Hibrit Roket Motorunun Geliştirilmesi ve Test Edilmesi

Bir hibrit roket motoru momentum korunumu ilkesine göre çalışır. Bir kütle motordan dışarı doğru ivmelendirilir ve tepki olarak motor, yoğunluk ve yön bakımından eşit ancak dışarı atılan kütle hızının tersi yönde bir kuvvete maruz kalır.

Kütle, katı hal yakıtının bu durumda ABS (akrilonitril bütadien stiren)  ve oksitleyicinin karıştığı ve reaksiyona girdiği yanma odası içindeki yanma işlemi yoluyla üretilir. Bu işlem egzoz gazlarının enerji içeriğini artırarak sıcaklığı ve basıncı yükseltir. Entalpi olarak adlandırılan bu enerji, nozul (yakınsak-ıraksak) aracılığıyla kinetik enerjiye dönüştürülür ve gaz süpersonik hızlara kadar hızlandırılır.

Oksitleyici ve yakıt farklı madde durumlarında depolandığında bir roket motoru hibrit olarak adlandırılır. Klasik konfigürasyonda, yakıt yanma odasının içinde yer alan katı bir tanecik iken, oksitleyici, sıvı veya gaz, bir basınç kabında depolanır. Yakıt taneciği, oksitleyicinin içinden aktığı ve yakıtla reaksiyona girerek alevi oluşturduğu, port adı verilen merkezi bir boşluğa sahiptir.

Şekil 1. Yanma odasının yanal bir kesiti

Şekil 2. Oksitleyici tankının yanal kesiti

Silindirik bir porta sahip 3D baskılı bir ABS katı taneciği monte eder ve oksitleyici olarak bifazik (sıvı/gaz) nitröz oksit kullanır. Motor, yaklaşık 5 saniyelik ateşleme için 20 bar’lık bir oda basıncında yaklaşık 1600N itme gücü geliştirir.

• Oksitleyici tank deşarj modelinin doğrulanması
• Yakıt tanesi regresyon modelinin doğrulanması
• Haznenin doğru çalışıp çalışmadığını termal açıdan kontrol edilmesi

Tane regresyonu

Regresyon, yanma sırasında taneyi tüketen olgudur. Portun iç yüzeyi kademeli olarak pirolize olur ve enjekte edilen oksitleyici ile reaksiyona giren gaz halinde bir yakıt akışı oluşturur. Böylece, port geometrisi değişir ve performanslar da değişir. Bu davranışı simüle etmek için kullanılan model yarı ampiriktir: bu nedenle, her motor konfigürasyonunda özel olarak alınan deneysel verilerle desteklenen bir ayarlama aşamasına ihtiyaç duyar.

Tank deşarjı

Azot oksit, iki fazlı hali 37°C’nin altındaki sıcaklıklara ulaştığı için modellenmesi basit değildir. Yanma işlemi sırasında, azot oksitin bir kısmı enjektör aracılığıyla haznenin içine enjekte edilir. Ardından, tank giderek boşalır, basınç kaybeder ve serbest yüzeyin kaynamasına neden olur; bu olay, boşaltılan sıvınınkinden daha düşük bir kaynamış gaz kütle akış hızı üretir. Ayrıca, bu durumda, model güvenilirliğini değerlendirmek için çok sayıda doğru deneysel veri gereklidir.

Hazne termal davranışı

Motor performanslarını tahmin etmek için tamamlanan veri toplamayla birlikte, yapısal bütünlüğünü doğrulamak önemlidir. En kritik alt sistemlerden biri, kuşkusuz, en yüksek termal akıların lokalize olduğu nozuldur. Daha sonra, ekip tarafından uygulanan termal modellerin doğrulanması için bu bölgedeki sıcaklıklar hakkında yeterli miktarda veri sağlanmalıdır. Amaç, motorun doğru çalışmasını engelleyecek termal veya termo-mekanik arızalardan kaçınmak ve bunları öngörmektir.

