Kongrul - 1 ve Semruk - 4 Kurtarma Sistemi

RAPTOR

Kurtarma Sistemleri Genel Yapısı

Ayrılma sistemi adından da anlaşılabileceği üzere roketin belirli kısımlarının ayrılmasını sağlamaktadır. Genellikle gövdelerin ya da burun konisinin ayrılmasını gerçekleştirmektedir. Bu ayrılma için mekanik, sıcak gazlı ve soğuk gazlı sistemler yaygın olarak kullanılmaktadır. Sistemin seçiminde hız değerleri, ağırlık ve irtifa belirleyicidir. Bunlardan en önemlisi roketin irtifasıdır. Genel olarak sıcak gazlı sistemler roketin iç yapısında yer alan diğer sistemlere ve paraşütlere zarar verdiğinden dolayı tercih edilmemektedir. Ayrıca bu sistemler yüksek irtifa roketlerinde belirsizliğe sebep olabilmektedir. Bunun yanı sıra soğuk gazlı sistemler rokete minimum zarar veren, ayrılmayı diğer sistemlere göre çok daha garanti eden sistemlerdir. Genellikle soğuk gaz olarak CO2 tercih edilmektedir. Biz de Semruk-4 roketimizde CO2 gazlı bir sistem olan Raptor sistemini tercih etmekteyiz.

Raptor, 2020 yılı projelerimizden olan Semruk-3 roketinde de kullanılmıştır. Semruk-3 Aviyonik ve Kurtarma yazısından gerekli bilgilere ulaşabilirsiniz. Semruk-4 için kullanılan hali geçtiğimiz yıl kullanıdığımızın optimize edilmiş halidir.

Raptor’un Montaj Aşamaları

Sistemde yer alan CO2 tüpü, içerisinde sıkıştırılmış 16 gram CO2 gazı içermektedir. Bu parça ağız kısmında yer alan dişler ile 2 numaralı parçaya montajlanacaktır. 4 numaralı parçanın iç kısmına barut ve kibrit başı yerleştirilecektir. Ardından 4 numaralı parça 1 numaralı parçanın içine geçecektir. 3 numaralı parça 4 numaralı parçanın üzerine yerleştirilecektir. 5 numaralı parça 3 numaralı parçaya şekilde gösterildiği konumdan oturtulacaktır. Ardından 1 numaralı parça 2 numaralı parçanın içine dişleri yardımıyla montajlanarak sistemin montajı tamamlanacaktır.

Raptor Çalışma Mekanizması

Semruk-4 roketinde; burun konisinin ve gövdelerin ayrılmasını sağlamak için iki aşamada da ikişer adet toplamda dört adet raptor kullanılmıştır. Sistemde CO2 tüpünü delmesi amacıyla delici uç barut ile tahrik edilmektedir. Barut 4 numaralı parçaya kibrit başı ile yerleştirilmektedir. Ardından gerekli koşullar sağlandığında (irtifa, basınç, dönme açısı vb.) aviyonik sistemden gelen sinyal ile kibrit başı tutuşacak ve barutun patlaması sağlanmaktadır. Barutun patlamasıyla fırlayan delici uç CO2 tüpünün ağzını delerek gazın boşalmasını sağlamaktadır. Çıkan gaz 2 numaralı parçada yer alan deliklerden roket gövdesine geçerek yüksek basınca sebep olmaktadır. İç basınçtan kaynaklı kuvvetin, dış basınçtan kaynaklı kuvvet ile sürtünme kuvvetlerinin bileşkesinden yüksek olması sebebiyle istenilen bölümlerin birbirinden ayrılması sağlanmaktadır. Delici uç yay yardımıyla eski konumuna geri dönmektedir. Barutun dökülmemesi amacıyla 4 numaralı parçanın altındaki delik kibrit başı yerleştirildikten sonra epoksi ile, üst kısmı da barut yerleştirildikten sonra yapışkan kâğıt ile kapatılmaktadır.

