Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi, cilt.41, sa.1, ss.77-88, 2021 (SCI-Expanded)
Soğuk gaz itki sistemleri 1960’lı yıllardan bu yana özellikle uyduların yörünge kontrolünde tercih edilen sistemler
olmuşlardır.Yakıt tankındaki yüksek basıncın görev süresince azalması nedeniyle, tank içindeki yakıtta oldukça düşük
sıcaklıklar gözlenmektedir. Ayrıca itici lülesinin çıkışında da, vakuma yakın basınçlara genleşen yakıtın sıcaklığı
oldukça düşmektedir. Bu koşullar altında, itki sisteminin performansının tasarım sürecinde gerçekçi olarak tahmin
edilebilmesi için, açık kaynaklı, sıkıştırılabilir akışkanlar için uygun bir hesaplamalı akışkanlar dinamiği aracı olan
SU2
’nun kullanılması kararlaştırılmıştır. Bu çalışmada, itki sisteminin doğası gereği karşılaşılan düşük sıcaklık ve
basınç etkilerinin doğru modellenebilmesi adına, SU2
’nun ideal gaz, van-der Waals ve Peng-Robinson gaz modelleri
kullanılarak elde edilen performans tahminleri ile itici vakum odası performans test sonuçları karşılaştırılmıştır. İtici
performans testleri için bu amaçla kurulan termal vakum odası test alt yapısı kullanılmıştır. İtici simulasyonları ve
performans testleri, yakıt tankının nominal ve düşük sıcaklıkta koşulladırıldığı durumlar için yürütülmüştür. Elde edilen
veriler, SU2 van der Waals gaz modelinin, her iki sıcaklık koşulunda da vakum odası performans testlerine en yakın
sonuçları verdiğini göstermektedir.
Cold gas propulsion systems are preferred, especially for the altitude and trajectory control for satellites,
since the 1960s. Both depressurizing the propellant in the propellant tank throughout the mission and the expansion
occurring in the divergent part of the thruster nozzle are the reasons for observing very low temperatures and pressure
at the outlet section. We have decided to use an open-source compressible CFD tool, SU2
, in order to predict the
performance of the propulsion system in the early design phase. The scope of this study is the comparison of the results
of the vacuum chamber performance tests and the outcomes of unsteady simulations with SU2 using different gas
models, including ideal gas, van-der Waals, and Peng-Robinson models. Then, the accuracy and performance of these
models are evaluated for the extremely low temperature and pressure conditions. Thruster performance tests have been
conducted in the thermal vacuum chamber test campaign at the specially built testing facilities. In order to simulate
nominal and low-temperature operation conditions, a propellant tank is thermally conditioned to the predetermined
values, and performance test parameters are used as the input for the CFD simulations. The obtained results showed
that the van der Waals gas model is the most appropriate gas model for both cases and provides the most realistic results
in terms of performance parameters.