Semruk-3 Yapısal

1. Aerodinamik

Semruk-3 roketi, en az 4 kg'lık bir faydalı yükü 3000 m'ye çıkarmayı hedefleyen bir sonda roketidir. Bu hedefe ulaşmakta etkili olan en önemli faktörlerden biri roketin aerodinamik tasarımıdır.

Sonda roketlerinde aerodinamik tasarımda dikkat edilmesi gereken başlıca konular uçuş boyunca stabilite ve sürtünme katsayısıdır. Bu iki unsur istenen değerlere yakın olmazsa roket rotasından çıkabilir veya hedeflenen irtifaya ulaşamayabilir.

1.1 Stabilite

Serbest bir cisim dönme hareketini ağırlık merkezi etrafında gerçekleştirir. Bu dönme hareketini oluşturacak aerodinamik kuvvetler ise roketin basınç merkezinden etki eder. Ağırlık ve basınç merkezi arasındaki fark roketin moment koludur. Stabilite ise moment kolunun roketin çapına oranıdır.

Roketin burnuna göre basınç merkezi ağırlık merkezinin altında olmalıdır. Aksi durumda roket fırlatıldıktan hemen sonra baş aşağı dönebilir. Uçuş boyunca ağırlık merkezi ve basınç merkezi yer değiştirdiği için stabilite değeri de değişmektedir. Teknofest 2020 Roket Yarışması'nda bu değerin 1,5 ile 3 arasında olması şart koşulmuştur.

Ekibimiz bu değerlere ulaşmak için OpenRocket simülasyon programını kullanmıştır.

1.2 Sürtünme Katsayısı

Sürtünme katsayısı, maddenin akışkan bir ortamda nasıl bir dirence maruz kalacağının göstergesidir. En doğru yöntem aracın modelini rüzgar tünelinde test etmektir. Ancak bu test yöntemi zor ve pahalı olduğu için çoğu çalışma CFD, yani hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemiyle yürütülür.

Bu yöntem sayesinde aracın modeli bilgisayar ortamında farklı akış koşulları altında incelenebilir. Roket geometrisi, burun konisi, kanatçıklar ve gövde üzerindeki akış dağılımı sürtünme katsayısını doğrudan etkiler.

2. Burun Konisi

Burun konisi, roketin uçuş sırasında hava ile ilk temas eden parçasıdır. Bu nedenle aerodinamik sürtünmenin azaltılması ve akışın gövde boyunca düzenli ilerlemesi için kritik öneme sahiptir.

Semruk-3'te burun konisi tasarımında aerodinamik performans, üretilebilirlik ve yapısal dayanım birlikte değerlendirilmiştir. Tasarım sürecinde CAD modelleme ve analiz çalışmaları kullanılmıştır.

3. Gövde

Roketin gövdesi; motor, aviyonik sistem, kurtarma sistemi ve faydalı yük gibi ana bileşenleri taşır. Bu nedenle gövde tasarımında hafiflik ve dayanım dengesi gözetilmiştir.

Kompozit malzemeler, yüksek özgül dayanım değerleri sayesinde roket gövdelerinde sıkça tercih edilir. Semruk-3 yapısal tasarımında da kompozit gövde yaklaşımı, üretim yöntemi ve bağlantı bölgelerindeki yük aktarımı açısından değerlendirilmiştir.

4. Kanatçıklar

Kanatçıklar roketin uçuş stabilitesini sağlayan en önemli yapısal ve aerodinamik elemanlardandır. Kanatçık geometrisi; basınç merkezi konumu, sürtünme katsayısı ve roketin dönme davranışı üzerinde etkilidir.

Kanatçıkların gövdeye bağlantısı, uçuş sırasında oluşan aerodinamik kuvvetlere ve titreşimlere dayanacak şekilde tasarlanmalıdır. Bağlantı bölgesinde malzeme seçimi, yapıştırma yüzeyi ve mekanik destekler dikkatle ele alınmalıdır.

