Elektromanyetik fırlatıcı sistemlerinin irdelenmesi ve simülasyonu
Electromagnetic launcher systems discussion and simulation
Yazar: ERK İNGER
Danışman: PROF. DR. MAHMUT ÖZBAY
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2013
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Elektromanyetik fırlatma sistemlerinin, Uzay taşımacılığında, kimyasal itkili  sistemlerden daha  uygun bir alternatif olacağı tartışılmıştır. Elektromanyetik fırlatma sistemindeki uçuş kütlesi, manyetik fırlatıcı içindeki uçuş hattı boyunca depolanmış elektrik enerjiyle yörünge hızına ulaştırılır. Kimyasal yakıt kullanan fırlatma sistemleri yörünge hızına ulaşmak için faydalı yüke ilave olarak yakıt ve yakıt sistemlerini de yörüngeye taşımak durumundadır. Faydalı yüke eşlik eden bu yakıt sistemleri ilave maliyet ve zaman gerektirir. Bu nedenler elektromanyetik fırlatma  sistemlerini,  kimyasal itki sistemlerinden daha avantajlı ve masraf etkin yapmaktadır. 
Literatür taramasında elektromanyetik fırlatma sisteminin teknolojik gelişim tarihi derlendi. Taşınacak kütle, ivme, hız, fırlatıcı uzunluğu ve elektromanyetik fırlatma sisteminin çeşidi teknolojik gelişimin ana konuları oldu. Tek kademeli ve çok kademeli olmak üzere mini ölçekli iki elektromanyetik fırlatma sistemi tasarlandı, üretildi ve başarılı deneyler yapıldı. Dört kademeli fırlatıcı test aparatında, şehir şebekesinden alınan elektrik, bir dönüştürücüyle  24V gerilime ve doğru akım köprü devresiyle doğru akıma çevrilerek beslenmektedir. Çok kademeli elektromanyetik fırlatıcı yapısında enerji depolamak amacıyla kapasitörler bulunmaktadır. Kapasitörler bu enerjiyi anahtarlı bir indüktör üzerinden uçuş kütlesi üzerine aktarmaktadır. Eş zamanlı enerji, uçuş kütlesine sargı kapasitör devresinden aktarılan kısa süreli gerilim oluşturucusuyla  kazandırılmaktadır. Enerji depolayıcı kapasitans, ikili sayaç, transistör ve indüktör kullanmak suretiyle, uçuş kütlesi, elektromanyetik sargılar içinden elde edilen itki kuvvetiyle sargılara değmeksizin hareket etmeye başlar.
Sargılı fırlatıcının nasıl çalıştığının  nitel açıklanması türetilen cebirsel ifadelerle sunulmuştur. İnduksiyon, manyetik alan, indüktif akım şiddeti, kapasitans hesaplamaları, sargı çapı, sargı genişliği, sarım yüksekliği, sisteme verilen gerilim, tek kademeli sarım verimi gibi tasarım parametrelerini kullanarak yapılmaktadır. Sisteme verilen gerilim miktarı, fırlatıcı çıkış hızı hesaplamasında önemli rol oynar. Daha sonra itki kuvveti, ivme, fırlatıcı uzunluğu ve sarım adedi hesaplanmaktadır. Bu tez performans davranış tahminleri için  yararlı göstergeler sağlar ve elektromanyetik fırlatılan sistem parametrelerinin karşılıklı bağımlılıklarını gösterir.
Dünya ve Ay fırlatma sistemleri için  performans parametrelerinin karşılıklı bağımlılık ve değişimlerinin araştırılması amacıyla çeşitli çok kademeli elektromanyetik fırlatma sistem simulasyonları yapılmıştır.
Uzay araçlarının Uzay?a bulundukları yüksekliğin yörünge hızıyla fırlatılması ve oksijen, yakıt gibi hammaddelerin istenilen varış noktalarına taşınması  planlanmaktadır. Dünya?dan 80 km?de çember yörünge hızına elektromanyetik fırlatma ve kimyasal yakıtla ulaşım hesaplamaları ve maliyet karşılaştırmaları yapılmıştır.  
Elektromanyetik fırlatma sisteminin enerji harcamasının ve Uzay?da yörünge değişiminde kullanılan konvansiyonel sıvı yakıt tüketim miktarının maliyet-kazanç ön değerlendirmeleri de sunulmaktadır.

Abstract:
Electromagnetic launching system has been  discussed as  an elligible alternative to the chemical propulsion systems, in Space transportation. The projectile  reaches to its orbital  speed  with an energy transfered externally to the projectile all the flyway through the launcher. The chemical systems should carry fuel  in addition to useful load  in flight for reaching orbital velocity. Chemical propulsion systems with useful load are time consuming and require some extra cost. These facts makes the EMFS  comparatively more advanantagous and cost efficient than chemical propulsion systems. 
In the literature survey, the history of  the technological development of electromagnetic system   were  rewieved. The amount of transported mass,   acceleration, velocity, launcher length and the type of electromagnetic launching system have been major concerns of technological developments. Two different mini scale, single and multistage electromagnetic launchers  were designed, manufactured and sucessfull experiments were performed. Energy is supplied by city draft and  transformed to 24V  by means of a  transformer and a direct current  bridge circuit to four  stage launcher test setup. A multistage electromagnetic launcher formation contains the capacitors for storing energy. Capacitors transfers this energy through a switching inductor to mass driver. The mass driver synchronously being energized by a  voltage  through an oscillating coil-capacitor circuit. Using energy storage capacitance, binary counters, transistors and inductors, mass driver starts to move through the coils with the thrust created by mutual inductance without  any contact to coils.A qualitative explanation of how coilgun works have been presented by derived algebraic expressions. Induction, magnetic area, inductive current, capacitance calculations are made by using geometrical design parameters such as coil radius, web thickness, height, applied voltage  and single stage efficiency. Applied voltage plays an important role in determination of launcher muzzle velocity. Then thrust force, acceleration, launcher length and number of coils  were calculated. This thesis provides usefull indicators in the predictions of performance behaviour and illustrates the mutual dependence of  parameters in electromagneticly launched system.
Several multistage electromagnetic launcher system simulation scenarios for terrestial and lunar systems have been performed to investigate the interdependence and changes of performance parameters. 
Space vehicles are planned to be launched  into the Space with a circular orbit  speed of its altidue and to transport of commodities such as fuel and oxygen to reqiured destination. Cost performance of electromagnetic launching system and chemical propulsion fuels at terrestial launchers has been calculated and compared in reaching to 80 km circular orbit velocity.
The preliminary assesments of  cost-versus-benefit of electrical energy consumption in electromagnetic launch system  and amount of conventional liquid propellants used for the change of the orbits in  Space were also presented.