Performance enhancing additives for hybrid rockets
Hibrit roketler için performans arttırıcı katkı malzemeleri
- Tez No: 835154
- Danışmanlar: PROF. DR. İBRAHİM OZKOL, DOÇ. DR. MUSTAFA ARİF KARABEYOĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Uçak Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 101
Özet
Bu çalışmada kapsayıcı olacak şekilde, parafin-bazlı hibrit rocket yakıtlarına eklenebilecek katkı malzemelerinin incelemesi yapılmış ve elde edilen bu yeni yakıtlar ile hibrit roket motoru ateşleme testleri yapılmıştır. Hibrit roketlerin, sıvı ve katı yakıtlı roketlere göre hem üstünlükleri hem de zayıflıkları bulunmaktadır. Hibrit roketlerin en önemli özelliklerinden biri karakteristik olarak çok güvenli olmalarıdır. Ayrıca, yüksek enerji seviyesine sahip sıvı oksitleyiciler kullanabildiklerinden dolayı, katı yakıtlı roketlerden yüksek, sıvı yakıtlı roketlere yakın Isp performansına sahiptirler. Hibrit roket yakıtları genellikle katı fazda olduğundan dolayı yakıtın içerisine katkı malzemelerinin eklenmesi mümkün olmaktadır. Bu katkı malzemeleri, katı yakıt hazırlanırken üretim sürecine dahil edilerek kolaylık ile eklenebilmektedir. Bu çalışmada da bu yöntem ile hibrit roketlerin performansının arttırılması hedeflenmektedir. Referans hibrit roket yakıtı olarak parafin-bazlı yakıt kullanılmıştır. Bunun nedeni parafin-bazlı yakıtların, hibrit roket motorlarının yanma hızını, geleneksel polimerik yakıtlara göre 3-5 kat arası arttırmasıdır. Oksitleyici olarak ise gaz/sıvı oksijen ve sıvı azot protoksit kullanılmıştır. Bu iki oksitleyici de çok rahatlıkla temin edilebilen ve testler sırasında kolay kullanılabilen malzemelerdir. Gaz/sıvı oksijen daha yüksek bir enerji seviyesine sahipken, azot protoksit özellikle depolama gerektiren durumlarda kullanılan bir oksitleyicidir. Hibrit roket yakıt katkısı olarak kullanılabilecek malzemeler çok geniştir. Plastikten tahtaya, metallerden metal hidrürlere ve organik malzemelere kadar geniş bir katkı malzemesi seçeneği bulunmaktadır. Biz çalışmamızda aluminyum, magnezyum, lityum aluminyum hidrür, amonyum boran ve bor malzemelerine odaklandık. Bu malzemelerin hibrit roket motorunda kullanılması ile elde edilecek teorik ve deneysel performansları incelenmiştir. Teorik hibrit roket motor hesapları NASA'nın geliştirdiği Chemical Equilibrium with Applications (CEA) programı ve kendi geliştirdiğimiz hibrit roket motor performans hesap programı ile yapılmıştır. CEA programı bize roket yakıt ve oksitleyici karışımının c* ve CF gibi önemli katsayılarını vermektedir. Bu değerler kullanılarak roketin iç basıncı, yanma verimi ve itki değeri hesaplanabilmektedir. Daha önce bahsettiğimiz hibrit roket yakıtı katkı malzemelerinin teorik olarak vereceği performans etkisi, bu programlar ile hesaplanmıştır. Teorik hesaplar göstermiştir ki, gaz/sıvı oksijen kullanan bir roket motorunun Isp performansı lityum aluminyum hidrür ve amonyum boran kullanıldığında arttmaktadır. Azot protoksit kullanan hibrit roket motorunun Isp performası ise MgB2 ve AlB12 katkılarının dışında diğer katkı malzemeleri ile artmaktadır. Teorik hesaplamalardan elde edilen ön bilgilerden sonra deneysel çalışmaya geçilmiştir. Öncelikle azot protoksit oksitleyici kullanan 3.1 cm dış çapında yakıtı olan bir hibrit roket motoru ile testler yapılmıştır. Bu testler ile yakıt yanma hızı, Isp değeri, motor iç basıncı ve nozül erozyon hızı elde edilmiştir. Testler sırasında referans parafin-bazlı