Sonuç olarak, tam bir yangın testi için gerekli ölçümler şunlardır:

• Yanma odası basıncı
• Enjektör öncesi oksitleyici basıncı
• Oksitleyici tank basıncı
• Motor itme gücü
• Nozul sıcaklıkları

Test kurulumunun ana hatları

Statik yangın testi iki ana aşamadan oluşur:

Yakıt ikmali: bu sırada özel tank bir veya daha fazla ticari şişe kullanılarak oksitleyici ile doldurulur. Sıvı fazın özel tanka doğru akabilmesi için ticari şişenin baş aşağı döndürülmesi gerektiğine dikkat gerekir. Bu işlem sırasında özel tankın ve yakıt doldurulan kütlenin iç basıncı gerçek zamanlı olarak izlenir.

Ateşleme: Motor ateşlenir ve tüm önemli ölçümler gerçekleştirilir.

Bu düzenekte, yanma odası ve tank, iki kayar kılavuz üzerinde dikey olarak hareket edebilen bir test gövdesi üzerine sabitlenmiştir. 3 metre yüksekliğindeki ana test standının yanında ikinci bir dikey yapı bulunmaktadır. Bu ikinci yapı yakıt ikmali için kullanılan ticari şişeyi barındırmaktadır.

Tüm elektronik aksam, yapısal titreşimlerden kaynaklanan hasarı önlemek için test standından bağımsız olarak karşı panele yerleştirilmiştir.

Şekil 3. Statik yangın testi sırasında test düzeneği. Solda test standı ve sağda ticari N2O tank standı.

Veri toplama için iki farklı sistem kullanılmıştır:

• SRAD sistemi: Elektronik ekip tarafından geliştirilen, 12 V ile çalışan, uzaktan kontrol özelliğine sahip bir DAQ sistemi:
• 1 kHz’e kadar akım çıkışlı 2x basınç transdüseri kanalı.
• 1 kHz’e kadar voltaj çıkışlı 2x basınç dönüştürücü kanalı.
• 80 Hz’e kadar 1x tam köprü yük hücresi kanalı.
• 4x K tipi termokupl kanalı.

• Diğer ilginç özellikler şunlardır:
• Kablosuz canlı telemetri 2 Hz’e kadar.
• Micro-SD üzerinde yerel tam frekanslı veri depolama.
• Uzaktan kumandalı servo valfler için 2x kontrol çıkışı. Daha spesifik olarak, iki adet 7.4V servo motor için güç kullanılabilirliği.

Bu sistemin temel amacı, en kritik test aşamalarında uzaktan kontrole izin vererek maksimum personel güvenliği sağlamaktır. Öte yandan, veri toplama performansı Dewesoft SIRIUS‘unkinden önemli ölçüde daha düşüktür. Alınan veriler esas olarak, örneğin ciddi anormallikler durumunda bir testi sonlandırmak için tasarlanan otonom güvenlik algoritmalarını uygulamak için kullanılır.

Bu sistem, yer istasyonuna yerleştirilen ve telemetriyi alıp servo valfleri çalıştırabilen bir kablosuz kontrol kutusu ile tamamlanmaktadır. Ateşleme, yanma odasının içinde bulunan ateşleyiciye birkaç güç kablosuyla elektriksel olarak bağlı bir ateşleme kutusu tarafından çalıştırılır.

Bununla birlikte, kontrol elektroniği, ateşlemeden sorumlu operatör yazılımı etkinleştirene kadar devreyi açık tutar. Sistem ayrıca bir solenoid valf aracılığıyla alevi söndürmek için haznenin içine nitrojen enjekte edebilir. Yedeklilik amacıyla, valf ya elektronik sistem tarafından ya da yer istasyonuna ulaşan kablolu bir elektrik sistemi tarafından açılabilir.

Şekil 4. SRAD edinim sisteminin şeması.

