İnsansız hava araçlarında alternatif yakıt sistem tasarımı

Abstract

Bu çalışmada askeri amaçla yapılacak ve uzun süre uçuşta kalmayı gerektirecek operasyonel durumlarda gerekli olan yüksek güç düzeyini karşılamak amacıyla insansız hava araçlarının (İHA) yakıt ihtiyacının karşılanması için nükleer yakıtla çalışacak bir nükleer motor tasarımı gerçekleştirilmiş ve motor performans analizleri yapılmıştır. Yapılan tasarım ve analiz çalışmalarında hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) programlarından faydalanılarak ANSYS programı yardımıyla bu süreçler gerçekleştirilmiştir. Bu program aracılığıyla uzay sondalarında kullanılan tahrik sistemlerinden esinlenilerek bir nükleer motor tasarımı gerçekleştirilmiştir. Yakıt olarak kullanılabilecek radyoaktif izotoplarla ilgili önerilerde bulunularak, teorik olarak tasarlanan insansız hava aracında kullanılacak nükleer motorun belirli irtifalardaki yoğunluk, basınç ve sıcaklık değerleri hesaplanmıştır. İnsansız hava araçlarında kullanılan ve araştırma aşamasında olan alternatif enerji kaynakları araştırılmış ve uygulanabilirliği durumunda uzun süre havada kalma amacına en uygun yakıtın nükleer olduğu sonucuna varılmıştır. Nükleer yakıt kullanmanın önemli bir avantajı nükleer yakıt kullanımıyla yakıt hatları ve yakıt tanklarının elimine edilmiş olmasıdır. Nükleer yakıt kullanımı uçakların genel ağırlıklarının düşürülmesinde de avantaj sağlar. Reaktörün boyut ve ağırlığının doğal uranyum kullanılan reaktörlerden daha küçük olması için yakıt zenginleştirilmiş uranyum olmak zorundadır. CFD Model ve nükleer araştırma tarihi, nükleer türbin motorların gaz türbin motorların yerini alacak uygun bir seçenek olduğunu göstermektedir. Nükleer türbin motorları gaz türbin motorlarına, içten yanmalı motorlara ve solar tahrik sistemlerine göre daha iyi performans göstermektedir. Global Hawk gibi insansız hava araçlarında yaş kütlesinin yanması 100 saat dolaylarındadır. Fosil yakıtlar nükleer enerjiye kıyasla çok daha az miktarda güç üretir. Nükleer yakıtlarda ise bu süreç radyoaktif izotopun yarılanma süresine bağlı olarak yıllarla ölçülebilir. Reaktör tasarımında kullanılan yakıt zenginleştirilmiş U-235'dir. Ancak uygulanabilir olması durumunda reaktör içerisinde kontrollü reaksiyonların gerçekleştirilebilmesi için yakıt olarak Toryum izotopu kullanılabilir. GT-MHR ve PBMR tipi gaz soğutmalı reaktörlerdeki gibi soğutucu olarak helyum ve moderatör olarak helyum grafit kullanılan basınç kabı/döngü tipi tasarımlar tercih edilebilir.

In this study, the designing of a nuclear engine that can be run with nuclear fuel was carried out and the engine performance analysis made for military purposes and operational states which are required a long time to stay in flight for the purpose of meeting deficient high power level. These processes were carried out with the help of ANSYS software by Computational Fluid Dynamics (CFD) in making design and analysis studies. The designing of nuclear engine was realized by this program to inspried by the propolsion system in using space probe. Making suggestions about radioactive isotopes that can be used as fuel and theoretically designed unmanned aerial vehicle to be used in the nuclear engine of specific density, pressure and temperature values were calculated. Alternative energy sources which are used in unmanned aerial aircraft were searched. Nuclear fuel that is the more optimal fuel was made inferences for staying flight in longer time with the applicability of the study. The elimination of the fuel lines and fuel tanks by using nuclear fuel has a major advantage. Using nuclear fuel has also the advantage for reduction of overall weight of the aircraft. The fuel has to encriched uranium in order that the reactor size and weight is smaller than the reactor in which use natural uranium. CFD models and history of nuclear research shows that nuclear turbine engines is a viable option to replace gas turbine engines. Nuclear turbine engines shows better performance than gas turbine engines, internal combustion engines and solar propulsion systems. Burning fresh mass's is the age of about 100 hours in unmanned aerial vehicle which is like the Global Hawk. When fossil fuels are compared to nuclear power, they produce for less power. When nuclear fuels are compared with other fuels, it will be seems that it's longer time than others depending on the radioisotope halfing time. The fuel used in the design of the reactor is the enriched U-235. However, Thorium isotope can be used as fuel to occur controlled reactions in the case of being applicability in reactor. Pressure container/loop-type designs which are using helium as a coolant and helium graphite moderator can be prefered in such as gas cooled reactors type of GT-MHR and PBMR.