Dönen detonasyon motoru teknolojiler

ROKETSAN tarafından altı ayda bir yayımlanan “ROKETSAN Dergi”nin 18. sayısında, ROKETSAN Atmosfer Dışı İtki Teknolojileri Biriminde uzman mühendis Hasan Fatih Çelebi’nin kaleme aldığı bir makaleye yer veriliyor.

“ROKETSAN Dergi”nin 18. sayısına, mobil uygulamamızın dergi bölümünden ücretsiz olarak ulaşabilirsiniz.

Dergide yer alan “Dönen Detonasyon Motoru Teknolojiler” başlıklı yazıyı, takipçilerimize sunuyoruz:

DÖNEN DETONASYON MOTORU TEKNOLOJİLER

Dönen Detonasyon Motorları (İng. Rotating Detonation Engine - RDE) sesüstü hızda akış içinde yanma prensibi ile çalışan basınç artışlı yanma motorlarıdır.

Basınç artışlı yanma motorları, geleneksel roket ve gaz türbini motorlarının aksine daha verimli bir termodinamik çevrim ile çalışırlar. Pistonlu motorlara benzer bir şekilde yanma reaksiyonu sabit bir hacimde çok daha hızlı bir şekilde gerçekleşir.

Yanmanın sabit hacimde gerçekleştiği basınç artışlı yanma motorları daha yüksek sıcaklıklarda ve basınçlarda, daha az entropi ile daha çok iş üretimi sağlar (Şekil 1). Detonasyon çevrimli bir motorda, geleneksel motorlara kıyasla %20 daha fazla termal verim ve %7-18 arası daha fazla özgül darbe kazanımı öngörülmektedir.

Çalışma Fiziği

Yanma, gerçekleşme hızına göre ikiye ayrılır. Ses hızından düşük hızlarda gerçekleşen yanma “deflagrasyon”, sesüstü hızlarda gerçekleşen yanma ise “detonasyon” olarak adlandırılır. Detonasyon, yanma sonucu ortaya çıkan enerji yayılımı tarafından idame ettirilen bir şok dalgasıdır. Önde giden şok dalgası yüksek derecede yanıcı tepkiyeni sıkıştırarak yüksek basınçta ve sıcaklıkta gaz ürününe dönüştürür. Bu süreçte çok kısa süre içerisinde ortaya muazzam ölçüde enerji açığa çıkar. Bu enerji de sesüstü hızda hareket eden şok dalgasını idame ettirir. Böylece detonasyon hem yanmaya neden olarak, hem de yanma sonucu ortaya çıkan enerji ile beslenerek yayılımını sürdürür.

Dönen detonasyon motorları, bu detonasyon dalgasının yanma odasının içinde sürekli olarak ilerlediği bir çalışma prensibine sahiptir. Bir diğer detonasyonlu yanma cihazı olan darbeli detonasyon motoruna (İng. Pulse Detonation Engine - PDE) kıyasla yeniden ateşleme ve yeniden detonasyon dalgası oluşturma işleminin yüksek frekanslarda tekrar edilmesine gerek yoktur. Detonasyon dalgası bir kere başlatıldıktan sonra operasyon süresince halkasal bir yanma odasının içinde sürekli olarak dönmeye devam eder (Şekil 2). Yakıtlar ise sürekli olarak yanma odasına püskürtülerek dalganın bir sonraki gelişiyle birlikte detonasyonu beslemeye devam eder. Bu çalışma prensibi sonucunda darbeli motorlardaki devamsız itkinin aksine neredeyse sabit debi ve sabit itki elde edilir. Aynı zamanda darbeli detonasyon motorlarında sesaltı yanmadan detonasyona geçişin yaşanması için motorun eksenel yönde uzun olması gerekmektedir. Ancak dönen detonasyon motorunda bu geçiş dairesel yönde gerçekleştirilebilir ve bu yüzden daha kompakt bir yapıya sahiptirler.

Dönen detonasyon dalgası yanma odası içerisinde dairesel olarak ilerlerken gerisinde genişleyen yanmış gaz bırakır. Bu gaz da hızlanarak hem eksenel hem de dairesel olarak hareket ederek yanma odasını terk eder. Hızlanmış gaz periyodik olarak yüksek frekanslarda hareket ettiği için itki neredeyse sabittir. Bu da doğrudan itki üretiminde veya gaz türbini yanıcısında kullanılmasında olanak sağlar.

Detonasyon dalgası yüksek basınçlarda ve yüksek hızlarda hareket ettiği için motor içinde yaşanan akış alanı oldukça karmaşık ve kararsızdır. Döngü süresi yanma odası büyüklüğü, yakıt debileri, basınç seviyeleri, kullanılan yakıt çifti gibi etmenlere bağlıdır. Detonasyon dalgası tipik olarak 1500- 2500 m/sn arası hızda hareket eder ve dönen detonasyon operasyon frekansı 1-10 kHz arasındadır. Örnek olarak 10-40 cm çapa sahip motorlarda döngü süresi 20-100 mikrosaniye arasında değişmektedir. Enjektör çeşitleri, motor halkası genişliği, ateşleme sekansı, yakıt debileri vb. faktörlere bağlı olarak operasyon sırasında oluşan dalga sayısı ve oluşan dalgaların yönü değişebilir.

