İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ ROKET TEKNOLOJİLERİ KULUBÜ BASINÇLI BESLEME VE KENDİNDEN BASINÇLI ROKET MOTORLARI. AR-GE RAPORU Sercan ÖZTÜRK

Ebat: px

Şu sayfadan göstermeyi başlat:

Download "İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ ROKET TEKNOLOJİLERİ KULUBÜ BASINÇLI BESLEME VE KENDİNDEN BASINÇLI ROKET MOTORLARI. AR-GE RAPORU Sercan ÖZTÜRK"

Nesrin Sezer
5 yıl önce
İzleme sayısı:

1 İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ ROKET TEKNOLOJİLERİ KULUBÜ BASINÇLI BESLEME VE KENDİNDEN BASINÇLI ROKET MOTORLARI AR-GE RAPORU Sercan ÖZTÜRK Tarih: 21 Aralık 2017

2 GİRİŞ Roketlerde yakıcı ve yakıtın yanma odasına iletimi için bir besleme sistemine ihtiyaç duyulur. Yakıt besleme sisteminin iki temel fonksiyonu vardır; bunlar, itici gazların basıncını yükseltmek ve onları yanma odasına beslemektir. Bu fonksiyonlar için enerji yüksek basınçlı gazla ya da santrifüj pompalarla sağlanır. (İkisinin bir bileşimi de kullanılabilir.) Şekil 1. Besleme Tiplerinin Sınıflandırılması BASINÇLI BESLEME (PRESSURE FED) Yakıcı-yakıtı püskürtmek için en basit ve yaygın yöntem, onları yüksek basınçlı bir gazla yer değiştirerek kendi tanklarından çıkartmaktır. Bu gaz yakıt tanklarına kontrollü bir basınçla beslenir ve kontrollü bir itici gaz akışı sağlanır. İtici tanklar motora yakıt ve oksitleyici sağlamak için basınç altında tutularak turbo pompalara olan ihtiyaç ortadan kaldırılır. Diğerlerine göre basit olmalarından dolayı basınçlı besleme sistemleri bulunan roket motorları daha güvenilir olabilir. Fakat itici besleme sisteminin ağırlığı, yüksek basınçlı gazı için kullanılan ekipmanlar nedeniyle artar. Roketin ağırlığı artmış olur. Şekil 2. de gaz basınçlı besleme sisteminin; yüksek basınçlı bir gaz tankı, bir gaz başlatma valfi, bir basınç regülatörü, itici tanklar, itici valfler ve besleme hatları gibi kısımlardan oluştuğu görülmektedir. 1

3 Şekil 2. Regülatörlü Basınçlı Besleme Sistemi Yakıt ya da oksitleyici ile reaksiyona girmeyecek şekilde hafif inert bir gaz kullanmalıdır. Yüksek basınçlı asal gazlar kullanılır. Genellikle Helyum kullanılır. (Nitrojen). Yeterli akışı sağlamak için tank içi basıncın yanma odasındaki basıncı geçmesi gerekmektedir. Sıradan bir çalıştırma yönteminde yakıt ve yakıcı tanklarının basınçlarının artmasını sağlamak için bir basınç regülatörüyle uzaktan çalıştırılır ve yüksek basınçlı gazın tankların içiresine girmesine izin verecek kapakçığın açılmasıyla başlar. Sonrasında da basıncı artmış yakıcı ve yakıt tankının kapağı açılarak yanma odasına akışı sağlanır. Yanma odasında ki basıncın yakıt tanklarındaki basınçtan daha yüksek olduğu durumda yakıt tanlarına basınç dalgalarının ulaşmasını önlemek için valfler kapatılır. 2

4 Şekil 3. Boşaltma Besleme Sistemi Boşaltma besleme sistemlerinde basınçlı gaz ayrı bir tankta tutulmak yerine itici tanklarda yakıcı ve yakıtla beraber bulunur. Tank kendinden basınç uygulayarak yakıcı ve yakıtın yanma odasına püskürtülmesini sağlar. Daha büyük ve daha yüksek basınca dayanıklı yakıt tankları gerektirir. Besleyici gaz yer değiştiren (yanma odasına giden) yakıcı ve yakıt tankı içerisinde genişler ve tank boşaldıkça basınç azalır. Bu durumda yanma boyunca itmenin azalmasına neden olur. Daha önce anlatılan basınç regülatörlü besleme sisteminde sabit bir besleme basınca vardır ve karışım oranının kontrolü vardır. Yanma işlemi sırasında, yanma odasındaki basınç artar ve akış hızının düşmesine neden olur. Bu durum enjektörlerden yakıt enjeksiyonu miktarının düşmesine neden olur, yanma odasındaki basınç tekrardan azalır ve enjektörlerin akış hızının aniden artış yaşanır. Bunun sonucunda lüle dışında yanan daha fazla yakıt enjekte edilmiş olur. Teorik olarak yanma odasında itici kalış süresi karakteristik uzunluk (L * ) ile verilmektedir; (Tam yanmanın gerçekleşmesi için yakıtın yanma odası ve lülede kalacağı minimum uzunluk) L * = (q * V * ts) / A (q, yakıt kütle akış oranı. V ortalama spesifik hacim. ts yakıt kalış süresi. A, sonik boğaz alanı) Dolayısıyla yakıcı-yakıt akış hızı yanma odası ile yakıt deposu arasındaki basınç farkının bir fonksiyonudur. 3

