Geri Dön

Development of novel green monopropellant thrusters

Yenilikçi tek bileşenli itki motorlarının geliştirilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 941215
  2. Yazar: UĞUR KOKAL
  3. Danışmanlar: PROF. DR. İBRAHİM ÖZKOL, DOÇ. DR. MUSTAFA ARİF KARABEYOĞLU
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Bilim ve Teknoloji, Mühendislik Bilimleri, Science and Technology, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 159

Özet

Uzay manevralarında kullanılan itki sistemleri, soğuk gaz iticileri, tek bileşenli iticiler ve çift bileşenli iticiler olarak üç gruba ayrılabilir. Tek bileşenli iticiler, basitlikleri, güvenilirlikleri ve hassas itki sağlayabilme özellikleri nedeniyle uzay itki sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Tek bileşenli iticiler, genellikle katalizörler yardımıyla bozunabilen bir yakıt kullanır. Son birkaç on yılda, hidrazin (N2H4) gibi hipergolik ve depolanabilir itici maddeler uzay uygulamalarında en yaygın kullanılan yakıtlar olmuştur. Ancak, bu kimyasalların yüksek toksisite seviyeleri nedeniyle çevresel ve operasyonel güvenlik endişeleri giderek artmaktadır. Bu nedenle, hidrojen peroksit (yüksek saflıkta hidrojen peroksit, HTP), geleneksel depolanabilir sıvı yakıtlar olan hidrazin ve azot tetroksit (N2O4) gibi kimyasallara kıyasla daha düşük toksisiteye sahip olması sebebiyle yeşil uzay itki sistemleri için umut verici bir aday olarak öne çıkmaktadır. HTP, hidrazine kıyasla daha düşük özgül darbeye sahip olmasına karşın yüksek yoğunluğu sayesinde hidrazine eşdeğer toplam darbe yoğunluğuna sahiptir. Bu özelliği sayesinde özellikle hacmin kısıtlı olduğu küçük uydularda kullanıma elverişlidir. Hidrojen peroksit bir katalizör ile tepkimeye girdiğinde ayrışarak su buharı, oksijen gazı ve ısı açığa çıkarmaktadır. Açığa çıkan yüksek sıcaklıktaki gaz bir lüle ile hızlandırılarak itki elde edilmektedir. Bu çalışma, HTP kullanılan tek bileşenli iticilerin performansını ve güvenilirliğini optimize etmeyi amaçlamaktadır. Bu doğrultuda, katalizör yatağının kararlılığı, verimliliği ve uzun ömürlü olması, hem sürekli çalışma modunda hem de darbe modu operasyonlarında detaylı olarak incelenmiştir. Çalışma kapsamında, 10 N ve 1 N itki seviyelerine sahip bir dizi itici prototipi geliştirilmiştir. Ayrıca, yakıt tankı, valfler ve sensörler içeren bir tek bileşenli yakıt test düzeneği kurulmuştur. Kullanılan HTP yakıt, ticari olarak elde edilen düşük konsantrasyondaki hidrojen peroksitten vakum distilasyon yöntemi ile konsantrasyonun arttırılmasıyla elde edilmektedir. Çalışmanın ilk aşamasında, çeşitli kimyasal ve mekanik özelliklere sahip katalizörler karakterize edilmiş ve katalizör yatağı boyunca oluşan basınç kaybı, katalizörün zamanla bozulmasını değerlendirmek için bir gösterge olarak kullanılmıştır. Kullanılan katalistler gözenekli alümina destek yapısının üzerine aktif katalist malzeme olarak MnOx kaplanmasıyla elde edilmektedir. Katalizörlerin yüksek gözenekli yapısı reaksiyon hızını arttırarak HTP yakıtın yüksek verimle ayrışmasını sağlamaktadır. Test edilen katalistler arasında farklı kalsinasyon sıcaklıklarına ve selüloz içeriklerine sahip katalistler bulunmaktadır. Bu katalistler ile yapılan testler sonucunda farklı katalistlerin farklı sürelerde hasar birikimi yaparak basınç kaybı yaşadıkları görülmüştür. Test edilen katalistler arasından en uzun süre sabit basınç kaybını yaşamadan performans gösteren katalist 900 °C kalsinasyon sıcaklığına ve %15 selüloz içeriğine sahip olan katalizör olmuştur. Yüksek kalsinasyon sıcaklığı uzun süre boyunca yüksek sıcaklıktaki motor operasyonuna kırılmadan ve tozlaşmadan dayanabilmesini sağlamıştır. Uygun katalizör seçiminin ardından, motor tasarım parametreleri incelenmiştir. Bu tasarım parametreleri arasında katalizör yatağının paketlenmesi, katalizör boyutu, yatak yükü ve HTP konsantrasyonu gibi temel operasyonel ve tasarım parametreleri, sabit çalışma performansı üzerindeki etkileri açısından incelenmiştir. Katalizör yatağının paketlenmesi motor performansı üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Paketleme sırasında katalistler motor içerisine yerleştirilmekte ve belirli bir miktarda ön yüklemeye maruz bırakılmaktadırlar. Bu ön yükleme katalizörlerin motor