yakıtlar“spin-cast”dediğimiz, parafin sıvı haldeyken döndürme yöntemi ile hazırlanmıştır. Katkı malzemeleri ise parafin sıvı halde iken eklenmiş ve kat kat olacak şekilde silindirik bir kaba dökülerek hazırlanmıştır. Motor montajı yapılmadan önce bu yakıtlar istenilen ölçülere göre tornada işletilmiştir. Azot protoksit testlerinde görülmüştür ki katkı malzemeleri ile elde edilen en önemli performans artışı nozül erozyon hızının kayda değer miktarda azalmasıdır. Yakıt yanma hızında kayda değer bir artış gözlenmemiştir. Isp performansı aluminyum ve lityum aluminyum hidrür ile artmaktadır, fakat bu artışı daha iyi anlamak için test sayısının arttırılması gerekmektedir. Sonuç olarak azot protoksit testlerinde görülmüştür ki en önemli etki nozül erozyon hızında olmuştur. Bu karakteristiğin daha iyi anlaşılması için de daha büyük çapta, daha uzun süre yanma sürelerine sahip bir hibrit roket test sistemi hazırlanmıştır. Bu test sistemi oksitleyici olarak gaz oksijen kullanmakta ve 6.5 cm dış çapında yakıtı olan bir roket motoru bulundurmaktadır. Yanma süresinin arttırılması ve oksitleyici olarak gaz oksijen kullanılmasından dolayı nozül erozyonu artmış ve farklı yakıtların etkileri daha doğru bir şekilde ölçülmüştür. Bu testler için hazırlanan test sistemi DeltaV Uzay Teknolojileri A.Ş.'nin yardımı ile kurulmuştur. Oksitleyici olarak kullanılan gaz oksijen bir basınçlı tanktan motorun içerisine akmaktadır. Bu basınçlı tank içerisinde 200 bar civarında olan gaz oksijen, bir basınç regülatörü ile 50 – 60 bar basıncında motora gönderilmektedir. Basınç regülatörü ile motor arasında bir adet ana akış vanası, 2 adet basınç sensörü, 1 adet sıcaklı sensörü, akış kütle debisi ölçümü için orifis ve geri akış önleme vanası bulunmaktadır. Gaz oksijen kütle debisi basınç sensörleri ve orifis yardımı ile, boğulmuş akış (choked flow) hesapları ile bulunmaktadır. Orifiste boğulmuş akış gözlemlendiği ve tanktan gelen basınç sabit bir şekilde verildiğinden, test boyunca oksitleyici kütle debisi sabittir. Test sırasında önemli bir değer olan motor iç basıncı da motorun ön yanma odasına yerleştirilen basınç sensörü ile ölçülmektedir. Motor iç basınç değeri yanma verimi, itki hesabı ve nozül erozyon hesaplarında kullanılan önemli bir değerdir. Tezde de bahsedildiği gibi motor iç basıncı incelenerek nozül erozyonunun nerede başladığı ile ilgili de bilgi edinilebilmektedir. Son olarak ise motor itkisi bir yük hücresi ile ölçülmektedir. Hibrit roket motoru yakıt katkılarının temini için de bir çalışma yapılmıştır. Bu katkılardan en kolay, ucuz ve hızlıca elde edilebileni aluminyum tozu olmuştur. Yurtiçinde birden çok farklı firma bu tozu temin edebilmekte ve farklı boyut ve şekillerde aluminyum tozu verebilmektedir. Biz bu çalışma için 3 μm boyutunda, küresel şekilde olan aluminyum tozu kullandık. Magnezyum tozunu gerekli evraklar hazırlanarak yurtiçinden alımı sağlanabilmektedir. Magnezyum tozu patlayıcı yapımında da kullanılabildiği için özel izin ile alabilmekteyiz. Lityum aluminyum hidrür yurtdışından, Merck firmasından alınmıştır. Bir önceki diğer iki malzemeye göre fiyatı çok daha yüksektir, gramı 2.5 – 3$ arasındadır. Bu yüzden ufak miktarlarda alınabilmiştir ve test sayısı düşüktür. Katkı malzemeleri arasında en zor ve pahalı şekilde elde edilebileni amonyum borandır (NBH6). Bu malzeme öncelikle yurtdışından elde edinilmek istenmiş, fakat fiyat olarak çok yüksek meblağlar istenildiğinden dolayı yurtiçi temin seçenekleri araştırılmıştır. 