Design, methodology development and production of composite cryogenic liquid oxygen tank for space applications
Uzay uygulamalarına yönelik kompozit kriyojenik sıvı oksijen tank tasarımı, metodoloji geliştirilmesi ve üretimi
- Tez No: 855296
- Danışmanlar: PROF. DR. İSMAİL MURAT EREKE, DOÇ. DR. MUSTAFA ARİF KARABEYOĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Aeronautical Engineering, Mechanical Engineering, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 191
Özet
Tez çalışması, havacılık mühendisliği alanındaki zorluklara odaklanarak özellikle sonda roket itki sistemleri için kompozit kriyojenik sıvı oksijen basınç tanklarının geliştirilmesine odaklanmaktadır. Bu tankların geliştirilmesinde kullanılan geleneksel kompozit malzemeler yüksek maliyetli olmakla birlikte, tedarik edilmesi birçok regülasyona tabidir. Tez çalışmasında bu tür malzemelerin aksine, uygun fiyatlı alternatiflere odaklanarak maliyet etkin ve sürdürülebilir havacılık uygulamalarına yönelik çalışma gerçekleştirilmiştir. Bu tez, Türkiye'de kriyojenik kompozit tank sistemleri üzerine yapılan ilk çalışmadır. Bu çalışma ile birlikte, birçok altyapı ve laboratuvar sistemi kurulmuş olup, bu sistemlerin yerli olarak araştırılması ve geliştirilmesine yönelik atılan ilk adım olması nedeniyle de önemli bir kilometre taş oluşturmuştur. Tüm bu çalışmalar, Türkiye'nin Ulusal Uzay Programı içinde yapısal ilerlemelerin önünü açacaktır. Kriyojenik sıcaklıklar ve sıvı oksijen (LOX) uyumluluğu, kompozit LOX tankları için iki temel sorunu oluşturmaktadır. Kriyojenik sıcaklıklarda çalışabilecek kompozit basınçlı tank geliştirilmesinde birçok alt konuda çalışma yürütülmesi gereklidir. Bu kapsamda, kriyojenik koşullarda epoksi ve fiber davranışı, gömlek malzemesi ile kompozit malzeme arasındaki termal genleşme katsayısı uyumluluğu ve LOX uyumluluğu, incelenmesi gereken ana konulardır. Birçok malzemenin yüksek sıcaklık ve oda sıcaklığı koşulları için termomekanik özellikleri literatürde bulunabilirken, özellikle kompozit malzemeler için kriyojenik ortamlara ait yeterli test ve bilgi bulunmamaktadır. Sıvı oksijen uyumluluğu açısından, kompozit yapının sıvı oksijenin yanıcı özelliklerini hiçbir şekilde tetiklememesi gereklidir. Kriyojenik yakıt uygulamalarında kütlesel ve performans açısından en etkili oksitleyicilerden biri olan sıvı oksijenin depolanmasında kullanılan tankların kompozit malzeme kullanılarak geliştirilmesi ve bu yolla ağırlık azaltılarak itki performansının arttırılması amaçlanmaktadır. Kriyojenik kompozit tankların geliştirilmesinde malzemelerin makro ve mikro ölçekteki termomekanik davranışlarının anlaşılması büyük önem arz etmektedir. Makro ve mikro seviyede geliştirilecek yüksek performanslı kompozit bileşenleri aynı zamanda uzun vadeli yapısal bütünlük, mikro çatlaklardan kaynaklanan sızıntı ve kompozit malzemelerde oluşabilecek üretim kaynaklı hataları da ele almalıdır. Bu araştırmanın özgün yanı, kompozit sıvı oksijen tankının geliştirilme sürecinin tüm aşamalarını, malzeme inceleme, tasarım, analiz yöntemleri, üretim süreçleri ve kalite kontrolleri dahil olmak üzere ayrıntılı bir şekilde ortaya koymasıdır. Tez, sonda uzay roketlerinde kullanılmak üzere güvenilir bir kompozit oksijen yakıt tankının geliştirilmesine ait aşamaları sunmayı hedeflemiştir. Günümüzde kriyojenik kompozit tankların geliştirilmesi amacı ile birçok çalışma gerçekleştirilmekte, fakat literatürde kapsamlı bir yayın bulunmamaktadır. Bu araştırma, teorik ve deneysel çalışmalar kullanarak kompozit LOX tank kullanmanın avantajlarını ve dezavantajlarını açıkça gösteren bir sonuç elde