Barutun dökülmemesi amacıyla 4 numaralı parçanın altındaki delik kibrit başı yerleştirildikten sonra epoksi ile, üst kısmı da barut yerleştirildikten sonra yapışkan kâğıt ile kapatılmaktadır.

Sistemin İmalatı Sistemin çoğu parçası tabloda gösterildiği üzere Alüminyum-6061 ya da elde edilebilirse mukavemet değerleri daha yüksek bir alüminyum serisinden imal edilmiştir. Yay için yaygın olarak kullanılan alaşımlı yay çeliği tercih edilmiştir. Sistemde kullanılacak yay hariç tüm parçaların CNC torna ile işlenmesi planlanmaktadır. Bu konuda İstanbul ve çevresinde bu parçayı üretebilecek çok sayıda firma mevcuttur. Barut Miktarının Bulunması Barut miktarının hesaplanmasında net değerler vermese de ideal gaz yasası esas alınır [1]. İdeal gaz yasasına göre;

Yani basınç ile hacmin çarpımı, malzemenin kütlesi, malzemeye özgü ideal gaz sabiti ve yanma sıcaklığının çarpımına eşittir. Barut miktarı hesaplamalarında genellikle ABD kaynakları kullanıldığından birimler İngiliz Birim Sisteminde verilmiştir. Fakat bu raporda birimler SI Birim Sistemine dönüştürülmüştür. Formülde m değerini yalnız bırakırsak denklem şu hale gelir:

R değerini 53.4293 Newton * mm / (gram * C), sıcaklığı da 4133.75 C olarak almaktayız [2]. Bu durumda denklem son olarak şu hale gelir:

Bu denklem her ne kadar gerçeğe yakın sonuçlar verse de tüpün ağzını delmek için gerekli olan basıncın hesabını yapamamaktayız. Bu sebepten deneysel yollara başvurulmuştur. Sırasıyla 0.5, 0.8, 1, 1.2, 1.5 ve 2 gram barut kullanılarak yapılan deneylerde 1.2 gramın açmak için yeterli olduğu sonucuna varılmıştır. Sistemin açılmasını daha da garanti edeceğinden ve tasarım aşamasında aşırı güvenilirlik prensibine uyduğumuzdan 1.5 gram barut kullanmak daha mantıklıdır. 2 gram barut kullanılarak gerçekleştirilen deneyde ise delici uç tüp ile birlikte sistemi tıkamış ve sistem demonte edilememiştir.

TENDER DESCENDER

Genelde roket tasarımı yapılırken bir maksimum irtifada bir de 500 m (ortalama) irtifada iki farklı ayrılma iki farklı bölmeden gerçekleşir ancak Tender Descender iki ayrılmanın da tek bir bölmeden gerçekleşmesine olanak sağlar. Böylece roket içinde alandan tasarruf sağlanır. Ayrıca sistemi seçmemizin bir başka nedeni ise çok hafif olmasıdır. Ortalama 130 gram ağırlığı ile roket içinde gereksiz ağırlığa sebep olmayacaktır. Tender Descender ile ayrılmayı istediğimiz zaman gerçekleştirebilmek için gerekenler bir adet altimetre ve bir adet kibrit başıdır. Birçok avantajından dolayı ticari olarak satışı yapılmakta ve birçok yurt dışı takımı tarafından kullanılmaktadır. Tender Descender Avantajları

Rokette tek bir bölmeden ayrılma olacağı için roketin boyu kısaltılabilir. Bunun yanında ayrılma tek bir bölmeden gerçekleştiğinde mapa, karabina sayısı azaltılabilir ve roket ağırlığı azaltılmış olur.
Sistem tek bir elektrik ateşleyici kullanılarak devreye sokulabileceğinden kullanışlıdır.