Dewesoft SIRIUSe8x STG+ – 220 V ile çalışan bir veri toplama sistemi:

• USB çıkışı ile 200 kHz’e kadar 8x STG kanalı veya EtherCAT çıkışı kullanılarak 20 kHz.
• Maksimum 10 MHz bant genişliğine sahip 8x CNT kanalı.

Veri toplama sisteminin görevi, roketin performansını değerlendirmek için gerekli verileri toplamaktır. Belirtildiği gibi, işlem sonrası faaliyetler sırasında kullanılan tüm ana parametrelerin ölçümü bu sisteme bırakılmıştır. Sistemin güvenilirliği, alım sıklığı ve ölçüm kalitesi SRAD sisteminden önemli ölçüde daha yüksektir.

Şekil 5. Dewesoft SIRIUSe 8xSTG+ DAQ.

Şekil 6. SRAD edinim sistemi.

Açıklanan sistemlerde uygulanan sensör konfigürasyonu Tablo 1’de raporlanmış ve Şekil 7’de bir P&ID (Boru ve Enstrümantasyon Diyagramı) ile görselleştirilmiştir.

Şekil 7. Roketin test konfigürasyonunun PID’si.

Tablolar 1, 2. Toplama sistemleri ve kullanılan sensörler.

Veri analizi prosedürü tane regresyonuna odaklanmaktadır. Amaç, uygulanan yarı ampirik model için katsayıları elde etmektir: Marxman modeli. G.A. Marxman ve arkadaşları 1960’larda Kaliforniya’daki Birleşik Teknoloji Merkezi’nde (UTC) difüzyon sınırlı teoriyi geliştirmiştir. Geliştirdikleri model, bir hibrit motor içindeki ısı transfer yollarını tanımlamaktadır.

Marxman modeli, regresyon oranı olarak adlandırılan hibrit motor yakıt tanesinin regresyon hızıyla ilgilidir. Bunun sadece porttan geçen birim alan başına oksitleyici kütle akış hızına (kütle akısı) bağlı olduğunu varsayar, Hesaplama aşağıdaki gibidir:

a ve n değerlerini elde etmenin en doğru yolu kütle akışını ve gerileme oranını doğrudan ölçmek olacaktır. Ne yazık ki bu, her ikisi de oldukça pahalı olan optik bir yöntemdir ve bir akış ölçer kullanılmasını gerektirecektir. Ekip, aşağıdaki çözümleri uygulamaya karar verdi:

• NHNE modeli kullanılarak enjektör basıncı yoluyla oksitleyici kütle akısının dolaylı ölçümü.
• Yanma odası kütle dengesinin bir basınç ölçümü ile çözülmesiyle elde edilen regresyon oranının dolaylı ölçümü.

Tank boşaltma modeli

Belirtildiği gibi, oksitleyici, azot oksit veya , özel tankın içinde bifazik bir durumdadır. Bu, ortam sıcaklığında buhar basıncının ortam basıncından çok daha yüksek olduğu anlamına gelir. Daha sonra, kapalı bir ortamda depolanan  kaynar ve buhar fazı tankı buhar basıncında (25 C° C’de yaklaşık 60 bar) basınçlandırır.

En büyük avantajı, oksitleyicinin kendisinin tankı basınçlandırmaktan sorumlu olmasıdır – böyle bir sistem otomatik basınçlandırılmış olarak adlandırılır. Bu özellikten yararlanarak, karmaşık bir turbo pompa sistemine veya harici bir basınçlandırma tankına gerek yoktur. Öte yandan, besleme hattındaki oksitleyici hareketi nedeniyle motor ateşlemesinde minimum statik basınç kaybı, doymuş sıvıdan bifazik duruma geçişi belirler. Bu şekilde, sıvı artık sıkıştırılamaz olarak kabul edilemez.

