Inholland Üniversitesi’nden AQUILO roket takımı öğrencileri, uygulamalı havacılık ve uzay yeniliklerine öncülük ediyor. Gelişmiş araştırma roketlerini tasarlayıp test ediyorlar. İtki ölçüm doğruluğunu artırmak amacıyla, ekip hem çekme hem de basma durumlarında S-tipi yük hücrelerinin performansını inceliyor. Dewesoft’un SIRIUS DAQ ve yazılımını test düzeneklerine entegre eden ekip kuvvet ölçüm verilerini gerçek zamanlı olarak yakalayıp karşılaştırdı.
Şekil 1: Fırlatma rampasında atışa hazırlanan roket.
Roket mühendisliği alanında motor tasarımını test etmek tartışmasız en temel görevlerden biridir. Fırlatma günü riskli görünmeyebilir ancak motor testi hala kritik öneme sahiptir. Gerçek itki değerlerinin teorik tahminlerle karşılaştırılması, roket motorunun güvenilir ve düzgün şekilde inşa edildiğinden emin olmaya yardımcı olur. Bunun için en önemli ölçüm araçlarından biri ise çekme ve basma yük hücresidir.
Yük hücresi, ya da daha spesifik olarak S-tipi yük hücresi, bir jet motoru test standında kullanım için tasarlanmıştır. Şu anda ekip, dikey yerine yatay bir versiyon geliştirmektedir. Yatay bir kurulum, doğru ölçümler açısından dikey kurulumlara kıyasla çeşitli avantajlar sunmaktadır.
Yük hücresine çekme kuvveti uygulamanın, baskı kuvveti kullanmaktan daha etkili olup olmadığını araştırmak faydalı olabilir. Çekme yüklemesi, geleneksel olarak mühendisler tarafından tercih edilen bir yöntemdir. Bu düşünce, S-tipi yük hücresinin geometrik şeklinin, baskı yerine çekme ölçümlerinde daha doğru sonuçlar elde etmeyi sağlayabileceği fikrinden kaynaklanmaktadır.
S-Tip Yük Hücresi Üzerinde Deney
Kuvvet sensörünü (kuvvet dönüştürücü) kapsamlı bir şekilde değerlendirmek için ilk aşama olarak kontrollü koşullar altında bir S-tip yük hücresinin test edilmesine odaklanılıyor. Amaç hem çekme hem de basma yüklemesi altında performansını karşılaştırmak ve özellikle ölçüm doğruluğu ile tekrarlanabilirliğine odaklanmak.
Şekil 2: S-tip yük hücresi.
Bu test, yatay test standını itki kuvvetlerini basma yerine çekme kuvvetlerine dönüştürecek şekilde tasarlamanın faydalı olup olmadığını değerlendirmeyi sağlayacak. Elde edilecek sonuçlar, çekme kuvveti mi yoksa basma kuvveti mi uygulamanın daha güvenilir veri sağladığı konusunda değerli bilgiler sunacak. Bu bilgi, gelecekte yatay test standı konfigürasyonlarına entegrasyon için kritik bir faktör olarak dikkate alınacaktır.
Test Kurulumu
S-tip yük hücresinin hem çekme (gerilim yük hücresi) hem de itme (basma yük hücresi) yönlerinde uygulanan kuvvetler altındaki performansını değerlendirmek için test kurulumu tasarlandı.
Kuvvet kontrollü bir şekilde hem 200 kg hem de 1000 kg kapasiteli yük hücresine uygulandı ve doğruluk ile tutarlılık açısından farkları değerlendirmek için yük hücresi okumaları kaydedildi.
Yük hücresi Dewesoft SIRIUSie-8xUNI+ DAQ sistemine bağlandı ve DewesoftX yazılımı ile veri toplandı. Test sırasında veri toplamanın net ve güvenilir olması için özel bir test düzeni oluşturuldu.
Şekil 3: Dikey test standı ateşleme sırasında görünümü.
Kullanılan Donanım ve Yazılım
Tam test kurulumu aşağıdaki bileşenlerden oluşuyordu:
- Dewesoft tarafından sağlanan SIRIUSie-8xUNI+ veri toplama sistemi (Gerilim sensörleri, gerinim ölçerler, IEPE ivmeölçerler ve diğerleri gibi sekiz adede kadar evrensel sinyal girişini ölçebilir).
- DewesoftX veri toplama ve sinyal işleme yazılımı, özel Aquilo statik ateşleme (static fire) düzeni ile.
- 200 kg kapasiteli S-type yük hücresi.
- 1000 kg kapasiteli S-type yük hücresi.
Veri toplama işlemi her iki yükleme koşulunda da gerçekleştirildi ve testin güvenilirliğini sağlamak için sonuçlar işlendi.
Yük hücresinin yatay test standına entegrasyonu için uygunluğunu doğrulamak amacıyla, özellikle çekme (tension) ve basma (compression) koşullarında elde edilen çıkış değerlerinin karşılaştırmalı analizine özen gösterildi.
Bu karşılaştırma, testin sonuçlandırılması açısından kritik öneme sahiptir; özellikle S-tip geometrisinin mekanik özellikleri dikkate alındığında, çekme mi yoksa basma yüklemesinin mi daha doğru ve stabil olduğu konusunda karar vermeyi sağlar.
Şekil 4: Test düzeneği şeması.
Şekil 5: Test düzeneği.
Şekil 6: Test planı şeması.
Test Sonuçları
Belirlenen bir deneme süresinin ardından çekme ve basma gerilmeleri uygulandı. Burada ilgi duyulan değer, tepe (peak) değeridir.