içerisinde istenen konumda kalmasını sağlamaktadır. Bu sayede yakıt akışı sırasında katalizörlerin motor içerisindeki hareketi engellenerek akışın stabil devam etmesi sağlanmaktadır. Aynı zamanda uygulanan bu ön yükleme katalist parçacıklarının birbirlerine temas yüzeylerini arttırarak katalizör yatak içerisindeki gözenekliliği azaltmaktadır. Bu durum motor içerisinde bir basınç kaybı yaratmaktadır. Testler sırasında düşük ve yüksek basınç kaybı durumları incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar, katalizör yatağı boyunca 1–1,5 bar arasında bir basınç düşüşünün optimal kararlılık ve dayanıklılık sağladığını göstermektedir. Daha düşük basınç kaybı değerlerinde katalist üzerindeki ön yükleme fazla azaldığı için katalizörlerin hareketi yeterince kısıtlanamayarak akışta stabilite problemlerinin görülmesine neden olmaktadir. Yüksek basınç kaybı değerleri ise katalistte fazla ön yükleme yapıldığı anlamına gelmekte ve katalizörlerin formunun bozulmaya başladığını göstermektedir. Bu durum uzun süreli ateşlemelerde basınç değerinde ani değişimlere neden olarak performans kaybı yaratmaktadır. Optimal basınç kaybı değerinde ise uzun süreli stabil ateşlemeler elde edilebilmiştir. Paketleme sürecine benzer şekilde, katalizör peletlerinin boyutu ve paketleme yoğunluğunun, katalizör yatağının mekanik bütünlüğüne etkileri araştırılmıştır. Küçük peletlerin daha yoğun paketlenmeye ve başlangıçtaki basınç kaybının azalmasına olanak sağladığı ancak mekanik hasar ve kanallanma riskini artırabileceği belirlenmiştir. Yatak yükü, yakıtın kütlesel debisinin katalizör yatağının kesit alanına oranı olarak tanımlanır ve yakıtın tam olarak ayrışmasını sağlamak ve itici verimliliğini korumak açısından kritik bir faktördür. Çalışmada farklı yatak yükü değerleri değerlendirilerek, ayrışma verimliliğini maksimize eden ve ısı kaybını en aza indiren optimal yük belirlenmiştir. Ayrıca, katalizör yatağının ön ısıtılmasının ve HTP yakıt konsantrasyonunun değiştirilmesinin iticinin yanıt süresine ve termal yönetimine etkileri araştırılmıştır. Optimizasyon sürecinin ardından, toplam 6 kg HTP'nin kullanıldığı ve ardışık altı ateşleme içeren bir ömür testi gerçekleştirilerek performans değişiklikleri zaman içinde izlenmiştir. Ayrıca, iticinin değişken basınç koşulu altındaki karakteristikleri incelenmiş ve görev ömrünün sonuna yaklaşıldıkça sistem performansındaki değişiklikler değerlendirilmiştir. Elde edilen deneysel sonuçlar, HTP iticilerin, özellikle uzun süreli operasyonlar gerektiren uzay görevleri ve istasyon koruma manevraları için güvenilir bir seçenek olduğunu kanıtlamaktadır. Tek bileşenli iticilerin önemli bir özelliği de darbe modu çalışmasıdır. Darbe modu, özellikle uydu yönelim kontrol manevralarında kritik bir rol oynamaktadır. Bu çalışmada, darbe modu karakteristiklerini analiz etmek amacıyla, farklı görev senaryolarında 0.25 Hz ile 2 Hz arasında değişen frekanslarda ve çeşitli görev döngülerinde tekrarlayan kısa süreli ateşleme testleri gerçekleştirilmiştir. Bu testler sırasında, tepki süresi, tepe itki, tepe basınç, toplam darbe ve ortalama itki gibi parametreler ölçülmüştür. En küçük darbe değeri olarak 0.16 Ns elde edilmiştir. Çalışmanın bir sonraki aşamasında, iticilerin sayısal modellenmesi gerçekleştirilmiştir. Katalizör yatağı içerisindeki akışı modellemek için tek boyutlu, adyabatik, reaksiyonlu ve gözenekli ortam akış analizi uygulanmıştır. Bu modelde, katalizör yatağının gözenekliliği ve katalizörün aktivasyon enerjisi gibi önemli parametreler dikkate alınmıştır. Modelde, katalizör yatağında gerçekleşen iki fazlı reaksiyon akışı analiz edilmiştir. Model girdileri, propellant tankı basıncı, sıcaklığı ve katalizör yatağının fiziksel özellikleri gibi test parametreleri olmuştur. Modelden elde edilen çıktılar arasında itki kuvveti, özgül itki (Isp), yanma verimliliği, bozunma oranı ve katalizör yatağındaki basınç değişimleri bulunmaktadır. Bu sayısal model, katalizör yatağındaki sıcaklık ve basınç dağılımını hesaplamanın yanı sıra, kütlesel akış oranını, itki kuvvetini ve özgül itkiyi belirlemiştir. Katalizör peletlerinin sinterleşme ve mekanik bozulma süreçleri nedeniyle gözenekli ortam akış hesaplamalarına, paketleme katsayısı adı verilen bir katsayı eklenerek daha