Development of electric-driven cryogenic pump for upper stage hybrid rockets

Yanıcı veya yakıcı maddelerinden en az birini sıvı fazda barındıran bir roket itki sisteminin performansı, yakıt besleme sistemi performansına bağlıdır. Yakıt besleme sistemi, sıvı fazdaki yakıtı istenen basınç ve debi değerlerinde yanma odasına iletmelidir. Yakıt besleme sistemi, basınçlandırma mekanizması olarak yüksek basınçlı soğuk gaz veya pompa kullanır. İlk metot, yakıt tankları da dahil olmak üzere tüm besleme sistemini enjektör basıncına getirmeyi gerektirir. İkincisi ise besleme sisteminin küçük bir kısmını enjektör basıncına getirse de pompayı sürmek için bir mekanik güç kaynağı gerektirmektedir. Yüksek itki ve güç gereksinimi olan sistemlerde pompa sistemi kullanılırken göreceli olarak düşük itkili ve daha az karmaşık sistemlerde soğuk gaz basınçlandırması kullanılmaktadır. Bunun sebebi, şimdiye kadar sadece türbin sistemlerinin yüksek performanslı pompaları sürmek için yetkin sistemler olması ve bunun karmaşıklık ve maliyet bakımından düşük itki sistemleri için uygun bulunmaması olmuştur. Uzay sektörünün mikro uydu uygulamalarına yönelmesi, bu uyduları fırlatacak daha düşük itki seviyeli fırlatma araçlarının geliştirmesinin daha fazla ilgi görmesine neden olmaktadır. Soğuk gaz basınçlandırma sistemlerinin ağırlık dezavantajı, turbopompaların karmaşıklığı, geliştirme süresi ve maliyeti, ve güç elektronikleri, pil ve elektrik motoru teknolojilerindeki gelişmeler, elektrikli pompa sistemlerinin uygunluğu hakkındaki soruları gündeme getirmiştir. Bu tezin amacı, üst kademe karma roketlerde elektrikli pompa tasarımı ve geliştirmesi yolu ile tasarlanan sistemin, soğuk gaz basınçlandırması yöntemine göre avantajlarını göstermektir. Bunun için sistem gereksinimlerinden yola çıkarak bir pompanın hidrolik ve mekanik tasarımı yapılmış ve pompanın performansı hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizleri ile irdelenmiştir. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği modeli gerçek bir sistem üzerinde test yöntemi ile doğrulanmıştır. Sonrasında, biri elektrikli pompa kullanan diğeri ise soğuk gaz basınçlandırması kullanan iki ayrı karma roket itki sistemi tasarlanmıştır. Sistem seviyesinde bu iki sistemin performansı farklı operasyonel parametreler düzeyinde incelenmiş ve bu tezin argümanına destekleyici bir kanıt olarak sonuçlar sunulmuştur. Bu tezin sonucunda, elektrikli pompaların üst kademe karma roket itki sistemleri için oldukça faydalı bir çözüm olduğu belirtilmiştir.