Testler sırasında fark edildi ki, bu çalışmada yalnızca 200 kg kapasiteli yük hücresi küçük yükleri algılayacak kadar hassastır. Bu nedenle, bundan sonra yalnızca 200 kg yük hücresinden elde edilen sonuçlar sunulacak ve son olarak referans olması açısından kısa bir karşılaştırma 1000 kg yük hücresi ile yapılacaktır.
Şekil 7: 200kg yük hücresinde basma gerilimi.
Şekil 8: 200kg yük hücresinde çekme gerilimi.
Bu bilgi, farklı kuvvetlerin yönünün grafiksel bir temsilinden başka çok bir şey söylemiyor. Yine de bunu dahil etmek faydalıdır çünkü yük hücresinin doğru şekilde ayarlandığını, yani kuvvetin yönünü doğrular.
Çeşitli yük durumları arasındaki farkları incelendiğinde özellikle tepe yük (peak load) farkına odaklanmak istenir çünkü aranan değer budur. Tipik olarak mühendisler, görevine göre roket motorunu en yüksek yük durumu için tasarlarlar. Bu nedenle grafiğe yakınlaşıp karşılaştırma için en yüksek değer seçilmiştir. Çekme (tension) değeri 0.09482 [N], basma (compression) değeri ise 0.21339 [N]’dir.
Şekil 9: Maksimum çekme kuvveti (200 kg yük hücresi).
Şekil 10: Maksimum basma kuvveti (200 kg yük hücresi).
Bu farkı doğrulamak için 1000 kg yük hücresini incelenecektir. Burada çekme kuvveti 0.02821 [N] ve basma kuvveti 0.04271 [N] olarak ölçülmüştür.
Şekil 11: Maksimum çekme kuvveti (1000 kg yük hücresi).
Şekil 12: Maksimum basma kuvveti (1000 kg yük hücresi).
Low-Pass Filtre Kullanımı
Deney boyunca, osiloskopun kanal ayarlarında sinyal görüntüleme ayarının genel ayar üzerinde herhangi bir etkisi olup olmadığı da incelendi. Bu ayar, değerlendirilmesi açısından kritik öneme sahipti. Uygun bir low-pass filtre kullanılmadığında, elektriksel sinyal büyük ölçüde bozulabilir ve sonuçlar güvenilir olmayabilir. Bu durumu önlemek ve daha kararlı bir sinyal elde ederek daha güvenilir veriler sağlamak amacıyla 40 kHz’lik bir low-pass filtre uygulandı.
Test sonuçlarını karşılaştırdıktan sonra, bunun sonuçlar üzerinde çok az etkisi olduğu görüldü. Bu nedenle, ana testler filtre kullanmadan gerçekleştirildi. Yine de farklı low-pass filtreler arasındaki farkları gözlemlemek bilgilendirici oldu ve gelecekteki deneylerde faydalı olabilir.
Şekil 13: Low-pass filtre olmadan ölçüm.
Şekil 14: 40kHz Low-pass filtre ile ölçüm.
Sonuç ve Öneri
S-tip yük hücresinde çekme ve basma kuvvetleri arasında bir performans farkı vardır. Bu deneyde, 200 kg kapasiteli S-tip yük hücresi yaklaşık %76,94 oranında basma yönü lehine bir fark göstermiştir. 1000 kg kapasiteli S-tip yük hücresi de aynı etkiyi göstermiştir, ancak daha düşük düzeyde olup basma yönünde %40,93’lük bir avantaj sağlamıştır.
Bu bulgular, uygulanan mekanik kuvvetin yönü ve yük hücresinin nominal kapasitesine bağlı olarak performansın önemli ölçüde değişebileceğini göstermektedir. Bu değişim, yük hücrelerinin çeşitli test standı konfigürasyonlarında kullanımını değerlendirmek açısından önemli sonuçlar doğurmaktadır.
Yatay test standı tasarlanırken veya yük hücrelerini bir test sistemine entegre ederken dikkate alınan temel faktörlerden biri şuydu: “Belirli bir yük hücresi modeli ve nominal kapasitesi için çekme mi yoksa basma mı daha doğru ve güvenilir ölçümler sağlar?”
Bu eğilimin, sertlik veya nominal kapasite arttıkça devam edip etmediğini belirlemek için farklı kapasitelerde ek yük hücreleriyle ileri testlerin yapılması önerilmektedir. Böyle bir test, roket motoru testleri veya benzeri özel uygulamalar için itki ölçüm sistemleri tasarlanırken daha bilinçli kararlar alınmasına yardımcı olacaktır.
S-tipi yük hücresinin geometrik şekli, çekme ve basma kuvvetlerine verilen yanıt farkının tek nedeni olmayabilir. Bunun yerine, yük hücresinin maksimum kapasitesine göre malzemenin sertliği bu yanıtı etkileyebilir.
Örneğin, 1000 kg kapasiteli S-tipi yük hücresi, 200 kg modeline kıyasla çekme ve basma kuvvetlerine farklı tepki verir. Test standı tasarlarken bu varyasyonu dikkatle göz önünde bulundurmak gerekir.
Bu bulgulara daha fazla güven ve doğruluk kazandırmak için ileri araştırmalar yapılması şiddetle tavsiye edilmektedir. Bu araştırma, 200 kg ve 1000 kg modelleri arasındaki, daha düşük veya daha yüksek kapasiteli yük hücrelerinin de test edilmesini içermelidir. Amaç, gözlemlenen eğilimin — %76,94’ten %40,93’e düşüşün — diğer kapasitelerde de devam edip etmediğini belirlemektir.