuştur.

2.5 Rulmanlarda Hızlandırılmış Aşınma

Pervane dengesizliği ile titreşim arasındaki ilişki, özellikle endüstriyel üretim gibi eski endüstrilerde olduğu gibi, titreşim ile rulman bozulması arasındaki ilişki gibi iyi tanımlanmıştır. Li (2023)'de, titreşim uyarımı altında rulmanların davranışını incelemek için bir test düzeneği tasarlanmıştır. Araştırma, bu uyarımın rulmanın ivmesini ve eksen yörüngesini önemli ölçüde artırabileceğini ve rulman sertliğini azaltarak bozulmayı hızlandırabileceğini göstermiştir.

İHA'larda titreşim ile rulman ömrü arasındaki ilişki üzerine yapılan çalışmaların çoğu, rulman bozulmasının nasıl artan titreşime yol açtığına odaklanmaktadır.

Banerjee (2023)'de, NASA Langley Araştırma Merkezi'ndeki araştırmacılar, hasarlı rulmanlara sahip bir uçakta titreşim anomalilerini deneysel olarak tespit etmek için bir DJI S1000 İHA kullanmıştır. Arızalı rulmanlara sahip uçuşlara özgü titreşim imzalarını tanımlamak için “Vibrational Anomaly Indicator (VAI)” adı verilen normalize edilmiş bir sağlık teşhis özelliği geliştirdiler. Gösterge, her sistemi puanlamak için benzersiz titreşim olaylarının benzersiz olmayan olaylara oranını kullanmıştır.

Teşhis, sağlam ve hasarlı sistemleri ayırt etmelerine olanak sağlamıştır; sağlam sistemler 0,04 (a) ve 0,08 (b) VAI değerleri gösterirken, hasarlı sistemler 0,65 (c) ve 0,84 (d) değerleri göstermiştir.

Şekil 14: Güç spektral yoğunluğu (PSD), sağlam (a, b) ve hasarlı (c, d) rulmanlara sahip sistemlerde titreşim göstergesi olarak

Özet

Dengesiz bir pervane, performansın bozulduğu ve İHA'nın ortalama arızaya kadar olan süresini (MTTF) kısalttığı bir pozitif geri besleme döngüsü başlatır. Dengesiz bir pervanenin yüksek hızlı dönüşü aşırı titreşim üretir, bu da itki verimliliğini azaltır, gürültü üretimini artırır ve güç tüketimini yükseltir. Bu titreşimler gövde boyunca yayılır, rulmanlarda hızlandırılmış aşınmaya, yapısal yorulmaya ve uçuş kararlılığını azaltabilen sensör hatalarına yol açar.

Önlem alınmadığı takdirde, bu kendi kendini pekiştiren döngü kritik İHA bileşenlerinin erken arızasına yol açabilir.

Bölüm 3: Pervane Dengeleme Teknikleri

3.0 Arka Plan

Önceki bölümde açıklanan performans bozulmalarını azaltmak için kök nedene, yani dengesiz pervanelere odaklanılmalıdır.

Birçok hazır İHA, ISO standartlarına göre geçer not alacak şekilde önceden dengelenmiş rotorlarla gelir. Bu drone'ların daha küçük versiyonlarını edinmek nispeten ucuzdur ve oldukça düşük maliyetli yedek parçalara sahiptir. Bu modellerde dengesizlik söz konusu olduğunda, operatör muhtemelen pervaneleri basitçe değiştirecektir.

Pervanelerin dengelenmesinin tavsiye edildiği üç ana senaryo vardır:
Pervaneler büyük ve değiştirilmesi pahalıdır.
İHA kurum içinde üretilmiştir.
Bir pervane yeni bir motor modeliyle eşleştirilmiştir.

İlk senaryo oldukça açıklayıcıdır - bir İHA'nın pervanelerini değiştirmek yüzlerce veya binlerce dolara mal oluyorsa, onları dengelemeye ve onarmaya çalışmaya değer.

