Füze sistemlerinde kullanılan atılabilir lüle tutucu parçasının topoloji optimizasyonu ile tasarımının iyileştirilmesi
Design improvement of a disposable nozzle holder part used in missile systems through topology optimization
Yazar: HALİL İBRAHİM KOÇLUK
Danışman: PROF. DR. ERDEM ACAR
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Havacılık sektöründeki en önemli kısıtlamalardan birisi de düşük kütleli tasarımdır. Bu durum füze/roket sistemleri için de oldukça dikkat edilen bir husustur. Füze/roket sistemleri günümüz savunma sektöründe kullanılan en etkili silah sistemleridir. Özellikle uzun menzilli füze sistemleri ülkeler için önemli birer güç çarpanıdır. Füzeler/roketler itki sistemlerine göre katı yakıtlı, sıvı yakıtlı, hibrit, ramjet, scramjet şeklinde sınıflandırılabilir. Bu çalışmanın da konusu olan ramjet jet motoru, karşıdan gelen havayı sıkıştırmak için hava kanallarına sahip bir tür hava soluyan jet motorudur. Bu çalışmada, ramjet füze sisteminde kullanılan atılabilir lüle tutucu parçasının topoloji optimizasyonu ile kütle azaltılması amaçlanmıştır. Lüle sistemi, yanma odasında oluşan yüksek sıcaklık ve basınçtaki gazların dışarıya atıldığı açıklıktır. Bu sayede itki oluşur. 
Literatürde sabit lüle tasarımları üzerine oldukça fazla miktarda çalışma mevcuttur, fakat atılabilir lüle tasarımı konusunda yapılan çalışmalar kısıtlıdır. Tasarım çalışması öncesi füze yanma odasında bulunan yakıtın yanması sonucu oluşan basınç nedeniyle lüle sistemi üzerinde oluşan yükler hesaplanmış, benzer sistemlerde kullanılan atılabilir lüle tasarımları, çalışma prensipleri incelenmiş ve uygun bir tutucu sistemi tasarlanmıştır. Tutucu sistemin tasarımı bilgisayar ortamında 3D olarak modellenmiş ve ANSYS yazılımı kullanılarak analizlere tabi tutulmuştur. Topoloji optimizasyonu çalışmasında tutucu parça sistemine %30 oranında kütlesel hafifleme girdisiyle optimizasyon yapılmıştır. Analiz sonucu elde edilen tasarımların üretimi gerçekleştirilerek hidrostatik basınç testlerine sokulmuş ve tasarım doğrulamaları yapılmıştır.

Abstract:
One of the most important considerations in the aviation industry is low-weight design. This is also an issue that is taken into consideration for missile/rocket systems. Missile/rocket systems are the most effective weapon systems used in today's defense industry. In particular, long-range missile systems are important force multipliers for countries. Missiles/rockets can be classified as solid fuel, liquid fuel, hybrid, ramjet, scramjet according to their propulsion systems. Ramjet jet engine, which is the subject of this study, is a type of air-breathing jet engine with air ducts to compress the oncoming air. In this study, it is aimed to reduce the weight of the disposable nozzle holder part used in the ramjet missile system by topology optimization. The nozzle system is the opening through which the high temperature and pressure gases formed in the combustion chamber are discharged. In this way, impulse is created.
There are numerous studies on fixed nozzle designs in the literature, but studies on disposable nozzle designs are limited. Before starting with the design study, the loads on the nozzle system due to the pressure resulting from the combustion of the fuel in the missile combustion chamber were calculated, disposable nozzle designs and operating principles used in similar systems were examined and a suitable holder system was designed. The design of the retainer system was modeled in 3D on a computer and analyzed using ANSYS software. In the topology optimization study, the holder part system was optimized with a 30% mass reduction input. The designs obtained as a result of the analysis were manufactured, hydrostatic pressure tests were performed and design verifications were made.