Sıvı yakıtlı roket motorları için itki kontrolörü tasarımı

Abstract

Sıvı Yakıtlı Roket Motorları (SYRM), kullandığı sıvı formdaki yakıt çiftinin istenen yanma karakteri ve karışım oranına uygun olacak şekilde ihtiyaç duyulan basınç ve debi değerlerinin sağlanması sonucu yanma reaksiyonunun gerçekleştiği ve çok yüksek itkiler üretebilen sistemlerdir. Sıvı Yakıtlı Roket Motorları, sisteme beslenen yakıt çiftinin yanma reaksiyonunun, hedeflenen itki seviyesini sağlayacak basınç ve debi değerlerinde kimyasal yanma reaksiyonunun gerçekleştiği sistemlerdir. Yanma reaksiyonu için ihtiyaç duyulan yakıt çiftlerinden birinin yakıcı özellikte, diğerinin ise yanıcı özellikte olmasını gerektirmektedir. SYRM'ler, geçmişten bugüne birçok taktik sistem ve uzay projeleri için geliştirilmiş olup, farklı yakıt çiftleri ve farklı konfigürasyonlarda kullanılmaktadırlar. Özellikle Soğuk Savaş döneminde hızlanan ve gelişim gösteren uzay yarışı neticesinde roket ve fırlatma araçları konularındaki çalışmalar ivme kazanmıştır. Bu çalışmalar neticesinde yörünge yönelim, ay misyonu kapsamında insanlı uçuş ve iniş, kalkış manevralarının gereksinimleri neticesinde itki seviyesi kontrol edilebilir roket motoru ihtiyacı kaçınılmaz hale gelmiştir. SYRM'ler tekrar kullanılabilirlik, çoklu ateşleme, yanma verimliliği ve itki seviyesi kontrolü gibi Katı Yakıtlı Roket Motor'ları (KYRM) ve Hibrit Roket Motorları'ndan farklılaşan birçok teknik özelliğe sahiptir. Bu teknik özelliklerden ötürü hassas yörünge yerleşimi ve iniş gibi isterlerin sağlanması gereken projelerde KYRM'ler ve Hibrit Motor'lar yerine sıklıkla tercih edilmektedir. SYRM'ler, farklı çevrim tipleri ve farklı yanma verimliliklerine bağlı itki seviyeleri bakımından kategorilere ayrılmaktadır. Misyonun gereksinimleri kapsamında üst sistem seviyesinde gerçekleştirilen kavramsal seçim, SYRM'lerde kullanılan akış kontrol bileşenlerinin tasarım ve doğrulama aşamalarına doğrudan etki etmektedir. Bu sebeple, üst sistem kavramsal seçimi olan SYRM çevrim tipi, geliştirilen sistemler literatür ve sektör içerisinde teknik açıdan farklılıklara sahiptir. Tezde verilen çalışmada Gaz Jeneratörü Çevrimli Sıvı Yakıtlı Roket Motorlarında sistemin itki seviyesi kontrol etme kabiliyetinin kazanılması amacıyla geliştirilen bir itki regülatörünün matematiksel modeli, tasarımı, analizleri, alt bileşenlerinin üretimi ve testleri yapılmıştır. Geliştirilen ve bu çalışmada sunulan sistemin teknolojik olarak kritik olması ve bilgilerinin gizliliği sebebiyle literatürde sınırlı çalışma olmasına karşın ortaya koyulan çıktıların literatüre kaynak zenginliği getirmesi hedeflenmiştir. Çalışmada akışkan olarak su kullanılmış ancak sistem farklı yakıt çiftlerine uygun olarak tasarlanmıştır. Buna karşın tasarım doğrulama testleri; akış analizleri ile aynı sınır koşullarına yakınsanarak su ile gerçekleştirilmiştir. Çalışmadaki çıktılar bu verilen bilgiler ışığındadır. Bu çalışmada sunulan çıktılar ürünün çalışacağı gerçek sistemdeki isterler gözetilerek verilmemiştir. İlk olarak kavram seçimi yapılmıştır. Kavram seçimi, İtki Regülatörü'nün hem armatür kavramı için hem de eyleyici bütünü kavramı için ayrı ayrı yürütülmüş ve her iki kavramın da çıktıları gözetilerek alternatifler belirlenmiş ve çalışmada detaylandırılmıştır. Kavramsal tasarım sonrasında sistem statik ve dinamik olarak ayrı ayrı modellenmiş olup, sonrasında ilgili modeller Matlab ve Simulink yazılım ortamında birleştirilerek çıktıları incelenmiş ve buradan elde edilen parametreler katı modelleme programına mekanik parçaların ölçülendirilmesi ve toleranslandırılması için katkı sağlamıştır. Katı modelleme çalışmaları CATIA programında gerçekleştirilmiş olup, modelleme sonrasında yapısal analiz (ANSYS) ve akış analizleri (CFD) tamamlanmıştır. Matematiksel model ile CFD çıktılarının karşılaştırılmasına takiben sisteme ait gereksinim tabloları oluşturulmuş ve alt parçalara ilgili gereksinimler kırılmıştır. Bunlar, mekanik alt parçalar ve eyleyici bütünü olarak ilerlemiştir. Eyleyici bütünü ve mekanik parçaların tamamı ülke içerisinde geliştirilmiş/üretilmiş olup, öncül doğrulama testleri parça bazlı gerçekleştirilip, bütünleme işlemi bu doğrulama testlerinin çıktılarına uygun olacak şekilde gerçekleştirilmiştir. Test, simülasyon çıktıları karşılaştırılarak tasarım doğrulama çalışmaları tamamlanmıştır.