3 üniversite ve 1 özel sektör olacak şekilde, farklı yerler ile görüşülmüştür. Son olarak“Koç Üniversitesi Bor Tabanlı Malzemeler ve İleri Teknoloji Kimyasallar Uygulama ve Araştırma Merkezi”ile görüşülerek az miktarda amonyum boran temini yapılmıştır. Amonyum boranın gram maliyeti 5 – 6 $ arasında olmuştur. Lityum aluminyum hidrürde olduğu gibi maliyet dolayısı ile amonyum boran ile de az miktarda test gerçekleştirilebilmiştir. Hibrit roket motoru yakıt katkılarının temininden sonra ise bu malzemeleri parafin-bazlı yakıta eklemek ile de ilgili önemli çalışmalar yapılmıştır. Daha önce belirttiğimiz gibi katkı maddeleri parafin yakıt sıvı halde iken karıştırılarak eklenilmiş ve kat kat olacak şekilde döküm yapılmıştır. Metal tozlu katkı maddeleri, aluminyum gibi, bir sorunla karşılaşılmadan rahatlıkla hazırlanmıştır. Metal hidrür katkı maddeleri ise döküm sırasında sıvı yakıtın sıcaklığı nedeni ile hidrojen salınımı yapabilmektedir. Hidrojen salınımını önlemek için metal hidrür katkı maddeleri sıvı yakıt eklenirken, sıcaklık 90 C0 altında tutulmuştur. Ayrıca, lityum aluminyum hidrür içeren yakıtlar, ateşleme zamanına kadar kapalı bir kapta, nemden uzak olacak şekilde saklanmıştır. Roket motoru testleri yapılırken toplamda 3 adet basınç, 1 adet sıcaklık ve itki için yük hücresi dataları alınmıştır. Test öncesi ve sonrasında kullanılan yakıtların hem kütleleri hem de iç çap, dış çap ve uzunluk değerleri alınmıştır. Nozül erozyon hızı hesabı için de test öncesi ve sonrasında nozül boğaz çapı ölçülmüştür. Roket motoru testinin ateşleyicisi olarak 4 g civarında bir pirojenik yakıt kullanılmıştır. Öncelikle bu pirojen nikrom tel yardımı ile ateşenmiş, 3 saniye sonra ise ana oksitleyici vanası açılarak motor ateşlemesi gerçekleştirilmiştir. Test sonrası alınan datalar ile sistem analizi yapılarak yakıt yanma hızı, motor verimi, Isp, itki ve nozül erozyon hızları hesaplanmıştır. Gaz oksijen test sonuçları incelendiğinde aluminyum katkısı ile nozül erozyon hızının %45 civarında azaldığı ve nozül erozyon başlangıç zamanının da 1 ile 3 saniye arasında ertelendiği görülmüştür. Ayrıca, aluminyum katkısı daha büyük roket yakıtlarında da rahatlıkla kullanılabilecek şekilde yüksek yoğunluklu bir yüzük şeklinde ana yakıta eklenmiştir. Bu yeni yakıt katkısı ekleme yöntemi yakıt döküm sürecini hem kolaylaştırmış hem de hızlandırmıştır. Yüzük yakıt şeklinde eklenen bu yüksek yoğunluklu aluminyum yakıtın, ana yakıta göre bir miktar daha yavaş yandığı görülmüştür. Motor iç basınç grafiklerine bakıldığında, bu yöntemin motor yanma stabilitesine kötü yönde bir etkisinin olmadığı görülmüştür. Toplayacak olursak, hibrit roket yakıtına eklenen performansı arttırıcı katkı maddelerinin en önemli faydası nozül erozyon hızını kayda değer miktarda azaltmasıdır. Özellikle, uzun operasyon süresi olan üst kademe hibrit roket motorları için nozül erozyonunun azaltılması çok önemlidir. Aluminyum tozunun kolay ve ucuz elde edilebilen bir katkı malzeme olmasından dolayı da hibrit roket sistemlerinde bu metodun kullanılmasının çekici olacağını düşünüyoruz. Ayrıca, bu tez çalışması sırasında geliştirilmiş olan yüksek katkı malzemesi yoğunluklu yüzük yakıt metodu da büyük hibrit roket sistemleri için süreci çok kolay hale getirmektedir. Bu çalışmada ortaya çıkartılan teknolojinin hibrit roket sistemleri için çok önemli bir değer olduğunu görmekte ve ileride daha büyük roket motorlarında kullanılacağını düşünmekteyiz.