gerçekçi bir gözenekli ortam temsili sağlanmıştır. Bu katsayı, katalizör yatak sıkışmasının derecesini temsil ederek katalizör yatağındaki akış özelliklerini daha iyi modellemeye yardımcı olmuştur. Sayısal model, ömür testi sonuçları kullanılarak doğrulanmıştır. Doğrulama sürecinde, aktivasyon enerjisi zamana bağlı ikinci dereceden bir polinom fonksiyonu olarak modellenirken, gözeneklilik zamanla doğrusal olarak azalan bir değişken olarak ele alınmıştır. Ayrıca, aktivasyon enerjisi ve gözenekliliğin değişim fonksiyonlarına ait sabitleri belirlemek için bir optimizasyon rutini uygulanmıştır. Elde edilen model, ardışık altı itici testinden elde edilen verilerle yüksek korelasyon göstermiştir. Ek olarak, model tarafından hesaplanan katalizör yatağındaki sıcaklık dağılımı, deneysel termokupl ölçümleriyle yüksek tutarlılık göstermiştir. Çalışmanın son aşamasında, hidrojen peroksitin tank içerisindeki depolanabilirliği göz önünde bulundurularak bir itki sistemi tasarlanmıştır. Bu kapsamda, itki sisteminde kullanılan çeşitli malzemelerin hidrojen peroksit ile uyumluluğu araştırılmıştır. Yüksek sıcaklıklarda yapılan deneylerde, sıcaklık artışının hidrojen peroksit bozunma reaksiyonunu hızlandırdığı ve deney süresini kısalttığı belirlenmiştir. Test edilen alüminyum alaşımının hidrojen peroksit ile yüksek uyumluluk gösterdiği tespit edilmiştir. Tank içindeki hidrojen peroksitin uzun vadeli bozunmasını belirlemek amacıyla, çeşitli tank malzemeleri için malzeme uyumluluk deneyleri gerçekleştirilmiştir. Malzeme uyumluluk testlerinden elde edilen aktif oksijen kaybı yüzdesi (%AOL) verileri kullanılarak, hidrojen peroksitin tank içinde uzun süreli bozunma sürecini, oksijen gazı üretimi nedeniyle oluşan basınç artışını ve HTP konsantrasyonundaki azalmayı incelemek için bir bozunma modeli geliştirilmiştir. Örnek bir uzay görevi senaryosu oluşturularak, bir alçak dünya yörüngesindeki (LEO) bir uydunun istasyon koruma manevralarını içeren bir görev modeli hazırlanmıştır. Bu model ile, hidrojen peroksit bazlı itki sisteminin uzun vadeli performansı incelenmiştir. En önemli bulgulardan biri, hidrojen peroksitin uzun süreli basınç karakteristiğinin, kendi kendine basınçlandırma özelliği gösteren azot protoksit (N₂O) gibi propellantlara benzer olmasıdır. Bu özellik, tank basıncının nominal basınç seviyesi etrafında dalgalanmasına ve böylece görev süresi boyunca kütlesel akış oranları ve itki seviyelerinin korunmasına olanak sağlamaktadır. Toplam 6000 Ns ile 18000 Ns arasındaki toplam impuls değerleri için itki sistemi özelliklerini araştırmak amacıyla bir duyarlılık analizi gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar, tank sıcaklıklarının 15 °C'nin üzerinde olması durumunda uzun süreli görevlerde olumsuz etkiler oluşabileceğini göstermiştir. Ek olarak, duyarlılık testleri, bu çalışmada geliştirilen 1 N itki seviyesine sahip prototiplerin 18000 Ns'ye kadar olan toplam impuls değerlerini sürdürebileceğini ortaya koymuştur. Ancak, daha büyük uydu kütleleri ve daha yüksek toplam impuls değerleri, daha büyük katalizör yataklarına sahip ve daha yüksek itki seviyelerine sahip iticilerin kullanılmasını gerektirmektedir. Bu çalışma, hidrojen peroksitin uzay itki sistemlerinde güvenilir bir yeşil yakıt alternatifi olarak öne çıktığını göstermektedir. Hidrojen peroksitin yüksek yoğunluğu ve katalizör yardımıyla kolayca bozunabilmesi, uzay itki sistemlerinde daha yaygın kullanılmasının önünü açmaktadır. Hidrojen peroksit bazlı tek bileşenli iticilerin değerlendirilmesi ve optimizasyonu, geniş bir yelpazeye sahip uzay uygulamalarında kullanılabilecek itki sistemlerinin geliştirilmesine katkıda bulunmaktadır. Ayrıca, hidrojen peroksit bazlı iticilerin nitelikli hale getirilmesine yönelik yapılan çalışmalar, geleneksel propellantlar olan hidrazin gibi kimyasallara kıyasla geliştirme, depolama ve test maliyetlerini azaltmaktadır. Bu durum, hidrojen peroksit bazlı itki sistemlerinin yeşil uzay itki sistemleri olarak daha geniş çapta benimsenmesini sağlamaktadır. Elde edilen bulgular, hidrojen peroksitin güçlü ve sürdürülebilir itki sistemleri geliştirilmesine önemli katkılar sunduğunu ve geniş operasyonel koşullar altında kararlı performans sağlayan bir yakıt alternatifi olduğunu göstermektedir.

