Hibrit yakıtlı roket motoru ateşleme ve test düzeneği tasarımı ve üretimi
Design and production of hybrid rocket engine testing system
Yazar: MEHMET BURAK ÖZBİLGİN
Danışman: PROF. DR. OSMAN ERGÜVEN VATANDAŞ
Milli Savunma Üniversitesi / Hezarfen Havacılık ve Uzay Teknolojileri Enstitüsü / Havacılık Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Havacılık Mühendisliği = Aeronautical Engineering
Dizin: Hibrit roket motoru = Hybrid rocket motor

Özet:
Günümüzde elde edilebilir ve kontrol edilebilir en büyük güç vasıtalarından biri olan roketler insanoğlunun uzaya ulaşmasındaki yegâne araçtır. Bu kapsamda üretilen itki sistemlerinden, kimyasal roketler sınıfına giren hibrit roket motorları diğer motorlara göre daha az araştırılmıştır. Sistem yapısı ve içeriğinde kullanılan yakıt ve oksitleyici türlerine bakıldığında daha emniyetli ve ucuz sayılabilecek özelliklere sahip olmasına rağmen, yüksek kapasiteli uzay taşıyıcılarına temel oluşturabilecek yüksek itki seviyesine ulaşılamamıştır. Düşük yanma hızının arttırılması, motor içi yanma kararsızlığının azaltılması ve yakıt ailesinin çeşitlendirilmesi gibi, verimsiz olduğu konuların araştırılması ile gelecekte yapılacak uzay araştırmalarında ve yüksek güç ihtiyaçlarına sahip sistemlerde tercih sebebi olmaya başlayacaktır.

Büyük ölçekli çalışmaların altyapısını oluşturan temel değişkenlerin belirlenmesi için küçük ölçekli ve düşük bütçeli motorlardan elde edilen veriler çok önemlidir. Üniversite seviyesi temel eğitim yardımcısı görevi de gören bu tur motorlar, oluşturulan teorilerin denendiği sistemlerdir. Bu motorlar üzerinden elde edilen verilerin ışığında büyük ölçekli motorların daha maliyet etkin şekilde üretilebilmesine olanak sağlanmaktadır. 

Bu tez çalışmasında Hava Harp Okulu bünyesinde, laboratuvar şartlarında kullanılabilecek eksenel akışlı hibrit roket test düzeneği kurulmuştur. Tez içeriğinde hibrit roket motoruna esas teşkil eden teorik hesaplamalar ve test düzeneği tasarım yöntemleri açıklanmıştır. Disiplinler arası tasarıma ihtiyaç duyan test düzeneği maliyet ve üretim teknikleri kısıtlarına rağmen geniş yelpazede motorların testine imkân verecek şekilde tasarlanmaya çalışılmıştır. Kolay temin edilebilirlik, işleme kolaylığı, yüksek performanslı motorlarda kullanılan yakıtlara benzer performans göstermesi sebebi ile yakıt çekirdeği olarak PMMA ve oksitleyici olarak oksijen tercih edilmiştir. Oksijen gibi tehlikeli gazlar ile çalışan sistem tasarımının nelere dikkat edilerek yapılması gerektiği ayrıntılı olarak açıklanmaya çalışılmıştır. 

Test düzeneği üzerinde eksenel akışlı tek yakıt çekirdekli hibrit roket motorunun test edilmesini sağlayacak tasarım gerçekleştirilmiştir. Sistem üzerine yerleştirilen veri toplama sistemi sayesinde motor içeresine gönderilen akışkanın basınç ve sıcaklıkları belirlenerek özellikleri belirlenmeye çalışılmıştır. Test düzeneği üzerinde bulunan yük ölçüm sistemi kullanılarak, hibrit yakıtlı motor test edilebileceği gibi küçük çaplı kati yakıt motorlarının ürettiği itkide ölçülebilmektedir.

Hibrit motor test sistemini oluşturan gaz besleme, ateşleme ve veri toplama sistemi içerisinde bulunması gereken parçalar bütçe sınırlaması sebebi ile üretilebilirdik ve piyasadan temin edilebilirlik açılarından incelenmiştir. Yapılan hesaplara göre temin edilmesi gereken rafta hazır veya hammadde olarak satın alınarak ürettirilebilecek malzemeler tez içeriğinde verilmiştir. 