5. Aviyonik Bölme

Aviyonik bölme; uçuş bilgisayarı, sensörler, haberleşme sistemi ve kurtarma sistemini tetikleyen elektronik bileşenleri içerir. Bu bölümün tasarımında elektronik kartların güvenli konumlandırılması, kablolama düzeni, titreşim dayanımı ve erişilebilirlik önemlidir.

Aviyonik bölme aynı zamanda roketin ayrılma ve kurtarma operasyonlarında görev alan mekanizmalarla birlikte çalışır. Bu nedenle yapısal tasarım ile aviyonik ihtiyaçlar birlikte değerlendirilmelidir.

6. Motor Bağlantısı

Motor bağlantısı, roketin en yüksek eksenel yüklerine maruz kalan bölgelerden biridir. Motorun itki kuvveti bu bölgeden gövdeye aktarılır. Bu nedenle motor yatağı, bağlantı elemanları ve yük aktarım yüzeyleri güvenli olacak şekilde tasarlanmalıdır.

Motor bağlantısında kullanılacak malzemelerin sıcaklık, titreşim ve eksenel kuvvetlere dayanabilmesi gerekir. Bağlantı elemanlarının gevşememesi ve motorun uçuş boyunca eksenel hizasını koruması kritik önemdedir.

7. Kurtarma

Roketlerin maliyeti düşünüldüğünde, roketin aynı görevlerde yeniden kullanılabilmesi için başarılı kurtarma yapmak neredeyse bir zorunluluk halini almıştır. Yakın zamana kadar roketlerin dikey iniş yapabilmesi mümkün olmadığından kurtarma işlemi paraşütlerle gerçekleştirilmekteydi ve paraşütler bu alanda hâlâ etkin şekilde kullanılmaktadır.

Limit hız formülü atmosfer içerisinde düşen her cisim için geçerlidir. Bu formül, serbest düşen cisimlerin belirli bir hıza ulaştıktan sonra sabit hızla hareket edeceğini gösterir. Paraşüt çaplarının hesaplanmasında bu formül esas alınır.

Sürtünme katsayısı atmosferin yoğunluğuna, paraşütün hava ile temas eden gerçek yüzey alanına ve paraşütün biçimine bağlıdır. Birçok farklı tipte paraşüt bulunmaktadır ancak en yaygını yarım daire formudur.

Semruk-3'te üç adet paraşüt bulunmaktadır:

1. Faydalı yük paraşütü
2. Sürüklenme paraşütü
3. Ana paraşüt

Kurtarma iki aşamada gerçekleşir. İlk aşamada roket zirveye ulaşır ve sürüklenme paraşütü açılır. İkinci aşamada roket belirli bir irtifaya ulaşır ve bu irtifada ana paraşüt açılır. Ardından roket güvenli bir şekilde yere iner.

7.1 Faydalı Yük Paraşütü

Faydalı yük paraşütü, faydalı yükün gövdeden ayrıldıktan sonra yere güvenli şekilde inebilmesi için hızını yaklaşık 9 m/s'ye sabitler. Faydalı yük ve faydalı yük bilgisayarının toplam ağırlığı yaklaşık 4 kg'dır. Bu bilgiler çerçevesinde yarım daire formunda ve 160 cm çapında paraşütün yeterli olduğu görülmüştür.

7.2 Sürüklenme Paraşütü

Sürüklenme paraşütü roket zirveye ulaştığında açılır ve roketin belirli bir irtifaya kadar sabit bir hızda düşmesini sağlar. Semruk-3 roketimizin faydalı yüksüz kuru ağırlığı yaklaşık 25 kg'dır. Yarım simit formunda ve 120 cm çapında bir sürüklenme paraşütü, roketin 25 m/s hızla düşmesi için yeterlidir.

7.3 Ana Paraşüt

Ana paraşüt 600 m irtifada açılır. Yarım simit formunda ve 250 cm çapında bir ana paraşüt, roketin 9 m/s hızla düşmesi için yeterlidir.

7.4 Paraşüt İpleri

Paraşüt ipleri olarak 3 mm çapında paracord ip kullanılmıştır. Bu ipler resif düğüm oluşturacak şekilde bağlanır ve uçları halka olacak şekilde dikilir. Alt kısımdaki ipler de aynı şekilde dikilerek karabinaya geçirilir.