Bu tür bir davranışı modelleyerek oksitleyici kütle akış hızı m.ox’u değerlendirmek karmaşık ancak uygulanabilirdir. Roketin enjeksiyon plakası boyunca azot oksit deşarjını tahmin etmek için NHNE (Homojen Olmayan Denge Dışı) modeli kullanılmıştır. Temel hipotez, enjektörden geçen kütle akış hızının teorik sıkıştırılabilir akışkan (HEM: Homojen Denge Modeli) ile sıkıştırılamaz akışkan (SPI: Tek Fazlı Sıkıştırılamaz) arasında ağırlıklı bir ortalama olduğudur. Daha sonra, enjektör uygulanmadan önce kabarcık oluşumunu hesaba katan bir katsayı kullanılır.

Türetilen matematiksel model aşağıdaki gibidir:

Tank boşaltma modeli

Belirtildiği gibi, oksitleyici, azot oksit veya , özel tankın içinde bifazik bir durumdadır. Bu, ortam sıcaklığında buhar basıncının ortam basıncından çok daha yüksek olduğu anlamına gelir. Daha sonra, kapalı bir ortamda depolanan  kaynar ve buhar fazı tankı buhar basıncında (25 C° C’de yaklaşık 60 bar) basınçlandırır.

En büyük avantajı, oksitleyicinin kendisinin tankı basınçlandırmaktan sorumlu olmasıdır – böyle bir sistem otomatik basınçlandırılmış olarak adlandırılır. Bu özellikten yararlanarak, karmaşık bir turbo pompa sistemine veya harici bir basınçlandırma tankına gerek yoktur. Öte yandan, besleme hattındaki oksitleyici hareketi nedeniyle motor ateşlemesinde minimum statik basınç kaybı, doymuş sıvıdan bifazik duruma geçişi belirler. Bu şekilde, sıvı artık sıkıştırılamaz olarak kabul edilemez.

Bu tür bir davranışı modelleyerek oksitleyici kütle akış hızı m.ox’u değerlendirmek karmaşık ancak uygulanabilirdir. Roketin enjeksiyon plakası boyunca azot oksit deşarjını tahmin etmek için NHNE (Homojen Olmayan Denge Dışı) modeli kullanılmıştır. Temel hipotez, enjektörden geçen kütle akış hızının teorik sıkıştırılabilir akışkan (HEM: Homojen Denge Modeli) ile sıkıştırılamaz akışkan (SPI: Tek Fazlı Sıkıştırılamaz) arasında ağırlıklı bir ortalama olduğudur. Daha sonra, enjektör uygulanmadan önce kabarcık oluşumunu hesaba katan bir katsayı kullanılır.

Türetilen matematiksel model aşağıdaki gibidir:

Nitrözün doymuş sıvı fazda bulunduğu göz önüne alındığında, basınç, entalpi ve yoğunluk arasında bire bir bağımlılık vardır. Basınç ölçüldüğünde, h ve p NIST’in (Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü) Standart Referans Verileri (SRD) veri tabanından alınmıştır.

Modeli iyileştirmek için, oksitleyici genleşmesi nedeniyle tankın soğuması dikkate alınmış ve tank adiabatic olarak modellenmiştir.

Yanma odası kütle dengesi

Yanma odası içinde bir kontrol hacmi düşünüldüğünde, kütle korunumu ilkesi bu hacimdeki kütle değişiminin giriş kütle akış hızı ile çıkış arasındaki farka eşit olduğunu belirtir. Gelen kütle akış hızı, birim zaman başına enjekte edilen oksitleyici ve tüketilen yakıtın toplamına karşılık gelir.