etmeyi amaçlamaktadır. Ayrıca, dünya genelinde nadir bir yeteneğin ülkeye kazandırılması amaçlanmıştır. Çalışmada çeşitli epoksi reçinelerin termal ve mekanik özellikleri, kriyojenik koşullardaki performansları ve sıvı oksijen ile uyumlulukları incelenmiştir. Buna ek olarak, laminat bazlı kırılma tokluğu testleri oda ve kriyojenik sıcaklık koşullarında gerçekleştirilmiştir. Çalışma içerisinde gömlekli (Tip-II) ve gömleksiz (Tip-V) olmak üzere iki tip tank yapısı incelenmiştir. Literatür yardımıyla geliştirilen, mikro ve makro ölçekleri birbirine bağlayarak fiber ve matris bileşenleri üzerindeki gerçek gerilmeleri hesaplamayı sağlayan yöntem sayesinde kompozit yapı hasar durumu detaylı şekilde incelenmiştir. İlk aşamada epoksi reçinelerin özellikleri detaylı bir şekilde incelenmiş, bu reçinelerin kriyojenik koşullardaki mekanik performansı ve sıvı oksijen ile uyumlulukları değerlendirilmiştir. Yerel üreticilerle işbirliği yaparak yerli formülasyonlar geliştirilmesi amaçlanmış, havacılık malzemelerinde millileşmeyi ve kendi kendine yeterliliğin desteklenmesi hedeflenmiştir. Test sonuçlarının değerlendirilmesi sonucunda, Huntsman 1564-3474 epoksi sistemi kriyojenik ortamda mekanik olarak potansiyel bir performans göstermekle birlikte bu reçine sisteminin LOX uyumluluğuna da sahip olduğu gözlenmiştir. Ancak, bu reçine sistemi ile üretilen Tip-V tank sistemi sıvı azot dolum testi sonrası tamamıyla hasar aldığından bu reçine sisteminin kriyojenik ortamlar için uygun olmadığı anlaşılmıştır. Ek olarak reçine sistemlerinin kriyojenik ortam performansı değerlendirilirken fiber/matris etkileşiminin de göz önüne alınarak değerlendirilme yapılması gerektiği anlaşılmıştır. Çalışma, epoksi moleküler yapısını ve kriyojenik davranış üzerindeki etkisini araştırarak, literatürün yardımıyla malzemelerin aşırı düşük sıcaklıklardaki performansına dair içgörüler sunmuştur. Filaman sarım yöntemi ile üretilmiş kompozit laminat kırılma tokluğu testleri, oda sıcaklığı ve kriyojenik ortam altındaki mod-II hasar tiplerine dair içgörüler sunmuş, hasarı tahmin etmek ve önlemek için kritik bilgiler sağlamıştır. Fraktografik analizler, oda sıcaklığı ve kriyojenik koşullar altındaki hasar modu farklılıklarını ortaya koymuştur. Özellikle, vakum infüzyon ve toklaştırılmış reçine sistemleri oda sıcaklığı ve kriyojenik ortamlarda benzer mod-II kırılma tokluğu değerleri sergilerken, soğuk kürlenebilen reçine sistemi davranışı kriyojenik sıcaklıklarda ciddi düşüş göstermiştir. Bunun yanında çalışma, ıslak filament sarma yönteminin üretim kalitesine olan olumsuz etkilerini değerlendirmiştir. Bu bulgular, kriyojenik ortam performansı için bileşen etkileşimleri ve üretimle ilgili konuların göz önüne alınmasının önemini vurgulamıştır. Çalışma sürecinde kompozit yapılardaki bileşenlerin üzerindeki gerçek gerilme değerlerinin öngörülmesi adına literatür yardımı ile mikro stress hesaplama aracı geliştirilmiştir. Bu yöntemde kompozit yapı içerisindeki fiber ve matris bileşenleri temsili birim hücre elemanı kullanılarak modellenmekte ve periyodik sınır koşulları yardımıyla tüm laminat içerisindeki bileşen davranışı simüle edilebilmektedir. Bu sayede makro ölçekte ortotropik malzeme olarak modellenen kompozit tabaka üzerindeki gerilme değerleri ve mikro ölçekteki gerilme değerleri arasında bağlantı kurulabilmektedir. Hesaplama aracı geliştirilirken Python yazılım dili, MATLAB, Abaqus ve ANSYS yazılımları kullanılmıştır. Ayrıca, hesaplama aracına parametrizasyon kabiliyeti de eklenerek malzeme özelliklerinin sıcaklığa bağlı değişiminin mikro ölçekteki gerilme değerleri üzerine etkisi