Özet (Çeviri)

Space propulsion systems that are used for spacecraft maneuvers can be grouped into cold gas, monopropellant, and bipropellant thrusters. Monopropellant thrusters are widely used in space propulsion due to simplicity, reliability, and precision capabilities. Monopropellant thrusters commonly use a propellant that can be decomposed using catalysts. In the last few decades, hypergolic storable propellants such as hydrazine (N2H4) have been the most used propellants in space applications, however, due to their highly toxic nature, concerns about environmental and operational safety are increasing. Hydrogen peroxide (High Test Peroxide, HTP) has emerged as a promising candidate for green space propulsion applications due to its lower toxicity compared to conventional liquid propellants such as hydrazine and nitrogen tetroxide (N2O4). This study aims to optimize the performance and reliability of HTP monopropellant thrusters, focusing on catalyst bed stability, efficiency, and durability during both extended steady-state and pulse mode operations. To this end, a comprehensive thruster development process was undertaken. A series of thruster prototypes, including 10 N and 1 N thrust levels, were developed. Additionally, a monopropellant test bench, including a propellant tank, valves, and sensors, was assembled. The first phase of the study included catalyst characterization tests. During these tests, catalysts with various chemical and mechanical properties were analyzed using the pressure loss across the catalyst bed as an indicator of catalyst deterioration. Following the selection of the suitable catalyst, key operational and design parameters, including catalyst bed packing, pellet size, bed load, and HTP concentration, were investigated for their impact on steady-state performance. Results indicate that an optimal pressure drop of 1–1.5 bar across the catalyst bed provides optimal stability and durability. To evaluate transient characteristics, the effects of bed load, HTP concentration, and pre-heating temperature on thruster response times were investigated. Following the optimization process, a lifetime test consisting of six consecutive firings with an HTP throughput of 6 kg was conducted to monitor performance variations over time. Additionally, the blowdown characteristics of the thruster were analyzed to assess performance under end-of-life conditions. The experiments in this study demonstrate that HTP monopropellant thrusters are viable candidates for reliable space missions, particularly for long-duration operations such as station-keeping maneuvers. A key aspect of monopropellant thrusters is the pulse mode operation, since pulse mode is crucial for attitude control maneuvers. To analyze pulse mode characteristics, repeated short burn tests at frequencies between 0.25 Hz and 2 Hz at various duty cycles were conducted. During these tests, pulse mode characteristics, including settling time, peak thrust, peak pressure, impulse bit, and mean thrust, were measured. A smallest impulse bit of 0.16 Ns was achieved. The next phase of the study was the numerical modeling of the thrusters. A one-dimensional, adiabatic, reacting, porous media flow analysis was conducted to model the flow within the catalyst bed. The model included key aspects of the catalyst bed, such as porosity and activation energy of the catalyst. The model was validated both experimentally and using a benchmark study from the literature. To investigate the variation of catalyst parameters during the operational lifetime of the thruster, the long-duration lifetime tests of the thruster were analyzed using the numerical model. According to the results, the porosity decreased linearly over time, while activation energy increased quadratically as a function of time and propellant throughput, due to the accumulation of chemical and mechanical damage within the catalyst bed. The temperature and pressure distributions obtained from the model showed high consistency with the experimental data. The final phase of the study was designing a propulsion system, considering the storability of hydrogen peroxide within the tank. A material compatibility investigation was conducted by exposing various materials used in the propulsion system to hydrogen peroxide at elevated temperatures, as higher temperatures accelerate the decomposition reaction and shorten the required experiment duration. Results showed that the tested aluminum alloy exhibited good compatibility with the propellant. The decomposition rates obtained from the tests for each material were used for the numerical modeling of the decomposition reaction, which determined the pressure and concentration variations over a space mission. The model was further improved by incorporating the accumulation of deterioration within the catalyst bed, such as the reduction in porosity and the increase in activation energy. A significant result of the propulsion system model was the semi-self-pressurizing characteristic of hydrogen peroxide in long-duration missions. This characteristic helps maintain the thrust level over the course of a mission. A sensitivity analysis was performed to analyze the pressure, thrust, and Isp variations for different mission profiles. Hydrogen peroxide has emerged as a promising green propellant for space propulsion applications. Its high density and ease of decomposition using a catalyst pave the way for its wider adoption in space propulsion systems. The evaluation and optimization of hydrogen peroxide-based monopropellant thrusters in this study contribute to the development of propulsion systems capable of being used in a wide range of space applications.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    421358