Sistem Yapısı

Çalışma Mekanizması

Resimde gösterildiği gibi III numaralı parakord ip gövde içindeki mapaya bağlanacaktır. V numaralı parakord ip ise sürüklenme paraşütüne bağlanacak ve sürüklenme paraşütü II numaralı sistemdeki pimlere bir çekme kuvveti uygulayacaktır. Rokette ayrılma işlemi devreye girdiği zaman sürüklenme paraşütü tender descender ve ana paraşütle beraber dışarı çıkacak ve sistem hazır hale gelecektir. Aviyonik sistem sayesinde istenilen zamanda I numaralı kibrit başı ateşlenerek barut patlatılacaktır. Bu sayede pimlerle birlikte bağlantı tutucusu yuvadan ayrılacak ve sürüklenme paraşütü ile ana paraşüt arasındaki bağ koparılacaktır. Bağ kopunca sürüklenme paraşütü ana paraşütün kılıfını IV numaralı ipi çekerek açacak, ana paraşüt serbest kalacak ve böylece kurtarma işlemi gerçekleşmiş olacaktır. (Barutun patlatılması işlemine ileriki kısımda ayrıntılı olarak değinilecektir.)

Tender Montaj Aşamaları

5 numaralı bölgeden kibrit başı yerleştirilir.
1 numaralı bölmeye barut konulur. Kullanılacak barut miktarı yaklaşık olarak 0,1 gram seçil-miştir.
3 ve 4 numaralı karabinalar yerlerine yerleştirilir.
Bağlantı tutucu monte edilerek sistemin montajı tamamlanır.

Sistemin Analizi Malzemeler

2 adet ¼ inç paslanmaz çelik karabina (1 tanesi 34 g) 1 adet alüminyum 6061 Yuva (49,73 g) 1 adet polietilen bağlantı tutucusu tıpası (1,09 g) 1 adet AISI 304 bağlantı tutucusu (8 g) 2 adet sıcak iş çeliği M5 pim (0,85 g) 1 adet ST37 çelik M3 pim (0,15 g) Analiz Detayı 4 adet mesh sırası küçültülerek analizler yapılmıştır. Ortalama bir roket ağırlığı girerek (35240 gram) sürüklenme paraşütünün oluşturacağı şok kuvvetini hesapladık. Elde ettiğimiz bu değeri Tender Descenderda sağdaki cıvatadan uyguladık (500 N). İlk analizimiz 3+2 (kontrol) mm mesh uygulanarak yapılmıştır. Emniyet katsayımız 32,6067 dür.

İkinci analizimiz 2,5+2(kontrol) mm mesh uygulanarak yapılmıştır. Hata payımız 0,57% ve emniyet katsayımız 32,7914 tir.

Üçüncü analizimiz 2+1.5(kontrol) mm mesh uygulanarak yapılmıştır. Hata payımız 0,80% ve emniyet katsayımız 32,5284 dür.

Dördüncü analizimiz 2+1.4(kontrol) mm mesh uygulanarak yapılmıştır. Hata payımız 1,18%’dir ve emniyet katsayımız 32,9106’dır.

Bulduğumuz değer Excel tablosunda düzenli olarak gösterilmiştir.

Üretilmiş olan Tender Descenderlerin pim kısımlarında bir değişikliğe gidilmiştir. Montaj kolaylığı sağlamak amacıyla pimlerin üst kısımlarına diş açılmıştır. Bu dişlerden somunlar atılarak sistemin montajı sağlanmaktadır.

PARAŞÜT MEKANİĞİ VE DÜŞÜŞ HESAPLAMASI

Paraşüt mekaniğinde limit hız hesabı esas alınmaktadır. Şu formülle hesaplanmaktadır.

Bu denklemde alan yalnız bırakılarak paraşüt çapının eldesi mümkündür. Ancak sürüklenme katsayısının deneysel bir veri olmasından dolayı üretimden sonra paraşütün test edilip tam performansını o şekilde öğrenmek gerekmektedir. Takımımız yukarıdaki denklemi kullanarak ve irtifaya bağımlı olarak değişiklik göstern parametreleri göz önünde bulundurarak (yerçekimi ivmesi ve hava yoğunluğu) roketin apoje anından sonraki düşüş süresini MATLAB Simulink ile modellemiştir. Apojeye çıkma süresi Openrocket programından alınmıştır. Aşağıda bu simulink programının şeması görülmektedir.