İkinci senaryoda, İHA üreticileri tedarikçi dengelenmesine güvenmezler ve üretim veya kalite güvence sürecinin bir parçası olarak kurum içinde dengeleme yapmaları gerekir.

Üçüncü senaryo, motorların ve pervanelerin ideal olarak birlikte dengelenmesi gerektiği gerçeğini yansıtır; çünkü dengesiz bir motordaki mükemmel dengelenmiş bir pervane bile daha yüksek titreşim ve buna bağlı bozulmalara yol açacaktır.

Bu teknik belgede bir İHA pervanesini dengelemenin iki yolunu ele alıyoruz – statik ve dinamik. Statik dengeleme sabit bir pervane üzerinde gerçekleştirilirken, dinamik dengeleme dönen bir pervaneyi ele alır. Her tekniğin kendi avantajları ve sınırlamaları vardır ve aşağıda tartışılmaktadır.

3.1 Statik Dengeleme

Statik dengeleme genellikle bir pervaneyi hareketsiz bir standa monte etmek ve görünür şekilde dengelenene kadar pervane kanatlarına veya göbeğine ayarlamalar yapmaktan oluşur. Manyetik dengeleyiciler, pervanenin etrafında dönebileceği düşük sürtünmeli bir dönme noktası oluşturmak için zıt mıknatıslar kullanan popüler statik dengeleyici seçenekleridir.

Pervane monte edildikten sonra kullanıcı, kanatlardaki ve göbekteki dengesizlikleri tanımlamak için pervaneyi hareket ettirebilir ve dengesizliği en aza indirmek için malzeme ekleyebilir veya çıkarabilir. 

Bir pervanenin kütlesini azaltmak için yaygın yöntemler arasında zımparalama, budama veya küçük delikler açma bulunur. Kütle eklemek için yaygın malzemeler arasında şeffaf boya, yapıştırıcı, oje, yapışkan bant veya küçük vidalar bulunur.

Şekil 15: Manyetik statik pervane dengeleyici

3.1.1 Avantajlar

Statik dengelemenin çeşitli avantajları vardır ve İHA'nın ticari olarak kullanılmadığı durumlarda tercih edilebilir.

Örneğin, statik dengeleme ekipmanları dinamik dengeleme ekipmanlarından daha ucuz olma eğilimindedir, bu nedenle ekonomik bir avantaj sağlar. Ayrıca öğrenmesi çok kolaydır, neredeyse hiç teknik uzmanlık gerektirmez ve kurulum tamamlandıktan sonra oldukça hızlı bir şekilde gerçekleştirilebilir.

3.1.2 Sınırlamalar

Ticari İHA geliştiricileri ve operatörleri için statik dengelemenin sınırlamaları önemlidir.

Öncelikle çalışma manuel olarak yapıldığı için ölçümler dijital bir sisteme göre çok daha az hassastır. Ayrıca, herhangi bir G değeri üretilmediğinden balansın ISO 21940-11:2016 gibi bir standartla karşılaştırılmasının da bir yolu yoktur. Ek olarak, katlanır pervaneler veya 2'den fazla kanatlı pervaneler gibi belirli pervane türlerini statik bir balans cihazıyla dengelemek daha zordur.

3.2 Dinamik Balans

Dinamik balans sistemleri en az şunları gerektirir: 1) pervanenin dönüş hızını ölçmek için bir sensör ve 2) titreşimi ölçmek için bir ivmeölçer. Bazı sistemler ivme yerine yüksek frekanslı konum ölçümü kullanır.

İnsanlı havacılık pazarında kullanıma sunulan çeşitli ticari dinamik balans çözümleri bulunmaktadır, ancak hiçbiri özellikle İHA karakterizasyonu için tasarlanmamıştır.