değerlendirilmiştir. Bu sayede kriyojenik koşullar altında gerekli malzeme özelliklerinin kolay ve hızlı bir şekilde belirlenmesine yönelik öngörü sağlanabilmektedir. Ek olarak epoksi testlerinde kullanılan reçine sistemleri de bu hesaplama aracı yardımı ile değerlendirilmiştir. Von Mises stresi dikkate alındığında Epotek 301-2 ve 301-2FL sıcaklığa bağlı elastisite modülü ve termal genleşme katsayısı özelinde kriyojenik sıcaklıklar için potansiyel sistemler olarak öne çıkmıştır. Yine T7110 sistemi de matris üzerindeki maksimum stresi en aza indirme konusunda öne çıkmakla birlikte oda sıcaklığı koşullarında basınçlı tanklar için yeterli dayanımı sağlayamamaktadır. Ticari epoksi sistemleri ve kriyojenik yeterliliği kanıtlanmış IM7-977-3 sistemi karşılaştırılarak, kriyojenik performanslar değerlendirilmiştir. Numune ve prototip seviyelerinde test kapasitelerinin kurulması, düşük maliyetli kriyojenik tank teknolojisinin gelecekteki ilerlemelerine öncülük eden önemli bir kilometre taşı oluşturmuştur. Çalışmanın katkılarından biri de, farklı tank geometrilerinin ve farklı epoksi malzemelerinin mikro gerilmeler üzerindeki etkilerini değerlendirerek, bileşen etkisinin ortaya çıkarılmasıdır. Ayrıca, araştırma belirli tank sistemlerinin sınırlamalarını ortaya koyarak, kriyojenik uygulamalar için malzeme seçimi ve tasarım parametrelerinin önemini vurgulamaktadır. Tip-II ve Tip-V tank tasarımı, üretimi ve test çalışmaları gerçekleştirilmiş ve tasarım değerlendirmeleri gerçekleştirilmiştir. Testler sonucunda, Tip-II tank sistemlerinin kriyojenik sıcaklıklarda gömlek ve kompozit malzeme arasındaki yüksek termal genleşme farkından dolayı kriyojenik uygulamalar için uygun olmadığı belirlendi. Kriyojenik koşullarda metal ve kompozit kabuk, yüksek termal genleşme farklarından kaynaklanan delaminasyon hasarı ile karşılaştı. Daha sonrasında, düşük maliyetli bir kriyojenik Tip-V tankın geliştirilmesi amacı ile, sıvılaştırılabilir bir parafin mandrel ve ıslak filament sarma yöntemi kullanıldı. Çalışmalar sonunda, 30 bar hidrostatik basınç seviyesine kadar herhangi bir sızıntı yaşamadan dayanabilen başarılı bir prototip Tip-V basınç tank üretildi. Ancak, aynı tankın sıvı azot dolum testi sonrasında kompozit yapının tamamen çatladığı ve sızdırmazlık kabiliyetinin kaybolduğu gözlemlendi. Tez süreci boyunca her bir alt problem üzerinde çalışma gerçekleştirilmesi amaçlanmasına rağmen önerilen çalışmanın büyüklüğü bazı kısıtlamalara yol açmıştır. Aşağıda verilen önerilerle bu çalışma daha da genişletilebilir: Bileşen bazlı ve bileşen etkileşimi bazlı mekanik ve termal testler, malzemelerin sıcaklığa bağlı performanslarını daha iyi değerlendirmek adına genişletilmelidir. Her bir kompozit bileşenine ait termal ve mekanik özellikler sıcaklığa bağlı olarak belirlenmelidir. Üretim tekniği ıslak filaman yöntemindeki belirsizlik ve üretim hatalarından kaçınmak adına, prepreg malzemeler ile ya da otomatik fiber yerleştirme makinaları yardımı ile yapılabilir. Kriyojenik ortamlarda mikro çatlak oluşumunu ve ilerlemesini belirlemek için hasarsız ölçüm teknikleri araştırılabilir ve geliştirilebilir. Sonuç olarak, tez, yeni malzemeleri, üretim tekniklerini ve analitik yöntemleri keşfederek kriyojenik sıvı oksijen tanklarının gelişimine önemli katkılarda bulunmaktadır. Bulgular, kriyojenik kompozit tank teknolojisinin sınırlarını genişletmekle kalmayıp, aynı zamanda maliyet etkin ve sürdürülebilir havacılık uygulamaları için yeni olanakların kapısını aralamaktadır. Çalışmanın sonuçlarının, bu kritik alanda gelecekteki ilerlemeler için sağlam bir temel oluşturması amaçlanmıştır.
