Yalıtım malzemelerinde aşınma modelleme çalışmaları

21.9.2020 15:02:00

Katı malzemenin, çevresel etmenler sebebiyle kademeli bir şekilde ortamdan uzaklaştırılmasına "aşınma" denmektedir. Mısır Beyaz Çöl’de bulunan Mantar Kayalar, Kapadokya’daki Peri Bacaları, Avustralya kıyılarında bulunan 12 Havari falezleri doğanın hava ve su etkisiyle gerçekleştirdiği aşınma örnekleri arasındadır.

Doğanın yüzyıllar içinde gerçekleştirdiği bu etkiyi roket motorlarında saniyeler içinde tecrübe etmekteyiz. Bunun sebebi roket yakıtının yanması neticesinde oluşan yüksek entalpili gaz karışımının büyük bir debi  ile yanma odası ve lüleden dışarıya akmasıdır.

Yanma odası ve lüle içerisinde mertebesi binlerce derece ile ifade edilen sıcaklık ve ses hızı üzerinde hızlara ulaşan yanma ürünleri, temasta oldukları tüm yüzeyleri kaçınılmaz olarak eritmeye ve aşındırmaya başlamaktadır. Şaşırtıcı şekilde, bu etki ısıya maruz kalan motor parçalarının korunması konusunda istenen bir fenomendir. Ancak, bu durum aşınma miktarının ve buna bağlı etkilerin öngörülmesi ihtiyacını da beraberinde getirmektedir.

Bu kapsamda, çeşitli ihtiyaçlara göre eniyilenmiş ve farklı detay seviyesinde sonuçlar üreten aşınma hesaplama araçları geliştirilmiştir. Aşınma kavramı çok yönlü olarak ele alınmalı ve sadece motor içerisindeki katı malzemelerin ortamdan uzaklaşması olarak düşünülmemelidir. Bu geliştirilen araçlar motor iç yalıtımı ve lüle gibi iç akışa maruz kalan bölgelerin analizlerinde kullanılmasının yanında dış akış sebebiyle erozyona uğrayan alt sistemlerde ve roket egzoz jetinin çarptığı deflektör gibi parçaların analizlerinde de kullanılmaktadır.

Aşınma ve Termal Analiz (ATA) ve Genelleştirilmiş Yüzey Termokimya (GYT)Programları

Bu program kömürleşen ya da kömürleşmeyen yalıtım malzemelerinin aşınma ve ısınma davranışının tahmini için tasarımın ilk aşamalarında, yalıtım kütle bütçesi hesaplamalarında birkaç saniye içerisinde sonuç almak amacıyla geliştirilmiştir. Bu sebeple termal analiz 1 boyutlu olarak gerçekleştirilir. ATA’nın kullandığı model için ABD'de uzun süre endüstri standardı olarak kullanılan Charring Material Ablation (CMA) programı referans alınmıştır.

ATA programı uygun girdiler kullanılarak (ısı akısı, yüzey entalpisi ve aşınma (B_c^') tabloları), herhangi bir koşuldaki (örn; Dünya/Mars atmosferine giriş) aşınma tahminini yapabilme yeteneğine sahiptir. ATA’nın roket motorları lülelerinde kullanılan grafit, karbon/silika fenolik yalıtımların aşınmalarını tahmin etmek için herhangi bir ek girdiye ihtiyaç duymayan özel bir sürümü de bulunmaktadır. Grafit ve karbon fenolik için literatürden aşınma modelleri kullanılırken, silika fenolik aşınması için yeni bir model geliştirilmiştir.

Modelin, grafit ve karbon fenolik aşınması için literatür ve ateşleme sonuçlarıyla %20'nin altında bir hata oranıyla aşınma tahmini yapabildiği gösterilmiştir. Silika fenolik içinse geliştirilen modelin doğruluğu yalıtım test motoru (Şekil 2), roket motoru ateşleme sonuçlarıyla ve MESA (Bölüm 3) kodu ile kıyaslanarak kanıtlanmıştır. ATA’nın ihtiyaç duyduğu aşınma tabloları, Roketsan’da geliştirilmiş, Genelleştirilmiş Yüzey Termokimya (GYT) programı ile oluşturulmaktadır.