KONGRUL - 1

Faydalı Yük Paraşütü

Kongrul-1 roketinin sahip olduğu faydalı yükün ağırlığı 4 kilogramdır. “Hemispherical” tipte paraşüt kullanılmasına karar verilmiş olmasının başlıca sebepleri şunlardır: Üretilmesi ve kalıbının çıkartılması kolaydır, subsonic alçaltıcı olarak kullanıma uygundur ve 0.6-0.8 aralığında Cd katsayısına sahiptir. 4 kilogram ağırlığındaki yükü TEKNOFEST şartnamesinde belirtilen hız olan 9 m/s hıza ulaştırmak için 92,3 santimetre Dc çapına sahip bir paraşüt seçilmesi uygun görülmüştür. Dikiş payı 2 santimetre, dilim sayısı 8 ve kubbe deliği çapı 9.23 santimetredir. Bu değer TEKNOFEST hakemlerince uygun görülen 1/10’luk orana göre tasarlanmıştır. İmalatında dayanıklılığı arttırmak için naylon ip ile dikiş atılmıştır. Kumaş seçimi olarak Amerikadan temin ettiğimiz renkli Ripstop kumaşlar kullanılmıştır. Yaptığımız testler sonucu paraşüt üzerine binen şok kuvvetinin yaklaşık bir değerini elde ettik. Bu kuvvetin paraşütü yırtmasını engellemek için paraşütün radyal dikişlerine, etek çevresine ve kubbe deliği çevresine perlon iplerden destek diktik. (İlerleyen süreçlerde elde ettiğimiz teorik bilgiler doğrultusunda Cd katsayısının 1.33 kabul edilmesinin matematiksel tasarım yapıldığında daha doğru bir kabul olduğunu öğrendik. Bu yüzden yapılan tasarımlarda bu kabulun yapılmasını öneriyoruz.)

ANA PARAŞÜT

Kongrul-1 toroidal tipte bir ana paraşüte sahiptir. Bu şekli sağlamak için paraşütün kubbe deliğine paraşüt ipleri bağlanmış ve bir riser yardımı ile kubbe deliğinin aşağıya doğru çekilmesi sağlanmıştır. Bu işlem özünde paraşütün sürüklenme potansiyelini ortaya çıkartan Dp çapını büyütür. Böylelikle paraşütün sağladığı sürüklenme kuvvetinde artışa neden olur. 186,46 santimetre Dc çapına, 18,64 santimetre kubbe deliği çapına sahip olan paraşütümüz 10 adet dilimden oluşmaktadır. Bu değerlerin seçilmesindeki etken yakıtın bitmesinden ve apojede gerekli parçaların ayrılmasından sonra geriye kalan ağırlık olan 20.848 gramın 9 m/s ile yere güvenli iniş yapabilmesini sağlayacak olmasıdır. İmalatında dayanıklılığı arttırmak için naylon ip ile dikiş atılmıştır. Kumaş seçimi olarak Amerikadan temin ettiğimiz renkli Ripstop kumaşlar kullanılmıştır. Yaptığımız testler sonucu paraşüt üzerine binen şok kuvvetinin yaklaşık bir değerini elde ettik. Bu kuvvetin paraşütü yırtmasını engellemek için paraşütün radyal dikişlerine, etek çevresine ve kubbe deliği çevresine perlon iplerden destek diktik. (İlerleyen süreçlerde elde ettiğimiz teorik bilgiler doğrultusunda Cd katsayısının 1.33 kabul edilmesinin matematiksel tasarım yapıldığında daha doğru bir kabul olduğunu öğrendik. Bu yüzden yapılan tasarımlarda bu kabulun yapılmasını öneriyoruz.)