Test düzeneğini çalıştıran elektronik devre şemaları, kontrol, veri toplama, veri analiz yazılımları ve hata analizi konuları; üretim süreci ve dikkat edilmesi gereken yönlerinden bahsedilerek tez içerisinde verilmiştir.

Kurulan sistem ülkemizde üzerinden veri alınabilen ve bilimsel araştırma yapılmasını sağlayan sayılı hibrit roket motoru test düzeneklerinden biridir. Bu tezde üretilen tüm sistemin kavramsal ve detaylı tasarımı yapılmıştır. Bazı üretim kısıtları, maddi sınırlamalar ve yurt içi ve dışından teminde karşılaşılan zorluklar sebebi ile belirli seviyede sınırlanmıştır. 

Mevcut test düzeneği roket motorlarının testine imkân vermesine ek olarak öğrencilere ölçme tekniği, akışkanlar mekaniği, veri toplama sistemi ve kontrol sistemi konularının deneyler yardımı ile anlatılmasına imkân verebilecek üniversite seviyesi temel eğitim yardımcısıdır. Bu kapsamada okul içerisinde disiplinler arası çalışmanın gösterildiği sayılı deney düzeneklerinden biri olarak yerini almıştır.

Abstract:
Rockets are the most powerful tool that is available and controllable for reaching space.
Hybrid rocket engines, which are subject of the chemical rockets used in space race,
are less researched than other engines. Although the fuel and oxidizer types used in
the system structure and content are considered to be safer and cheaper, they cannot
reach the high thrust level which can used for high capacity space carriers. As a
result of increasing the low regression rates, decreasing the combustion instabilities
and investigation of the fuel family, it will be preferred in future researches with high
power needs.
The data obtained from small scale and low cost engines are very important in order to
determine the main variables that constitute the infrastructure of the large scale studies.
These engines, which are the university level basic education assistant, are the systems
where the theories are tried for experimental studies. The data obtained from these
motors allow the production of large scale motors in a more cost-effective manner.
In this thesis, a lab-scale hybrid rocket test equipment which can be used in school has
been constituted. In the context of the thesis, theoretical performance calculations and
experimental design methods of hybrid rocket engine are explained.
The multidisciplinary test stand needs to be designed to allow testing of a wide range
of engines, despite the limitations in cost and production techniques. Due to its easy
availability, machinability, and similarity to materials those used in high-performance
engines, PMMA as propellant and gas oxygen as oxidizer have been preferred. the
system designs which used dangerous gases such as oxygen has been tried to explain
in detail. Test equipment is designed to examine axial flow hybrid motor with a single
injector. The pressure and temperatures of the oxidizer sent to the engine can measure
by using data acquisition system placed on the system . This measurements are
important for determining the characteristics of oxidizer. By using the load measuring
system installed on the system, We can test not only the hybrid fuel engines but also
small scaled solid rocket engines.
In this thesis Hybrid rocket engine, which is composed of main oxidizer system,
ignition system and data acquisition system, are examined from commercial availability or manufacturability of components. According to the calculations,commercially
available parts or raw materials that should be provided for producing test equipment,
are given in the appendix of thesis.
Electronic circuit system schemes, control, data acquisition and data analysis software
and error analysis of the test results are specified as important points to take into
consideration. This topics examined widely and problems that occurs when producing
the test equipment explained in sections.
Produced test system is one of the number of hybrid rocket engine test assemblies in
Turkey that can be used for data collection and scientific research. The conceptual
and detailed design of the whole system is made in this thesis. test system has limited
because of some production constraints, limited budget, and difficulties of availability
of products in domestic and abroad. In addition to the ability of testing the rocket
engines, the existing test unit is the university level basic education device that can
be used to explain fluid mechanics, data acquisition system and control system to
students. Within this scope, it has taken its place as one of the experimental device
that is produced by the as a result of interdisciplinary studies in Turkish Air Force
Academy.