GYT belirtilen sıcaklıkta, her bir kimyasal bileşik için denge reaksiyonlarını oluşturarak, yüzeydeki gazın kimyasal kompozisyonunu ve entalpisini, aşınma miktarlarını hesaplamakta ve tablolar hâlinde sunmaktadır. Model olarak NASA Ames ResearchCenter’ın geliştirmiş olduğu Multicomponent Ablation Thermochemistry (MAT) programı referans alınmıştır. GYT herhangi bir malzeme için hesaplama yapabildiğinden, olası yeni yalıtım malzemelerinin ya da farklı kaplamaların aşınma davranışının tahmin edilmesinde ihtiyaç duyulan bilgileri üretebilmektedir.

Roket motorlarında sıklıkla kullanılan grafit ve geçmişte roket burunlarında kullanılan silika malzemelerine ait aşınma grafikleri literatürle karşılaştırmalı olarak verilmiştir (Şekil 3, Şekil 4). Roket motorlarında kullanılan jet kanat malzemelerinin (örn; Tungsten ve C/SiC gibi malzemeleri) aşınma modellerinin oluşturulmasında GYT’den faydalanılması planlanmaktadır. GYT programı uygun kodlama ile SAKA (Bölüm 2) ile ya da başka HAD çözücüleriyle birlikte çalışabilir hâle getirilebilir durumdadır. Böylece yüzey aşınma termokimya çözümleri için indirgenmiş modellerin kullanılmasına gerek kalmayacaktır.

Yapılan çalışmalar sonucunda ATA ve GYT programlarıyla her tür koşul ve malzeme için hızlı aşınma ve termal analiz yapabilme yeteneği Roketsan’a kazandırılmıştır. Sıkıştırılabilir Akış ve Kimyasal Aşınma (SAKA) Bu model, roket lülesinde bulunan ve yüksek sıcaklıktaki yanma ürünlerine maruz kaldığında yüzeylerinde tepkimeler gerçekleşen malzemelerin (Örn; grafit, tungsten) aşınma miktarının hesaplanmasında kullanılmaktadır.

Bu araç yaklaşık 3 yıllık bir süreçte geliştirilmiş olup, akış ve katı analizi modeli olmak üzere iki kısımdan oluşmaktadır. Akış analizi modeli Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemlerini kullanılarak roket motorları içerisindeki yüksek enerjili gazların tepkime hızı, sıcaklık, basınç ve akış hızı gibi özelliklerini hesaplamaktadır. Hesaplanan bu değerler, katı analizi modeline giderek yüzeylerinde kimyasal tepkimeler gerçekleşen malzemelerin aşınması hesabı için kullanılmaktadır. Katı malzeme modeli, tepkimeler dolayısıyla gerçekleşen aşınmanın ve roket motoru gövdesinin ısınma miktarını hesaplamaktadır.

SAKA, iki boyutlu ya da eksenel simetrik geometriler için kullanılabilmektedir. Ayrıca, katı bölgelerde elde edilen sıcaklık dağılımı değerleri yapısal dayanım hesaplamalarına girdi sağlayabilmektedir. Kod, yalnızca roket motorlarının içerisindeki akış şartları için değil aynı zamanda yüksek hızlı dış akış şartları için de kullanılabilmektedir. Grafit malzemeden oluşan bir roket burnu konisinin sesüstü hızlardaki uçuşu sırasında süblimleşmesi bu tür problemlerin güzel bir örneğidir.

Bir dış akış testi için SAKA ile elde edilmiş çözümün sonucu Şekil 5’te örnek olarak gösterilmiştir. Analizler sonucunda malzeme sıcaklığı ve aşınma hızı değerlerinin istenen hassasiyette hesaplanabilmesi için katı malzemelerin ısıl özelliklerinin yeterli doğrulukta bilinmesi, yüzey tepkimelerinin ve tepkime hızlarının doğru tanımlanmış olması gerekmektedir. 

Analiz modeli, özellikle roket lülelerinin tasarım süreçlerinde, ateşleme sırasında lüle boğazlarının genişleme miktarının kestirimi için kullanılmaya oldukça uygundur. Statik ateşleme sonrası ölçümler ve literatürden alınan sonuçlarla karşılaştırmalarda özellikle görece uzun süreli malzeme tepkisi problemleri için hesaplanan değerin hatasının %10 seviyelerinde kaldığı görülmüştür.

Hataların sebeplerinin malzeme özelliklerinin yüksek sıcaklık mertebelerinde yeterli hassasiyette olmamasından kaynaklandığı değerlendirilmektedir. Ayrıca, yüzey aşınması termokimyası hesaplamalarında indirgenmiş modeller kullanılmaktadır.