SÜRÜKLENME PARAŞÜTÜ

Kongrul-1 78,1 santimetre Dc çapında bir sürüklenme paraşütüne sahiptir. Bu paraşütün amacı apojede açılarak roketimizin düşüş hızını 25 m/s değerine sabitlemektir. 600 metreye kadar bu hızı koruyacak olan roketimiz daha sonra ana paraşütünü açacaktır. Bu çapın seçilmesindeki neden yakıtın bitmesinden ve apojede gerekli parçaların ayrılmasından sonra geriye kalan ağırlık olan 20.848 gramın 25 m/s hıza yavaşlatılması için bu değerlerin uygun olmasıdır. Paraşütün apojede açılması için geçen süre göz öünde bulundurulduğundan radyal dikişlerine, etek çevresine ve kubbe deliği çevresine perlon ipten destek elemanları dikilmiştir. Kumaşı Ripstop naylondur. Kubbe deliği çapı 7,81 santimetre dilim sayısı 6’dır. (İlerleyen süreçlerde elde ettiğimiz teorik bilgiler doğrultusunda Cd katsayısının 1.33 kabul edilmesinin matematiksel tasarım yapıldığında daha doğru bir kabul olduğunu öğrendik. Bu yüzden yapılan tasarımlarda bu kabulun yapılmasını öneriyoruz.)

BAĞLANTI ELEMANLARI

Paraşüt sisteminin bağlantı elemanları: Karabina, fırdöndü, mapa, paraşüt ipleri ve şok kordonudur. Kullandığımız tüm bağlantı elemanları sertifikalı olup roketimizin maruz kalacağı değerlerin çok daha yükseğine dayanabilmektedirler.

Karabina Kullandığımız karabinalar DECATHLON’dan satın alınmıştır. 22kN çekme dayanımı vardır.
Fırdöndü Kullandığımız fırdöndüler Meydan AVM’den alınmıştır. 30kN çekme dayanımı vardır.
Mapa Kullandığımız mapalar M6 boyutundadır. Mukavemet değeri daha iyi olduğundan özellikle döküm olanları tercih edilmiştir.
Paraşüt İpleri Paraşüt iplerimizin her birisinin üstüne maksimum 30kg kuvvet bineceği hesaplanmıştır. Bizim elimizdeki 4mm paracord ipler yaptığımız testlerde 70kg’a kadar dayanıklılık göstermiştir.
Şok Kordonu Şok kordonu olarak dinamik ip tercih edilmiştir. Dinamik iplerin en önemli özelliği şok kuvvetine maruz kaldıkları zaman belli bir miktarda esneyerek sokun bir kısmını emmeleri ve kopmamalarıdır. Meydan AVM’den aldığımız dinamik ip Béal markadır ve 4,9kN laboratuvar onaylı çekme dayanımı vardır. Uzunluğunun %10’u kadar esneme yaparak şoka karşı dirençlidir. Unicord ip düzenine sahiptir. Bu birden fazla ipin helisel bir şekilde kalın bir ipin etrafına sarılması anlamına gelmektedir.

3 HALKA MEKANİZMASI

3 Halka mekanizması tamamen mekanik prensipler üzerine kurulmuş basit bir kilit sistemidir. Askeriyede tercih edilmekte olan bu sistem roketimizde faydalı yükün sürüklenme paraşütünü dışarıya çekip açılmasını sağlamak için kullanılmaktadır.

Sistem kilitli halde iken, dikey eksende olan kuvvetler kilit ipi kilit eklemini yatayda sabitleyerek hareketine izin vermediği için, yüksek kuvvetlere maruz kalmasına rağmen açılmamaktadır. Yaptığımız testlerde 60kg kuvvete sistemin dayandığı saptanmıştır. Ancak animasyondaki gibi kilit ipi kilit ekleminden çıktığı anda dikeydeki en küçük kuvvet sistemi açmaktadır ve serbest bırakmayı gerçekleştirmektedir. Yaptığımız testlerde bu kuvvetin 1kg dan daha az kuvvetler olduğunu defalarca kanıtladık.