Böylece, matematiksel model aşağıdaki gibidir:

Yakıt kütle debisi regresyon oranının bir fonksiyonu olarak yazıldığında aşağıdaki bağıntı elde edilir. Çıkış kütle debisini, nozulun belirli bir hazne basıncında tahliye edebileceği debiyle değiştirerek ve egzoz gazlarının hacim ve yoğunluk terimlerini genişleterek:

Bu noktada problem belirlenmiştir. Tahrik ekibi tarafından hazırlanan bir optimizasyon kodu, yerel dengenin örtük diferansiyel denklemini çözer. Ayrıca integral dengesindeki kalıntıyı en aza indiren yanma verimliliğini de bulur. Son olarak, logaritmik regresyon ile Marxman’ın ɑ ve ɳ katsayılarını bulmak için regresyon oranına bir uydurma yapılır.

Veri işleme

SIRIUS sisteminin mükemmel alım kalitesi göz önüne alındığında, analog kanallarda seçilen yüksek örnekleme frekansına rağmen, işlem sonrası işlemlerle uyumlu veri işleme minimuma indirilmiştir.

Ayrıntılı olarak, iş akışı şöyledir:

• Zaman standardizasyonu: iki farklı DAQ sisteminden gelen sinyaller, yazılım aracılığıyla benzersiz bir zaman vektörü üzerinde senkronize edilir.
• Fitting: Ölçülen büyüklükleri entegre etme ve türetme ihtiyacı göz önüne alındığında, giriş verilerini filtrelemek en iyi seçenek değildi. Bunun yerine, bir eğri uydurma uygulanır. Bu şekilde, sinyal üzerindeki gürültü, işlem sonrası sırasında devam eden türetme ve entegrasyon işlemlerinde güçlendirilmez.
• Kesme: sonuçta, verilerin yalnızca ilgili kısmı kaydedilir. Önceki bölümlerde belirtildiği gibi, örnekleme penceresinin seçimi, integral kütle dengesindeki kalıntıları ve dolayısıyla son işlemin sonucunu büyük ölçüde etkiler.

Şekil 8. SFT05 sırasında Takılan ve kesilen sinyal örneği – SFT05 sırasında ön yanma odası basıncı.

Şekil 9. Başarısız Chimæra nozul konfigürasyonu – MPa cinsinden temel gerilmeler.

Şekil 10. Başarısız Chimæra nozul konfigürasyonu – Kritik bölgedeki gerilmeler.

Nozul ve tutucu halkası yeniden tasarlanıp işlenerek sorun çözüldü ve Şekil 11 ve 12’te gösterildiği gibi gerilim yoğunlaşması azaltıldı.

Şekil 11. Nihai Chimæra Nihai Chimæra nozul konfigürasyonu – Kelvin cinsinden sıcaklıklar.

Şekil 12. Nihai Chimæra Nihai Chimæra nozul konfigürasyonu – MPa cinsinden temel gerilmeler.

Son iki test başarılı olmuştu. SIRIUS tarafından elde edilen ve DewesoftX’te ateşleme kaydıyla senkronize edilen yanma odası basıncı, tank basıncı ve nozül sıcaklığını gösteren bir videoyu aşağıda görebilirsiniz.

Son işlemin karmaşıklığı göz önüne alındığında, verileri MATLAB uzantısında dışa aktarmak için DewesoftX’te uygulanan istatistik arayüzünden yararlanmayı tercih etti. MATLAB’da yapılan son işlemin sonuçları Şekil 13-16’de raporlanmıştır.

Şekil 13. Zaman içinde itme – SFT05.

Şekil 14. Zaman içindeki kütle akış hızları – SFT05.

Şekil 15. Marxman modeli ile Marxman modeli ile regresyon oranı uydurma – SFT05.

Şekil 16. Zaman içinde spesifik dürtü – SFT05.

Sonuçlar, elde edilen verilerin kalitesini ve gerçekleştirilen işlem sonrası faaliyetlerin doğruluğunu teyit etmektedir: literatür verileriyle uyumluluk mükemmeldir. Marxman modeli ile var gibi görünen tutarsızlık, amaç için seçilen eğri uydurma yöntemine bağlıdır. En küçük kareler uydurması, literatürle neredeyse mükemmel uyum içinde olan bir eğri üretmektedir. Bununla birlikte, özel uygulama için bazı ilginç eğilimleri daha iyi modellemek üzere daha basit bir logaritmik regresyon seçilmiştir.