Malzemeye göre değişkenlik gösteren yüzey pürüzlülüğü ihmal edilmektedir. Material Erosion and Stress Analysis (MESA) Programı Yüksek sıcaklıklara dayanan yalıtım malzemelerinin aşınma özelliklerinin belirlenmesi amacıyla Pennsylvania State Üniversitesi'nde 1992 yılında doktora çalışması kapsamında iki boyutlu malzeme erozyonu ve stres analizi (MESA) kodu geliştirilmiştir. Geliştirilen bu kod, BAE Systems (Amerika Savunma/ FMC Corp.) şirketinde cam/fenolik (İng. glass/phenolic) yapısına sahip ve yüksek sıcaklıklara maruz kalınan ortamlarda kullanılan yalıtım malzemelerinin yalıtım aşınma özelliklerinin tespit edilmesinde kullanılmıştır.

MESA kodu 2018-2019 yılları arasında gerçekleştirilen bir akademik çalışma kapsamında Roketsan bünyesinde kullanılabilir hâle getirilmiştir. Malzeme karakteristiğini analiz etmek için geliştirilen araçta, mekanik aşınma, termokimyasal aşınma, malzeme içerisindeki sıcaklık, basınç ve stres dağılımı hesaplanabilmektedir. Mekanik erozyon ve termokimyasal erozyon bir arada gerçekleşmekte ve birbirlerini etkilemektedir. Bunun nedeni parçacıkların termokimyasal aşınmaya dahil olması, termokimyasal aşınmanın da erozyona yardım etmesidir. Bu modelde, elde edilen parçacık ve termal çarpmanın etkisi için, mekanik özellikler sabit alınmıştır.

Literatürde bulunan Yang Grafit numune için SAKA ile elde edilmiş analiz sonuçları ile karşılaştırıldığı zaman termokimyasal aşınma, yalıtım malzemesinin anlık yüzey konumu ve mekanik aşınma grafikleri elde edilmiştir (Şekil 6-8). Mekanik aşınmanın hesaplanması esnasında alüminyum oksit parçacıkların hızları, dağılımları ve çarpma açıları HAD çözümü ya da testlerden elde edilen verilere göre girilmektedir. Malzemenin bozunma sıcaklığına kadar termokimyasal aşınmanın gerçekleşmediği kabulü yapılmaktadır. Buraya kadar parçacık etkisinden dolayı sadece mekanik aşınmanın gerçekleştiği, termokimyasal aşınmanın henüz toplam aşınmaya katkısının olmadığı kabulü yapılmıştır.

Yalıtım malzemesinin bozunma sıcaklığına geldiği andan itibaren ise termokimyasal aşınmanın da etkisi dahil edilmektedir. MESA kodu ile yapılan sayısal çalışmanın deneysel veri ve bir boyutlu yalıtım aşınması tahmin aracı (ATA) ile karşılaştırılması Şekil 2’de gösterilmektedir. Grafikteki x ekseni yalıtım test motorunun konum bilgisini göstermekte, y ekseni ise bu konumda gerçekleşen aşınma hız değerini ifade etmektedir. Denek taşı olarak yalıtım test motoru seçilmiştir. Test için aşınma hızı değeri, test öncesi ve sonrası ölçülen değerlerin farkının toplam süreye bölünmesi şeklinde hesaplanmaktadır.

Sonuç 

Roketsan Operasyonlar ve Enerjijk Sistemler (OES) tasarım ve modelleme ekipleri tarafından çeşitli ihtiyaçlara yönelik farklı yeteneklere sahip aşınma araçları (ATA, GYT, SAKA, MESA) geliştirilmiş, doğrulanmış ve kullanıma alınmıştır. Bu kapsamda, Sevk Sistemleri Tasarım Müdürlüğü, özellikleri tanımlanabilen malzemeler için gerek iç gerekse dış akış kaynaklı aşınma miktarlarını hesaplama kabiliyetine sahip olmuştur.

Kaynak: Roketsan Dergi 17. sayı / Kıdemli Uzman Mühendis Dr. Oğuz Kaan Onay / Yönetici Mühendis Emir Bediğ Acar / Yönetici Mühendis Korhan Coşkun / Lider Mühendis Dr. Özen Atak


En Çok Okunan Haberler