Sıvı yakıtlı turbopompa beslemeli roket motoru tasarım aracı geliştirme

Abstract

Bu çalışmada sıvı yakıtlı roketlerin turbopompa sistemlerinin ve bileşenlerinin tasarım ve performans analizlerine yönelik bir yazılım geliştirilmiştir. Sıvı yakıtlı roketler, genellikle uzay uygulamaları amaçlı roketlerin son modülleri olup, nihai görevi gerçekleştirme amaçlıdır. Bu roketlerde tahrik sistemi başlıca basınçlı yanıcı ve oksitleyici içeren depolar, yanıcı pompası, oksitleyici pompası, ön yanma odası, ana yanma odası, türbin ve lüleden oluşur. Bu sistem bir mil üzerinde değişik biçimlerde tasarlanabilir. Turbopompa sisteminin yüksek güç yoğunluğuna sahip olması istenir. Bu nedenle pompalar ve türbin yüksek devir hızlarında çalışırlar. Bu ise klasik tasarım yöntemlerine ilave olarak, önemli birikimlere ihtiyaç duyan farklı yöntemlerin geliştirilmesini ve güncel mühendislik araçlarının aktif kullanımını gerektirir. Bu çalışma turbopompa sisteminin geliştirilmesi ve optimize edilmesine bu bakış açısıyla yaklaşmaktadır. Gerçekleştirilen çalışmada literatürde yer alan yayınlar ve çeşitli kitaplar yardımıyla bir yüksek hızlı pompanın tasarımı ve boyutlandırılması için gerekli olan eşitlikler ve yaklaşımlar bir araya getirilerek bir tasarım kılavuzu oluşturulmuştur ve bu tasarım kılavuzu python kodlama dili kullanılarak kullanıcı arayüzüne sahip bir tasarım aracı geliştirilmiştir. Tasarım aracı yardımıyla turbopompa tasarlamak isteyen bir kullanıcının çeşitli isteklerine göre hızlı bir biçimde pompa tasarımı yapabilmesi ve tasarım sürecinin kısaltılması amaçlanmıştır. Gerçekleştirilen çalışmada kullanıcı için yüksek hızlı bir pompanın alt bileşenleri olan önçark, çark ve salyangoz tasarımı gerçekleştirilmektedir. Ayrıca motor bütünü ele alındığında tasarım aracı aracılığıyla yanma odası ve lüle tasarımı da gerçekleştirilebilmektedir. Gerçekleştirilen tasarımın ardından ise meridyenel kesitleri program aracılığıyla çizilmektedir. Önçark ve çark tasarımlarının sonucunda meridyenel kesitte bir ağ yapısı oluşturulmakta ve oluşturulan bu meridyenel kesit ağ yapısında akım fonksiyonun çözdürülmesi sonucunda akış analizi gerçekleştirilmektedir. Bu sayede meridyenel kesitte hız alanları tespit edilebilmekte ve kullanıcılara sunulmaktadır. Programda bir boyutlu kayıp korelasyonları yardımıyla basma yüksekliği bulunabilmektedir. Bir boyutlu kayıp korelasyonları tasarlanan önçark, çark ve salyangoz bileşenlerinde kullanılmaktadır. Ayrıca bir başka çalışma ile gerçekleştirilen yapay zeka modülü yardımıyla çark için performans tahmini gerçekleştirilmektedir. Bu tahmin modülü gerçekleştirilen hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizleriyle eğitilmiş olup tasarım aracına eklenme nedeni kullanıcıların tasarladıkları yüksek hızlı pompaları analiz etme isteğine karşın daha az analiz ile istedikleri sonuçlara ulaşabilmeleridir. Yanma odası ve lülenin tasarlanması için gereken kimyasal reaksiyonlar NASA tarafından geliştirilen Chemical Equilibrium Analysis (CEA) yazılımı örnek alınarak geliştirilen bir kimyasal reaksiyon modülü kullanılarak belirlenmektedir. Geliştirilen bu modül yardımıyla belirlenen oksitleyici ve yakıt çifti için yanma odasında gerçekleşen yanma tepkimesi simüle edilmektedir. Tasarım aracının tüm modülleri kullanıcı arayüzüne eklenerek kullanıcıların zorlu olabilecek bu tasarım sürecini daha kolay ilerletebilmeleri sağlanmıştır. Ayrıca yapılan yayınlar ile tavsiye edilen değerler ile özellikle tasarım aşamasında kullanıcılar bilgilendirilmeye çalışılmıştır. Sonuç olarak deneyimlediğim ticari yazılımlarda eksik olan kayıp korelasyonları ve motorun tamamının tasarlanmasına olanak sağlayan bu tasarım aracı kullanıcıların tasarım süreçlerini kolaylaştırmak ve tasarım süreci ile ilgili deneyimsiz kullanıcılara bilgi vermek amacıyla gerçekleştirilmiştir.