Özel DAQ ile karşılaştırma

Dewesoft SIRIUS’un başlıca avantajları şunlardır

• Harici bozulmalara karşı azaltılmış hassasiyet ve yüksek ölçüm doğruluğu.
• Ekibin 2023 beklentisiyle roketle yapısal bağlantı üzerinde çalışmasına olanak tanıyan yüksek bir alım frekansı.
• Son derece sezgisel ve güçlü DewesoftX yazılımı, verilerin gerçek zamanlı olarak izlenmesini, filtrelenmesini ve analiz edilmesini sağlar.
• Yüksek çevre sıcaklıklarında bile sistemin kararlılığı ve sağlamlığı.

Performans açısından açık bir fark olmasına rağmen SIRIUS’un SRAD sistemi ile birlikte kullanılmasının nedenleri şunlardır:

• Ateşleme ve havalandırma için uygulanan servo valfleri uzaktan kontrol etme ihtiyacı.
• Personel için riskleri en aza indirmek için otonom yakıt ikmali deneme olasılığı.

Bu son nokta, bazı güvenlik parametrelerini örnekleyebilen ve aktüatörleri kontrol edebilen benzersiz bir sisteme ihtiyaç duyulmasına yol açmaktadır. Bununla birlikte, bu tür bir sistemin geliştirilmesi ve zaman açısından maliyeti göz ardı edilemez. Bu nedenle SIRIUS, ekibin acil durum yönetimi için SRAD sisteminin geliştirilmesine odaklanmasını sağlayarak tüm kritik verilerin basit ve güvenilir bir şekilde toplanmasına olanak tanımıştır.

Sonuçlar ve gelecekteki gelişmeler

Dört statik yangın testi tamamlandı ve eksiksiz bir son işlem için gereken veriler toplandı. Dewesoft toplama sistemi farklı seviyelerde çalışmayı kolaylaştırdı:

Güvenlik

Yakıt ikmali ve ateşleme sırasında genel güvenlik artırıldı. Tescilli yazılım DewesoftX’in çok yönlülüğü, tehlike durumunda güvenlik prosedürlerini tetiklemek için yanma odası ve tank için aşırı basınç alarmlarının ayarlanmasına izin verdi.

Zaman

Dewesoft DAQ kullanımı, bir testi sonuçlandırmak için gereken çalışma saatlerini makul ölçüde azalttı. Özellikle, hem donanımın hem de yazılımın kurulumunun kolay olması, ölçüm cihazlarının hazırlık süresini yarı yarıya azalttı. Ayrıca, yakıt ikmali aşamasından sorumlu operatörlerin tank basınçlarını grafiksel olarak görselleştirme imkanı, prosedürlerin önemli ölçüde basitleştirilmesini sağladı.

Veri işleme

Yukarıdaki bölümlerde açıklandığı gibi, ilk statik yangın testi sırasında nozülde ciddi bir yapısal arıza meydana gelmiştir. Bu durum, toplanan deneysel sıcaklık verileri ile yapılan sonlu eleman simülasyonları karşılaştırılarak analiz edilmiştir. Bu süreç, ölçüm sisteminin güvenilirliği ve yüksek kalitesi sayesinde mümkün olmuştur.

Ayrıca, verilerin çoklu uzantılarda dışa aktarılmasının kolaylığı, işlem sonrası prosedürleri basitleştirmiştir ve insan hatası olasılığını en aza indirmiştir. Son olarak, çok düşük alım gürültüsü, yanma basıncının ayrıntılı bir frekans içeriği analizini mümkün kılmıştır.

Şekil 17. İlk veri analizi. İlk veri analizi, HRE Mini Statik Yangın Testi.