Paracord iplerin kullanılmasının sebebi dayanıklı olmalarıdır. Genellikle paracord 550 type III tercih edilir. Diğer ip çeşitleri olarak karbon fiber veya aramid destekli ipler de kullanılabilir.

7.5 Paraşüt Kumaşı

Tüm paraşütlerde ripstop naylon kullanılmıştır. Bu kumaş, polyester, ipek ve kanvas gibi kumaş türlerine göre dayanım/ağırlık konusunda daha başarılıdır. Yırtılmaz ve hava geçirmez yapıdadır. Naylon lifler ile yırtılmaz kumaş olacak şekilde dokunur.

Hava ve su geçirmezliği sağlamak için genellikle kaplama yapılır. Bu kaplama güneşten ve çeşitli kimyasallardan etkilendiği için kumaşın uygun şartlarda korunması önemlidir.

7.6 Karabina

Karabina; içinde yay barındıran, kolaylıkla takılıp çıkarılabilen ve çeşitli şekillerde bulunan bir bağlantı elemanıdır. Çelik ve alüminyum gibi malzemelerden üretilmektedir. Paraşüt iplerini fırdöndüye bağlamak için kullanılır. Vidalı türleri daha güvenlidir.

7.7 Mapa

Mapa, gövde bileşenlerine paraşütün bağlanabilmesi için gövdeye montajlanan bir bağlantı elemanıdır. Yarışmalar, genellikle dinamik yüklemelere maruz kalacak parçaların dövme çelik olmasını önermektedir. Döküm olması gevrekliği artırdığından dinamik yüklemelerde kırılmasına sebep olabilir.

7.8 Fırdöndü

Paraşüt açıldıktan sonra hava akımlarının etkisiyle dönmeye başlar. İplerin bu dönme etkisiyle kopmasını veya dolaşmasını engellemek amacıyla fırdöndü kullanılır. Birbirine geçen ve dönebilen iki parçadan oluşur.

Paraşüt ile gövde arasında belirli bir mesafe olmalıdır. Aksi halde paraşüt yeteri miktarda hava ile temas edemez ve beklenilenden daha düşük direnç göstererek roketin yere daha hızlı düşmesine sebep olur. Bu yüzden paraşüt ipinin uzunluğu, paraşüt çapının 5-10 katı olmalıdır.

Paraşüt ve gövde arasında kullanılan ipe terminolojik olarak şok kordonu denir. Şok kordonları temel olarak içinde elastik bir merkez bulundurur ve dış kısmı ipler ile kaplıdır. Küçük boyutlu roketlerde bu tür malzemeler yeterli olsa da daha büyük roketlerde yeterli güvenliği sağlamayabilir. Bu nedenle şok kordonu olarak perlon ipler, güvenlik halatları veya 5 mm'den kalın paracord halatlar kullanılmaktadır.

Yarışmada Karşılaşılan Sorunlar

2020 Teknofest Roket Yarışması'nda kullandığımız kurtarma sisteminde çeşitli sorunlarla karşılaştık. Bunlar ve muhtemel çözümleri:

1. Doğru bağlantı elemanlarını kullanmamak: Yarışmada kullandığımız karabinalar, paraşüt açılma anında oluşan kuvvetten dolayı eğilerek iplerin serbest kalmasına neden oldu. Çözüm olarak vidalı veya daha büyük karabina kullanılmalıydı.
2. İpler üzerindeki dikişlerin yetersizliği: Şok kordonu olarak kullandığımız ipte bağlantı yapmak için atılan halkadaki dikişler yaklaşık 5 cm kadardı. Sürüklenme paraşütünün kopması sebebiyle ana paraşüt açıldığı zaman roket fazla hızlıydı ve bu dikişlerin kopmasına sebep oldu. Çözüm olarak ipler üzerindeki dikişlerin niceliği ve niteliği artırılmalıydı.

Son olarak paraşütlerin nasıl katlanılacağı ile ilgili bilgiye buradan ulaşabilirsiniz.