Kararlı bir detonasyon elde etmek için gereken parametreler ile dalga sayısını ve dalga yönünü belirleyen faktörler halen araştırma aşamasındadır. Bahse konu teknolojinin geliştirme sürecinde karşılaşılan en büyük zorluklardan biri detonasyon dalgasında görülen bu bilinmezlikler ve kararsızlıklardır.

Tarihçe

Dönen detonasyon operasyonu fikri, ilk defa Rus bilim adamı ZELDOVICH tarafından kavramsal olarak ortaya sunulmuştur. 1940 yıllarında yaptığı çalışmada detonasyonu asgari düzeyde kayıplarla idame ettirmenin zor olduğunu söyleyerek sürekli detonasyonun pratik olarak itki sistemlerinde kullanımını tavsiye etmemiştir. Bu olumsuz görüşlere rağmen 1960’lı yıllarda Rusya’da VOITSEKHOVSKII ve ABD’de NICHOLLS sürekli dönen bir dalgayı kullanabilen bir itki sisteminin yapılabilirliğini incelemişler ve yerleşik bir dönen detonasyon dalgası elde etmeyi başarmışlardır. Bu deneyler detonasyon teknolojisi için önemli bir adım olarak görülmektedir. Fakat bu yıllarda sabit basınçlı roket motorlarında yaşanan başarılar, araştırmaların bu alana yoğunlaşmasına ve detonasyon motorları üzerine çalışmalarda durgunluk yaşanmasına sebebiyet vermiştir. Aynı zamanda detonasyon sonucu oluşan yüksek ısı akısı ve detonasyonun yüksek frekanslı operasyon yapısı, donanımsal yetersizlikler ile detonasyon teknolojisinin önüne geçmiştir.

Yaklaşık 30-40 yıllık bir durgunluktan sonra 21. yüzyılın başlarında sürekli detonasyon araştırmalarına olan ilgi tekrar artmıştır. Bu süreçte hesaplamalı akışkanlar dinamiği benzetimlerinde, deneysel veri elde edimi ve işlenmesinde yaşanan teknolojik gelişmeler motor içerisinde gerçekleşen karmaşık ve yüksek hızlı akış yapısının çözümlenmesinde kolaylık sağlamıştır. Özellikle 2006 yılında Rusya Lavrentyev Hidrodinamik Enstitüsü’nde gerçekleştirilen çalışmalar, yaşanan bu gelişmelere öncülük etmiştir. BYKOVSKII ve ekibi tarafından yürütülen bu araştırmalarda farklı yakıt çiftleri ve fazları ile farklı enjektör ve yanma odası geometrilerinde başarılı detonasyon operasyonları görülmüştür. Bu çalışma sonucu motor tasarım parametrelerinin belirlenmesiyle birlikte detonasyon motorlarına olan ilgi ve yatırımlar küresel çapta artmıştır. 2006 yılından günümüze kadar Rusya’nın yanı sıra Fransa, Polonya, ABD (Şekil 3 ve Şekil 4), Çin ve Japonya’da ulusal havacılık enstitüleri ve üniversite işbirlikleri ile birlikte yürütülen çalışmalar sonucu başarılı yer testleri gerçekleştirilmiştir.

Sonuç

Yirminci yüzyılın son yarısında sıvı yakıtlı roket motoru teknolojisinde yaşanan gelişmeler, itki sistemi performansının iyileştirmesinde kararlı bir ilerlemeye yol açmıştır. Ancak 1980’lerin sonundan beri operasyon maliyetleri, kontrol sistemleri, üretim metotları vb. konularda yenilikçi çözümler ortaya çıksa da ulaşılabilecek maksimum roket performansı çerçevesinde yaşanan değişim sınırlıdır. Bunda en büyük etken, kullanılan yaygın yakıtlar ve modern malzemeler ile birlikte ulaşılabilecek yanma verimlerinin ve yanma odası basıncı değerlerinin pratik olarak zaten üst değerlerde olmasıdır. Bu sınırların ötesine geçmek için daha çok yakıt alternatifleri üzerine çalışılsa da kimyasal roket motoru performansında yaşanacak gelişmeler termodinamik çevrimin baştan aşağı değişimiyle sağlanabilir. Dönen detonasyon roket motorları sabit basınçta yanma gerçekleştiren geleneksel roket motorlarına yenilikçi bir alternatif sunmaktadır. Son zamanlarda sürekli detonasyon ateşlemeleri konusunda elde edilen başarılar, bu teknolojiye olan ilgiyi küresel çapta arttırmıştır. Gelecekte roket motorlarının yanı sıra hava solumalı hipersonik araçlarda ve gaz türbinlerinde de detonasyon teknolojisinin kullanılması hedeflenmektedir.