    Aluminyum için korozyon inhibitorü olarak kullanılan bazı proton pump inhibitörlerinni kuantum kimyasal olarak incelenmesi

    Quantum chemical studies of some proton pump inhibitors as corrosion inhibitors for aluminum

    EMRE TOPAL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    KimyaBursa Teknik Üniversitesi

    İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ENDER GÖKHAN GECE

  2. Tez No

    476269

    Fabrication of nanocomposite membranes and their applications in oily wastewater treatment

    Nanokompozit membran üretimi ve yağ içeren atıksuların arıtımında uygulanması

    SEDA SAKİ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Çevre MühendisliğiAbdullah Gül Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. NİĞMET UZAL

  3. Tez No

    879782

    Development of novel biopolyamide compounds as a green and sustainable alternative to petroleum derived polymers and their applications in medical field

    Petrolden elde edilen polimerlere yeşil ve sürdürülebilir bir alternatif olarak özgün biyopoliamit bileşiklerinin geliştirilmesi ve tıbbi alanda uygulamaları

    ŞEBNEM GÜLEL

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATOŞ YÜKSEL GÜVENİLİR

  4. Tez No

    405202

    Development of novel functional foods from Turkish kabuli type chickpeas

    Kabuli türü Türk nohutlarından yenilikçi fonksiyonel gıdalar geliştirilmesi

    DAMLA ÖYKÜ ŞAHİN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Gıda Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü

    Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AHMET YEMENİCİOĞLU

  5. Tez No

    332999

    Development of novel biocatalysts for industrial applications

    Endüstriyel uygulamalar için yeni biyokatalizörlerin geliştirilmesi

    BARIŞ BİNAY

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    Biyomühendislikİstanbul Teknik Üniversitesi

    İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. NEVİN GÜL KARAGÜLER

    PROF. NICHOLAS JAMES TURNER

Geri Dön