Bu ihtiyacı gören Tyto Robotics; pervaneyi sabitlemek için donanım, ölçümleri kaydetmek için sensörler ve gerekli düzeltmeleri elde etmek için tahrik sistemini kontrol etmek ve verileri işlemek üzere yazılım içeren dinamik pervane balans sistemini geliştirdi.

İşte balans işleminin resimli örneği:

Adım 1: Pervaneyi itki test standı donanımına monte edin ve RPM sensörünü kuvvet ölçüm ünitesine bağlayın.

Şekil 16: Pervane ve RPM sensörüne sahip Flight Stand dinamik balans test standı

Adım 2: Rotorun özelliklerini yazılıma girin. Buna çalışma (seyir) RPM'si, düzeltme ağırlığının ekleneceği düzeltme mesafesi ve istenen balans kalite sınıfı dahildir.

Şekil 17: Dinamik balans yazılımının parametre giriş ekranı

Adım 3: Pervane belirtilen çalışma RPM'sine ulaşana kadar gazı artırarak ilk deneme dönüşünü gerçekleştirin. Bir ölçüm alın ve pervanenin durmasını bekleyin.

Adım 4: Yazılımın gösterdiği gibi kalibrasyon ağırlığını bant, şeffaf oje vb. formunda ekleyin. Yazılım, düzeltme mesafesinde ağırlığın eklenmesi gereken gerekli kütleyi ve kanat numarasını sağlayacaktır.

Şekil 18: Kalibrasyon çalışması için pervaneye ağırlık eklemeye yönelik yazılım talimatları

Adım 5: Kalibrasyon dönüşünü gerçekleştirin, çalışma RPM'sine ulaşmak için gazı artırın.

Şekil 19: Dinamik balans yazılımındaki pervane gaz kontrol sistemi

Adım 6: Yazılımın gösterdiği gibi son düzeltme ağırlığını pervaneye ekleyin. Bu adımda eklenen düzeltme ağırlığı, hedef balans sınıfına ulaşmak için muhtemelen yeterli olacaktır.

Şekil 20: Nihai kalite sınıfının belirlenen standart dahilinde olduğunu gösteren son ekran

Adım 7: Pervane hedef balans sınıfına ulaşmadıysa, yazılımın önerdiği ek düzeltme ağırlığını ekleyin ve balansı doğrulamak için pervaneyi yeniden döndürün.

3.2.1 Avantajlar

Profesyonel İHA kullanım durumları için dinamik balans, birkaç nedenden dolayı neredeyse her zaman tercih edilen yöntemdir.

Öncelikle, son derece hassastır. Balanssız pervanelerin sonuçları bu kadar ağır olduğunda, balans hakkında doğru verilere sahip olmak kesinlikle gereklidir. Dinamik sistemler ayrıca bir G değeri sağlar ve yayınlanan standartlara uyar; bu da müşterilere veya paydaşlara uyumluluğu kanıtlamak isteyen İHA geliştiricileri için çok önemli olabilir.

Ek olarak, otomatik balans sistemleriyle dinamik balans kolayca gerçekleştirilebilir ve pervane başına yalnızca 5 dakika veya daha kısa sürede nispeten hızlıca tamamlanır.

Son olarak, dinamik balans sistemleri kanat sayısı veya pervane türüyle sınırlı değildir ve tek kanatlı veya motor gibi bir disk dahil olmak üzere herhangi sayıda kanatlı pervaneleri dengeleyebilir.

3.2.2 Sınırlamalar

Bir pervaneyi dinamik olarak dengelemek için belirli teknik bilgiler gereklidir. Örneğin, çoğu dinamik balans yazılımı kullanıcının seyir dönüş hızı ve hedef G balans sınıfı gibi değişkenleri girmesini gerektirir. Daha önemli olan bilgi ise canlı güç sistemleri ve dönen pervanelerle çalışırken güvenliği sağlayarak pervaneyi güvenli bir şekilde monte etmek ve üzerinde değişiklik yapmaktır.