Özet (Çeviri)
The thesis focuses on the development of composite cryogenic liquid oxygen (LOX) tanks for sounding rocket propulsion systems, addressing challenges in aerospace engineering. Traditional composite materials used in these tanks are expensive and subject to various regulations in their supply chain. This thesis explores cost-effective alternatives, emphasizing affordable and sustainable aviation applications. This is the first study conducted in Turkey on cryogenic composite tank systems. Through this study, numerous infrastructures and laboratory systems were established, marking the first step towards indigenous development of these systems for research and development. All of these efforts will pave the way for structural advancements within Turkey's National Space Program. Cryogenic temperatures and LOX compatibility are the primary challenges for composite LOX tanks. To ensure the tank's operation in a cryogenic environment, various aspects need to be studied, including epoxy and fiber behavior in cryogenic conditions, thermal expansion coefficient compatibility between liner material and composite material, and LOX compatibility. Although properties of many materials under high and room temperatures are available in the literature, there is a lack of sufficient testing and information for cryogenic environments, especially for composite materials. For LOX compatibility, it's crucial that the composite structure doesn't trigger the combustive properties of liquid oxygen. The success in developing these innovative tanks relies on designing new materials specifically tailored to meet macro and micro-scale thermomechanical requirements. These materials must address long-term structural integrity, leakage due to microcracks, and contamination concerns in composite materials. The original contribution of this research is the detailed presentation of the entire process of developing a composite liquid oxygen fuel tank, including material screening, design, analysis methods, manufacturing processes, and quality controls. The thesis aims to deliver all phases of the reliable composite oxygen fuel tank development for use in sounding rockets. Although significant work on cryogenic composite tanks is currently underway, there is no consistent and comprehensive publication. This research aims to obtain conclusive results using numerical and experimental studies, demonstrating the advantages and disadvantages of using composite LOX tanks. The study focuses on the thermal and mechanical properties of different epoxy resins under cryogenic conditions and their compatibility with liquid oxygen. It also examines the fracture toughness of laminate-based testing under both room and cryogenic temperatures. Two types of tank structures were tested: tanks with a metal liner (Type-II) and linerless tanks (Type-V). A method that links micro and macro scales was developed to calculate real stresses on fiber and matrix components, providing insights into the composite structure's damage state. At the beginning of the study, the properties of epoxy resins were thoroughly examined to evaluate their mechanical performance and compatibility with liquid oxygen in cryogenic conditions. Collaboration with local manufacturers aimed to develop domestic formulations, promoting nationalization in aviation materials and supporting self-sufficiency. The study revealed that the Huntsman 1564-3474 epoxy system showed potential mechanical performance in a cryogenic environment and demonstrated compatibility with LOX. However, a Type-V tank system produced with this resin system suffered complete damage after a liquid nitrogen filling test, indicating its unsuitability for cryogenic environments. Fracture toughness tests on composite laminates produced by filament winding provided insights into mode-II damage types under room and cryogenic conditions, predicting and preventing critical information on damage. Fractographic analysis revealed differences in damage modes under room and cryogenic conditions. In particular, vacuum infusion and toughened resin systems exhibited similar mode-II fracture toughness values at room and cryogenic temperatures, while the behavior of the cold-curing resin system showed a significant decrease in cryogenic temperatures. Additionally, the study evaluated the negative effects of the wet filament winding method on production quality. These findings emphasized the importance of considering component interactions and production-related issues for cryogenic environment performance. During the study, a micro stress calculation tool was developed through literature assistance to predict actual stress values on components in composite structures. In this method, fiber and matrix components within the composite structure are modeled using a representative unit cell element, simulating the behavior of all components throughout the laminate with the help of periodic boundary conditions. This enables a connection between stress values on the composite layer modeled as an orthotropic material at the macro scale and stress values at the micro level. Python programming language, MATLAB, Abaqus, and ANSYS softwares were used to develop the calculation tool. The tool's added parameterization