Bir itki vektör kontrol performans test sisteminin dinamik incelenmesi
Dynamic investigation of a thrust vector control performance test system
Yazar: AHMET ÜNAL
Danışman: PROF. DR. MEHMET ARİF ADLI
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Savunma ve Savunma Teknolojileri = Defense and Defense Technologies

Özet:
Uzay ve Savunma Sanayiinde yoğun olarak kullanılan roket motorlarının geliştirilmesi, değerlendirilmesi ve tasarımlarının doğrulanması aşamalarında performans ve güvenilirlikleriyle ilgili ölçümlerin yapılması gerekmektedir. Bu süreçte yapılan testlerden biri de statik ateşleme testleridir. Statik ateşleme testlerinde ölçülmesi amaçlanan en önemli parametrelerden biri motorun ürettiği itki değeridir. Üretilen itki, yük hücreleri ile donatılmış bir yapısal bütün olan İtki Vektör Kontrol (İVK) Performans Test Sistemi adı verilen çok eksenli bir itki ölçüm sistemi kullanılarak ölçülür. Bu çalışmada, itki vektör kontrollü roket motoru geliştirme testleri için tasarlanan İVK Performans Test Sistemi'nin dinamik davranışı incelenmiştir. Farklı itki kapasitesi ve fiziksel özelliklerdeki (boyut, kütle, atalet) motorların test çalışmalarında sistemin dinamik davranışını önceden matematiksel model ile tanımlamak amaçlanmıştır. Bunun için de sistemin, altı serbestlik derecesine göre hareket denklemleri türetilerek lineer dinamik modeli oluşturulmuştur. Sistem, lineer yaylara bağlı rijit motor gövdesi kabulüyle basit kütle-yay modeli olarak modellenmiştir. Oluşturulan dinamik model ile doğal frekans hesaplamaları, mod şekli türetme çalışmaları ve zamana bağlı itki analizleri yapılmıştır. Ayrıca gerçek kurulu sistem üzerinde roket motoru statik ateşleme testleri ve modal testler icra edilmiştir. Bu sayısal ve deneysel çalışmaların sonuçları kıyaslandığında dinamik modelin doğal frekans ve mod şekillerinin gerçek sistem ile yakın olduğu görülmüştür. Elde edilen sonuçlara göre, İVK Performans Test Sistemi 50 [kN]'a kadar eksenel itki üretebilen roket motorlarının itki bileşenleri ve yuvarlanma momentini istenen doğrulukta başarılı olarak ölçebilmektedir. Bu sayede, roket motoru tasarım süreçlerinde önemli bir parametre olan itki kuvvetini ölçmek için bir İVK Performans Test Sistemi TÜBİTAK SAGE'ye test altyapısı olarak kazandırılmıştır. Tasarım ve analizlerde NX CAD, MSC Patran/Nastran, Matlab ve MS Excel ticari yazılım paketleri kullanılmıştır.

Abstract:
Measurements related to performance and reliability of rocket engines used in the Space and Defense Industry should be carried out during the development, evaluation and verification of their designs. One of the tests carried out in this process is the static firing test. One of the most important parameters of the rocket motor static test evaluation is the thrust generated by the engine. The generated thrust is measured using a multi-axis thrust measurement system called the Thrust Vector Control (TVC) Performance Test System, a structure equipped with load cells. In this study, dynamic behavior of TVC Performance Test System designed for thrust vector controlled rocket engine development tests is investigated. It is aimed to define the dynamic behavior of the system in advance with mathematical model in the test studies of motors with different thrust capacity and physical properties (size, mass, inertia). For this purpose, linear dynamic model of the system has been formed by deriving motion equations according to six degrees of freedom. The system is modeled as a simple mass-spring model with the acceptance of the rigid motor body connected to the linear springs. With the dynamic model, natural frequency calculations, mode shape derivation studies and time dependent thrust analyses were performed. In addition, static firing tests and modal tests were performed on the actual installed system. When the results of these numerical and experimental studies are compared, it is seen that the natural frequency and mode shapes of the dynamic model are similar to the actual system. According to the results obtained, the TVC Performance Test System can successfully measure the thrust components and rolling torque of rocket motors capable of producing axial thrust up to 50 kN. In this way, TVC Performance Test System was introduced to TUBITAK SAGE as a test infrastructure in order to measure thrust force, which is an important parameter in rocket engine design processes. NX CAD, MSC Patran / Nastran, Matlab, MS Excel ve LMS commercial software packages were used in design and analysis.