Özet (Çeviri)
A comprehensive assessment of fuel additives for a paraffin-based hybrid rocket fuel and hybrid rocket test firings are presented in this thesis. The reason for the selection of paraffin wax fuel binder is discussed as well as the expected performance gain by the addition of energetic materials to the fuel. Al, Mg, LiAlH4 and NBH6 are selected by assessing the thermochemical calculation results and material availability. An experimental study with liquid nitrous oxide oxidizer is concluded which showed Al and LiAlH4 are promising materials for future studies. They increase the c* which in turn increase delivered Isp and decrease the nozzle erosion rate. Also, ammonium borane, which is a promising material because of the rich hydrogen content, is studied, but because of the problems in its procurement detailed tests are postponed in a future study. If the availability and cost problems are solved, ammonium borane is the best choice for theoretical Isp performance. However, it needs to be tested in real operating conditions to better understand its characteristics. First chapter of the thesis shows that there are improvements of the hybrid rocket regression rate, Isp and combustion efficiency with the energetic material addition. However, the most noteworthy improvement is the nozzle erosion rate reduction. Therefore, it is decided to study this characteristic in more detail. Due to its relatively low cost and wide availability, carbon graphite is one of the most widely used ablative nozzle material in hybrid rocket propulsion. The erosion characteristics of this material has paramount importance, since it directly influences the Isp performance. This is especially the case for upper stage or in-space rocket motors operating with very long burn times. In this study the effect of aluminum added fuel on the graphite nozzle erosion is studied. In the experimental studies, a high regression rate paraffin-based fuel is loaded with micron size aluminum powder for nozzle erosion reduction. In our approach, aluminum is added at high concentrations as a fuel ring in front of the main paraffin-based fuel which contains no aluminum. Based on the motor tests conducted with gaseous oxygen as an oxidizer, it is shown that aluminum addition decreased the nozzle erosion rate up to 45% and increased the nozzle erosion onset time by 1 to 3 seconds. The new method of introducing an energetic powder in a fuel ring positioned at the fore end of the motor offers an easy and scalable way of reducing the nozzle erosion and improving the Isp performance of the rocket motor. As pointed out using Al as additive for hybrid rocket motors, substantially reduce the nozzle erosion rate which increase the Isp performance. It is widely available, cost effective and easy to use material. The novel addition of the Al material as a high concentrated ring to the hybrid rocket fuel, makes this method highly scalable for larger rocket motors. In future, ammonium borane additive could be studied, but its cost and availabilty is a problem to be solved.
Benzer Tezler
- Grafen tabanlı nanodolgular ile güçlendirilmiş yeni nesil termoplastik kompozitlerin geliştirilmesi
Development of new generation thermoplastic composites reinforced by graphene based nanofillers
ELÇİN ÇAKAL SARAÇ
Doktora
Türkçe
2019
Kimya Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi-CerrahpaşaKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL AYDIN
DR. ÖĞR. ÜYESİ BURCU SANER OKAN
- Deformation behavior of thin walled structures filled with auxetic and non-auxetic core materials
Ökzetik ve ökzetik olmayan dolgu malzemeli ince cidarlı yapıların deformasyon davranışı
FATİH USTA
Doktora
İngilizce
2021
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALİT SÜLEYMAN TÜRKMEN
PROF. DR. FABRIZIO SCARPA
- Karbon yönetimi ölçütlerinin lojistik performans endeksine entegrasyonu
Integration of carbon management criteria into the logistics performance index
SELİM GÖRKEM YILDIZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiEndüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ŞEYDA SERDAR ASAN
- Otomotiv uygulamalarına yönelik hibrit kaolin ve talk dolgusunun poliamid 66 kompozitlerinin özelliklerine etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of hybrid kaoline and talc filler on the properties of polyamide 66 composites for automotive applications
MEHMET CAN GÜLER
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Polimer Bilim ve TeknolojisiKocaeli ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA ÖZGÜR BORA
- Mastik asfalt karışımının başarım özelliklerinin yaşlandırmaya bağlı olarak değerlendirilmesi
Evaluation of performance characteristics of mastic asphalt mixture based on aging
NECATİ HAKAN AKALIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Ulaşımİstanbul Okan Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SELİM DÜNDAR
DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA SİNAN YARDIM