capability allowed evaluating the effect of temperature-dependent changes in material properties on micro-scale stress values. This provides foresight for determining the necessary material properties under cryogenic conditions. Additionally, the epoxy systems used in the tests were evaluated using this calculation tool. Considering Von Mises stress, Epotek 301-2 and 301-2FL emerged as a potential systems for cryogenic temperatures based on its temperature-dependent elastic modulus and thermal expansion coefficient. Similarly, the T7110 system stood out in minimizing maximum stress on the matrix but could not provide sufficient strength for pressurized tanks under room temperature conditions. Commercial epoxy systems and the proven cryogenic performance of the IM7-977-3 system were compared, evaluating their cryogenic performances. One of the main contributions of this study is revealing the effects of various tank geometries and epoxy materials on micro stresses, highlighting the emergence of constituent effects. Furthermore, the research emphasizes the importance of material selection and design parameters for cryogenic applications by revealing the limitations of specific tank systems. Design, production, and testing studies were carried out for Type-II and Type-V tank systems, and design evaluations were performed. It was determined that Type-II tank systems are unsuitable for cryogenic applications due to high thermal expansion differences between the metal liner and composite material in cryogenic temperatures. Under cryogenic conditions, the metal and composite shell experienced high delamination forces due to high thermal expansion differences. For the development of a low-cost cryogenic Type-V tank, innovative methods such as a liquefiable paraffin mandrel and wet filament winding were utilized. At the end of the studies, a successful prototype Type-V pressure tank was produced, capable of withstanding pressures up to 30 bars without any leaks. However, after a liquid nitrogen filling test, the same tank was observed to crack completely, losing its non-permeability. Throughout the thesis process, the aim was to work on each sub-problem, but due to the scale of the proposed study, some limitations were encountered. There are some recommendations to further expand the study, which include: Mechanical and thermal tests based on component and component interaction should be expanded to better assess material performance at different temperatures. The thermal and mechanical properties of each composite component should be determined as a function of temperature. Manufacturing using the wet filament winding method introduces uncertainties for composite materials. The production of such space systems is generally accomplished with prepreg materials and automated fiber placement systems. NDT measurement techniques for determining microcrack evolution on composite laminates could be researched and developed under cryogenic environments. Determining fiber/matrix interaction under cryogenic conditions is crucial for developing composite cryogenic pressure vessels. In conclusion, this thesis makes significant contributions to the development of cryogenic liquid oxygen tanks by exploring new materials, manufacturing techniques, and analytical methods. The findings not only extend the boundaries of cryogenic composite tank technology but also open doors to new possibilities for cost-effective and sustainable aviation applications. The results of the study are intended to provide a solid foundation for future advancements in this critical field.
Benzer Tezler
- Kelebek vana tasarımında yapısal optimizasyon ve alternatif malzeme kullanımının değerlendirilmesi
Structural optimization and evaluation of alternative material usage in butterfly valve design
METİN KARAASLAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA BAKKAL
- Nanomaterials in macromolecular synthesis
Makromoleküler yapıların sentezinde nanomalzemelerin kullanımı
AZRA KOCAARSLAN AHMETALİ
Doktora
İngilizce
2021
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YUSUF YAĞCI
- Lignoselülozik biyokütleden ön arıtımla kombine biyoetanol ve metan üretim proseslerinin geliştirilmesi
Development of Bioethanol and Methane Production Processes Combined with Pretreatment from Lignocellulosic Biomass
ELÇİN KÖKDEMİR ÜNŞAR
Doktora
Türkçe
2019
Çevre MühendisliğiAkdeniz ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NURİYE ALTINAY PERENDECİ
- Capacity analysis in Turkey for carbon fiber production considering offshore wind turbines demand forecast
Açık deniz rüzgar türbinleri talep tahminine göre Türkiye'de karbon elyaf üretimi için kapasite analizi
SEZGİN KARABACAK
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİşletme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜR BERSAM SİDAL
- Alkali hidrojen peroksit (AHP) ön arıtma prosesinin dallı darıdan etanol ve biyogaz üretim verimine etkisinin incelenmesi
Investigation of the impacts of alkali hydrogen peroxide (AHP) pre-treatment process on ethanol and biogas production efficiency from switchgrass
ÖZGE ÇOBAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Çevre MühendisliğiAkdeniz ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NURİYE ALTINAY PERENDECİ