Bor potasyum nitrat pirotekniği üretimi ve lazer ile ateşlenme karakteristiğinin belirlenmesi
Production of boron potassium nitrate pyrotechnic and determination of ignition characteristics by laser
Yazar: İSMET KIZILIRMAK
Danışman: PROF. DR. ZÜMRİYE AKSU
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, katı yakıtlı roket motorların ateşleyicilerinde kullanılan bor potasyum nitrat (BPN) piroteknik tozun üretimi gerçekleştirilmiş, piroteknik tozun pelet haline getirilmesi sağlanmış, peletin yeni tasarlanan lazer ateşleme test sistemi ile ateşlenme karakteristiği belirlenmiş ve kapalı bomba test sistemi ile pelet ortalama yanma hızı tayin edilmiştir. 
Tez kapsamında ilk olarak, BPN piroteknik tozun MIL-P-46994B askeri standarda uygun olarak bor, potasyum nitrat ve Viton floroelastomer kullanılarak üretim çalışmaları yapılmış, standartta belirtilen gereksinimler karşılanmıştır. DSC analizi BPN piroteknik tozun tutuşma sıcaklığının 500-510°C arasında olduğunu göstermiştir. BPN piroteknik tozun kalorifik değeri ortalama 1675 cal/g olarak saptanmıştır. BPN piroteknik tozun yoğunluk tayini sonucunda en yüksek teorik yoğunluk 2,16 g/cm3 olarak bulunmuştur.  
BPN piroteknik tozun raf ömrünü uzatmak ve küçük hacimde en fazla miktarda piroteknik kullanmak için piroteknik toz pelet haline getirilmiştir. BPN piroteknik toz yük altında presleme yapılarak 10 mm, 9 mm,  8 mm ve 3,27 mm çapına sahip pelet formlarına dönüştürülmüş ve üretilen peletlerin ortalama yoğunlukları ölçülmüştür. Uygulanan yük altında farklı çaptaki peletlerin yoğunluklarının 1,64-1,69 g/cm3 arasında değiştiği saptanmıştır. Bu yoğunluk aralığının MIL-P-46994B standardında belirtilen isterleri karşıladığı gözlenmiştir. Pelet yoğunluğunun toz haldeki yoğunluğa oranlanması ile peletin gözenikliliği %24 olarak hesaplanmıştır. 
Tez çalışmasının sonraki aşamasında, yeni bir lazer ateşleme test sistemi tasarlanmış ve BPN peletlerin bu sistemde lazer ile ateşlenerek ateşlenme karakteristiği oluşturulmuştur. 3,27 mm çapında ve 1,69 g/cm3 yoğunluğundaki peletler Bruceton Test Metodu'na göre lazer ile ateşlenmiş, Neyer SenTest program yazılımı kullanılarak, %95 kesinlik seviyesinde %99,9 güvenilirlikte BPN peletlerin ateşlenmesi için gereken lazer gücünün 550 mW ve lazer ateşlenme süresinin 5,50 ms olduğu saptanmıştır. Güvenilirlik seviyesi %99,0 olduğu durumda ise lazer gücü 470 mW ve lazer ateşlenme süresi 10,45 ms olarak bulunmuştur. 550 mW güç ve 5,50 ms ateşlenme süreleri kullanılarak peletlerin ateşlenmesi için gereken güç yoğunluğu 5682 W/cm2 ve enerji yoğunluğu 31,3 J/cm2 olarak bulunmuştur. 
Son olarak 3,27 mm çapta ve 4,60 mm boyundaki peletler, 550 mW lazer güçte kapalı bomba test düzeneğinde ateşlenerek peletlerin ortalama yanma hızı 39,5 mm/s olarak belirlenmiştir. Bu değer MIL-P-46994B standardında belirtilen en az 31,75 mm/s isterini karşılamıştır. 
Tez çalışması sonucunda MIL-P-46994B askeri standardına uygun BPN piroteknik tozu ve peleti üretilmiş, yeni tasarlanan bir lazer ateşleme test sistemi sayesinde toz ve pelet ürünlerin kalorifik değer, yoğunluk ve yanma hızı gereksinimlerini karşıladığı görülmüştür.

Abstract:
In this thesis, the production of boron potassium nitrate (BPN) pyrotechnic powder used in igniter of solid propellant rocket engines was realized, the pyrotechnic powder was made to pellet, the pellet was determined with the newly designed laser ignition test system and the firing characteristic of the pellet was determined by the closed bomb test system. 
In the scope of the thesis, firstly, BPN pyrotechnic powder was produced in accordance with MIL-P-46994B military standard by using boron, potassium nitrate and Viton fluoroelastomer. DSC analysis indicated that the BPN pyrotechnic powder had a ignition temperature of 500-510°C. The calorific value of BPN pyrotechnic powder was determined as 1675 cal/g. As a result of the density determination of BPN pyrotechnic powder, the highest theoretical density was found to be 2.16 g/cm3.
BPN pyrotechnic powder has been turned into pellets to prolong the shelf life of pyrotechnic powder and to use the maximum amount of pyrotechnic in small volume. The BPN pyrotechnic powder was converted into pellet forms with a diameter of 10 mm, 9 mm, 8 mm and 3.27 mm by pressing under load and the average densities of the pellets produced were measured. The density of the pellets with different diameters was found to vary between 1.64-1.69 g/cm3. It has been observed that this density range meets the requirements specified in the MIL-P-46994B standard. The pellet porosity was calculated as 24% by the ratio of the pellet density to the density of the powder.
In the next phase of the thesis study, a new laser ignition test system was designed and the BPN pellets were ignited by laser in this system. Pellets with a diameter of 3.27 mm and a density of 1.69 g/cm3 were fired by laser according to the Bruceton Test Method, using the SenTest program software, the laser power required to fire BPN pellets at a 95% confidence level and 99.9% reliability level was found to be 550 mW and the duration of laser firing was 5.50 ms. When the level of reliability was 99.0%, laser power was found to be 470 mW and laser firing time was found as 10.45 ms. The power density required to fire the pellets using 550 mW power and 5.50 ms ignition time was 5682 W/cm2 and the energy density was 31.3 J/cm2.
Finally, the pellets of 3.27 mm diameter and 4.60 mm in length were fired at a 550 mW laser power in the closed bomb test apparatus and the average burning rate of the pellets was determined as 39.5 mm/s. This value corresponds to a minimum of 31.75 mm/s specified in the MIL-P-46994B standard.
As a result of the thesis, BPN pyrotechnic powder and pellet were produced according to MIL-P-46994B military standard, powder and pellet products have been shown to meet the calorific value, density and burning rate requirements thanks to a newly designed laser ignition test system.