Ek olarak, dinamik balans için kullanılan ekipmanlar statik ekipmanlardan daha pahalı olma eğilimindedir, bu nedenle daha büyük bir yatırım gereklidir.

Sonuç

İHA'larda pervane balanssızlığının etkileri, uçuş kararlılığını, verimliliği, sensör doğruluğunu ve bileşen ömrünü etkileyerek geniş kapsamlıdır. Hatta küçük balanssızlıklardan kaynaklanan aşırı titreşim; itki kaybına, artan güç tüketimine, rulmanlarda hızlanmış aşınmaya, yapısal yorulmaya ve uçuş kontrolörü performansının bozulmasına yol açabilir. Çözülmediği takdirde bu sorunlar, arızaya kadar ortalama sürenin (MTTF) kısalmasına, güvenilirliğin azalmasına ve işletme maliyetlerinin artmasına neden olur.

Dinamik pervane balansı, bu riskleri azaltmak için pratik ve son derece etkili bir çözüm sunar. Yalnızca temel bir kütle düzeltmesi sunan statik balanstan farklı olarak, dinamik balans pervanenin dönerken balanssızlıkları hassas bir şekilde tespit eder ve düzeltir; böylece yüksek düzeyde doğruluk ve ISO 21940-11:2016 gibi endüstri standartlarına uyum sağlar. Bu işlem titreşimleri kaynağında azaltarak daha pürüzsüz uçuşlara, iyileştirilmiş verimliliğe ve bileşenlerin daha uzun ömürlerine yol açar.

En iyi performansı, düşük bakım maliyetlerini ve artırılmış güvenliği hedefleyen İHA üreticileri ve operatörleri için dinamik balansı standart bir uygulama olarak hayata geçirmek çok önemli bir adımdır. Bu yaklaşımı benimseyerek İHA sistemleri en yüksek verimlilikte çalışabilir, böylece daha yüksek güvenilirlik, daha düşük gürültü salınımı ve uzatılmış bir hizmet ömrü sağlanır.