SEMRUK 4

FAYDALI YÜK PARAŞÜTÜ

Faydalı yük paraşütü, ayırma sisteminin aviyonik tarafından tetiklenmesiyle apojede açılır ve misyonu faydalı yük aviyoniğini de içeren 4 kg faydalı yükü yere 9 m/s hızla indirmektir. Paraşüt, imalatı ve tasarımı kolay olmasından dolayı “Hemispherical” şeklinde üretilmiştir. Paraşüt 0.6-0.8 aralığında Cd katsayısına, 92.3 santimetre Cd çapına, 8 dilim sayısına ve TEKNOFEST hakemlerince uygun görülen 1/10’luk oranla 9.23 kubbe deliğine sahiptir. İmalatında Amerika’dan temin ettiğimiz Ripstop kumaş ve dikişlerinde ise naylon ip kullanılmıştır. Elde ettiğimiz şok verilerine dayanarak dikişlerin yırtılmasını önlemek radyal dikişlere, kubbe deliği çevresine ve etek çevresine perlon iplerden destek diktirdik. (İlerleyen süreçlerde elde ettiğimiz teorik bilgiler doğrultusunda Cd katsayısının 1.33 kabul edilmesinin matematiksel tasarım yapıldığında daha doğru bir kabul olduğunu öğrendik. Bu yüzden yapılan tasarımlarda bu kabulun yapılmasını öneriyoruz.)

ANA PARAŞÜT

Ana paraşüt, “Hemispherical” şekile sahip olup ayırma sisteminin aviyonik tarafından tetiklenmesi ile 600 metrede açılır ve rokette ana yavaşlatıcı olarak 9 m/s ile inmesini sağlar. Paraşüt 0.6-0.8 aralığında Cd katsayısına, 198.8 santimetre Cd çapına, 10 dilim sayısına ve 19.8 santimetre kubbe deliğine sahiptir. İmalatında Ripstop kumaş ve dikişlerinde naylon ip kullanılmıştır. Dikişlerin yırtılmasını önlemek radyal dikişlere, kubbe deliği çevresine ve etek çevresine perlon iplerden destek diktirdik. (İlerleyen süreçlerde elde ettiğimiz teorik bilgiler doğrultusunda Cd katsayısının 1.33 kabul edilmesinin matematiksel tasarım yapıldığında daha doğru bir kabul olduğunu öğrendik. Bu yüzden yapılan tasarımlarda bu kabulun yapılmasını öneriyoruz.)

SÜRÜKLENME PARAŞÜTÜ

Apojede açılan paraşüt roketi 600 metreye kadar 25 m/s sabit hızla yavaşlatıcı görevi görmektedir. “Hemispherical” şekile sahip olup 0.6-0.8 aralığında Cd katsayısına, 71 santimetre Cd çapına, 6 dilim sayısına ve 7.1 santimetre kubbe deliğine sahiptir. (İlerleyen süreçlerde elde ettiğimiz teorik bilgiler doğrultusunda Cd katsayısının 1.33 kabul edilmesinin matematiksel tasarım yapıldığında daha doğru bir kabul olduğunu öğrendik. Bu yüzden yapılan tasarımlarda bu kabulun yapılmasını öneriyoruz.)

BAĞLANTI ELEMANLARI

Paraşüt bağlantı elemanları karabina, fırdöndü, mapa, paraşüt ipleri ve şok kordonundan oluşmaktadır. Temin ettiğimiz tüm ürünler sertifikalı ürünler olarak maruz kaldığımız kuvvetlere dayanabilmektedir.

1- Karabina

Rocky Simond marka 22 kN dikey 8 kN yanal yüklere dayanabilen vidalı karabina kullanılmıştır.

2- Fırdöndü

Climbing Technology marka 24 kN yüke dayanabilen fırdöndü kullanılmıştır.

3- Mapa

M6 döküm mapa kullanılmıştır.

4- Paraşüt İpleri

Elimizde bulunan 4mm paracord ipler kullanılmıştır. Paraşüt iplerimize uyguladığımız testler sonucu 70 kg’a kadar dayanabildiği verisini elde ettik. İstediğimiz dayanımın üstünde bir dayanım olduğu için elimizdeki ipleri kullandık.

5- Şok Kordonu

Şok kordonu olarak dinamik ip tercih edilmiştir. Dinamik ipler maruz kaldığı şokları sönümleme özelliğinden ve sertifika olmasından dolayı tercih edilmiştir. Beal marka 4,9 kN dayanımında 6.8 mm kalınlığında dinamik ip tercih edilmiştir.