5 KENDİNDEN BASINÇLI ROKET MOTORLARI (SELF PRESSURIZED) Kendinden basınçlı besleme sistemi, gaz basınçlı besleme sisteminin bir türüdür. Genel olarak gaz basınçlı beslemeli roket motorlarında kullanılan yüksek basınçlı gazların sıvılaştırılmış gaz olarak kullanılmasıdır. Bu tip itici besleme sisteminde, sıvılaştırılmış gaz ısıtma ile gaza dönüştürülür ve üretilen bu gaz ile yakıt ve oksitleyici tanklarının basıncı arttırılarak yanma odasına iletimi sağlanır. Sıvılaştırılmış gaz kullanımı ile basınçlandırma kaynağının hacminin daha küçük olması sağlanır, böylece basınçlandırma kaynak tankının ağırlığının azalmasına katkıda bulunur. Örnek olarak, 2010'da başlatılan IKAROS' un HFC-134a gaz-sıvı denge iticileridir. Isıtıcılar tarafından tetiklenen bir yakıt faz geçişi, bu uzay görevinde başarıyla doğrulanmıştır. Kendinden basınçlı yakıt besleme sistemi, sıvı roket motoru için bir faz geçişine usulüne dayalıdır. Sıvı roket motorunda bir rejeneratif soğutma yolu kullanılmalıdır. Şekil 4. Kendinden basınçlı roket motoru sisteminin temel konfigürasyonu Şekil 4 teki sistemde gösterildiği üzere sıvı basınçlandırma kaynağı, rejeneratif soğutma sonrasında sıcak yakıtın ısısı kullanılarak gazlaştırılır. Fakat ısı değiştiricide (heat exchanger- Şekil 5) basınç kaynağı olan sıvının kaynaması nedeniyle ısı alışverişinin verimi düşüktür. 4

6 Şekil 5. Karşı akımlı ısı değiştirici modeli Sorunun üzerinden gelmek için farklı bir ısı alışverişi çevrimi uygulanır. Şekil 6 da gösterilen bu çevrimde basınçlandırma kaynağı bir süper kritik hal (basınç ve sıcaklığın sıvı için kritik noktanın üzerinde olduğu bir durum) vasıtasıyla bir gazdan sıvıya dönüşür. Böylece hal buhar-sıvı denge eğrisinden geçmediği için kaynama gerçekleşmez ve bu ısı alışverişi çevrimi ile ısı değişim verimliliğinin iyileşmesi sağlanır. Şekil 6. Basınçlandırma kaynağının faz geçişleri Anlatılan ısı alışverişini gerçekleştirmek için itici besleme kaynağının basıncını kritik basınç değerinin üzerine çıkarmak gerekir. Bu nedenle Şekil 7 de görüldüğü gibi doldurma cihazı (charger) olarak bilinen bir pistona sahip basınç yükseltici itici besleme sistemine eklenmelidir. Doldurma cihazını kullanmak için gaz kullanmak gerekir. Bu sistemde ısı değiştirici tarafından üretilen gazın bir kısmı süper kritik basıncı korumak için doldurma cihazına verilir. 5

7 Şekil 7. Kendinden basınçlı besleme sistemli uçuş sisteminin konfigürasyonu Şekildeki kapalı halka özelliğini vurgulamak için yakıt besleme sistemine kendinden basınçlı besleme sistemi denir. Sıvı basınçlandırma kaynağının tamamı selenoid valfin üst tarafına beslenir. Selenoid valfin alt tarafı başlangıçta gazla basınç altındadır. Uçuş işlemi sırasında, doldurma cihazındaki (charger) piston, sıvı basınçlandırma kaynağını ısı değiştiriciye beslemek için bir yönde hareket eder. Kapalı döngü tahrik edildiğinde sistemin tamamı basınçlı gaz üretebilir. Sistemdeki bir delik (orifice) basınçlandırma kaynağı için kütle akışını kabaca belirtir ve kütle akışının hassas kontrolü, yakıt / oksidan depolarındaki sabit basıncın korunması için solenoid valfın görev kontrolü ile gerçekleştirilir (basınç geri besleme kontrolü). Bu fonksiyon tipik bir basınç regülatörü ile aynıdır. Bu sistemi sürekli olarak çalıştırmak için, kapalı döngüsel kazanç (K)' yi yönetmek gerekir. K = (1) / (2) + (3) Burada (1) beslenen sıvı basınçlandırma kaynağı, (2) üretilen gaz basınçlandırma kaynağı ve (3) üretilen gaz kendiliğinden basınç kaynağı, Şekil 7'de gösterildiği gibi. 6

8 Sistem durumu aşağıdaki gibi sınıflandırılır: K <1: Basınç azalır. K =1: Denge durumu. K >1: Basınç artar. Sistem, kapalı döngünün sürekli çalışması için K >1 ile tasarlanmalıdır. Gerçek çalışma sırasında bu kazanç, solenoid valfi kullanarak geri besleme kontrolü ile K =1 olarak kontrol edilir. YARARLANILAN KAYNAKLAR Zachary Hein, Den Donahou, Andrew Doornink, Mack Bailey, John Fieler. Fuel and Oxidizer Feed Systems Jun Matsumoto, Shunichi Okaya, Hiroshi Igoh, Junichiro Kawaguchi. Concept of a selfpressurized feed system for liquid rocket engines and its fundamental experiment results Nawale Nilesh Ambadas. T.E (Mechanical). SPACECRAFT PROPULSION. Amrutvahini College of Engineering, Sangamner 7

Benzer belgeler

OTOMOTİV TEKNOLOJİLERİ

OTOMOTİV TEKNOLOJİLERİ Prof. Dr. Atatürk Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makina Mühendisliği Bölümü, Erzurum Otomotivde Isıtma, Havalandırma ve Amaç; - Tüm yolcular için gerekli konforun sağlanması,