Kaynakça

• Abdullah Salem BTS, Abdullah MN, Mustapha F, Kanirai NSA, Mustapha M. Vibration Analysis Using Multi-Layer Perceptron Neural Networks for Rotor Imbalance Detection in Quadrotor UAV. Drones. 2025; 9(2):102. https://doi.org/10.3390/drones9020102
• Banerjee, P., Okolo, W. A., & Moore, A. J. (2020). In-flight detection of vibration anomalies in unmanned aerial vehicles. Journal of Nondestructive Evaluation, Diagnostics and Prognostics of Engineering Systems, 3(4), 041105. https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20205001055/downloads/JNDE_PB_WO_AM_VibrationAnomaly.pdf
• Bayne, D. (2022, May 28). When to change drone props? [https://www.droneblog.com/when-to-change-drone-props/].
• Best, S. G. (1945). Propeller Balancing Problems. SAE Transactions, 53, 648–659. http://www.jstor.org/stable/44467824
• Capriglione D, Carratù M, Catelani M, et al. Experimental analysis of IMU under vibration. In: Proceedings of the 16th IMEKO TC10 Conference: Testing, Diagnostics & Inspection as a Comprehensive Value Chain for Quality & Safety; September 3-4, 2019; Berlin, Germany. https://www.imeko.org/publications/tc10-2019/IMEKO-TC10-2019-002.pdf
• Fu P, Qiu B, Ding C, Shi B, Zhang Y. Experimental Study of Unbalanced Multiple Propeller Shaft. SAE Technical Paper 2018-01-1398. 2018. https://doi:10.4271/2018-01-1398
• Ghalamchi, B., & Mueller, M. (2018). Vibration-based propeller fault diagnosis for multicopters. 2018 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), 2369–2374. https://doi.org/10.1109/ICRA.2018.8460660
• Iannace, G., Ciaburro, G., & Trematerra, A. (2019). Fault diagnosis for UAV blades using artificial neural network. Robotics, 8(3), 59. https://doi.org/10.3390/robotics8030059
• International Organization for Standardization. (2016). Mechanical vibration — Rotor balancing — Part 11: Procedures and tolerances for rotors with rigid behaviour (ISO 21940-11:2016). ISO. https://www.iso.org/standard/64908.html
• Kuantama, E., Moldovan, O. G., Ţarcă, I., Vesselényi, T., & Ţarcă, R. (2019). Analysis of quadcopter propeller vibration based on laser vibrometer. Journal of Low Frequency Noise Vibration and Active Control, 40(1), 239-251. https://doi.org/10.1177/1461348419866292
• Larkin K, Ghommem M, Hunter A, Abdelkefi A. Nonlinear modeling and performance analysis of cracked beam microgyroscopes. Int J Mech Sci. 2020;188:105965. https://doi:10.1016/j.ijmecsci.2020.105965
• Li, N., Zhang, J., & Wang, Y. (2023). Dynamic response and failure analysis of bearing under the impact of vibration excitation. Engineering Failure Analysis, 154, 107640. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1350630723005940
• Lin, Y., Li, C., Huang, S., Shi, D., Deng, R., Feng, G., & Gu, F. (2023). Experimental investigation on the propeller imbalance detection via on-rotor sensing vibration for industrial drone. In Proceedings of TEPEN 2022 (pp. 1079–1087). Springer Nature Switzerland. https://doi.org/10.1007/978-3-031-26193-0_94
• Loeffler, I. J. (1987). Structureborne noise control in advanced turboprop aircraft (NASA Technical Memorandum 88947). National Aeronautics and Space Administration. https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19870007154/downloads/19870007154.pdf
• Mizui, M., Yamamoto, I., & Ohsawa, R. (2012). Effects of propeller-balance on sensors in small–scale unmanned aerial vehicle. IOSR Journal of Engineering, 2(8), 23–27. https://iosrjen.org/Papers/vol2_issue8%20%28part-6%29/E0282327.pdf
• Pechan, T., & Sescu, A. (2015). Experimental study of noise emitted by propeller's surface imperfections. Applied Acoustics, 92, 12–18. https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2014.12.011
• Pose, C., Giribet, J., & Torre, G. (2024). Propeller damage detection, classification and estimation in multirotor vehicles. arXiv. https://doi.org/10.48550/arXiv.2410.05447
• Rangel-Magdaleno, J. J., Ureña-Ureña, J., Hernández, A., & Pérez-Rubio, C. (2018). Detection of unbalanced blade on UAV by means of audio signal. In 2018 IEEE International Autumn Meeting on Power, Electronics and Computing (ROPEC) (pp. 1–6). IEEE. https://doi.org/10.1109/ROPEC.2018.8661459
• Sedek, Z. B. (2018). Measurement of dynamic thrust produced by imbalance propeller (Bachelor's project report). School of Mechanical Engineering, Universiti Teknologi Malaysia. https://people.utm.my/mnazri/wp-content/uploads/sites/932/2020/02/Draft-report-zunur-1.pdf
• Semke, W. H., Zahui, D.-K., & Schwalb, J. (2021). The vibration and acoustic effects of prop design and unbalance on small unmanned aircraft. In Sensors and Instrumentation, Aircraft/Aerospace, Energy Harvesting & Dynamic Environments Testing, Volume 7 (pp. 9–16). Springer International Publishing. https://doi.org/10.1007/978-3-030-47713-4_2
• Vertiq. (n.d.). Understanding and addressing flight controller and motor vibrations. In Vertiq API and Usage 0.12.0 documentation. Retrieved from https://iqmotion.readthedocs.io/en/latest/tutorials/vibration_and_jittering.html
• Xu Y, Liu S, He C, et al. Reliability of MEMS inertial devices in mechanical and thermal environments: A review. Heliyon. 2024;10(5):e27481. https://doi:10.1016/j.heliyon.2024.e27481