Spacecraft thermal modelling and analysis using the thermal network model
Isıl ağ modeli kullanılarak uzay aracının ısıl tasarımı ve analizi
- Tez No: 665586
- Danışmanlar: PROF. DR. ALİM RÜSTEM ASLAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Astronomi ve Uzay Bilimleri, Mühendislik Bilimleri, Astronomy and Space Sciences, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 147
Özet
Günümüzde uzay araçlarına ve uzay araştırmalarına duyulan ilgi artmakta olup yörüngede görev yapan uyduların sayısı gün geçtikçe artış göstermektedir. Bu ihtiyacı karşılayabilmek için hızlı bir şekilde analizlerin ve üretimlerin tamamlanması gerekmektedir. Tasarımların sonlandırılması ile kullanılacak malzemelerin ve donanımlarının hızlıca belirlenmesi, üretimlerinin gerçekleştirilmesi sağlamaktadır. Ama tasarımının kısa sürede gerçekleştirilememesi hem mali açıdan hem de üretim açısında tasarımcıyı sıkıntıya uğratmaktadır. Bunu önleyebilmek için ekipman ve uydular için gerçekleştirilen tasarım faaliyetinin ve getiri götürü analizlerinin hızlı bir şekilde tamamlanması gerekmektedir. Özellikle uydunun veya ekipmanın görev ömrü boyunca kullanacağı ısıl kontrol malzemelerinin ön tasarım aşamasında belirlenmesi, tasarımda geçen sürenin kısalması sağlamaktadır. Bu sebeple, ön tasarım aşamasında ısıl tasarımın hızlıca yapılması ve sıcaklık sonuçlarına hızlıca ve doğruya en yakın şekilde ulaşılabilmesi gerekmektedir. Kullanılacak olan yazılımın hızlı ve doğru sonuç verebilmesi için tasarımının basitleştirilmiş olması gerekmektedir. Literatür çalışmaları incelendiğinde birçok sistemin ısıl tasarımı ve analiz çalışmasında ısıl ağ modelinin sıkça kullanıldığı gözlemlenmiştir. Birçok benzer çalışmada ağ yapısının sadece bir veya iki düğüm kullanılarak oluşturulduğu görülmüştür. Özellikle küçük uydu ve ekipmanların ısıl tasarımında indirgenmiş ısıl ağ modelinin yaygın olarak kullanılmıştır. Daha büyük boyuttaki uydu veya ekipmanlarda ise düğüm sayısını arttırılarak modellemenin gerçekleştirildiği görülmektedir. Bu çalışmada ise hazır ticari yazılımlar ile geliştirilmiş olan yazılımlar kullanılmıştır. Geliştirilen yazılımların bir kısmında farklı sayısal çözüm yöntemi içermekte olup en doğru sonucu hangi sayısal metot ile elde edilebildiği gösterilmeye çalışılmıştır. Çalışmaların birçoğunda ısıl ağ modeli ile daha hızlı ve pratik bir şekilde istenilene yakın sonuçların elde edilebildiği gösterilmiştir. Çok sayıda düğüm kullanmanın çözümü zorlaştırdığı gösterilmek istenmiştir. Modelin karmaşık hale gelmesinin tasarımın sonlanmasını zorlaştırdığı ve tasarımcıya sıkıntı yarattığı için gerekli optimizasyonların gerçekleştirilemedi belirtilmiştir. Bu çalışma kapsamında, ısıl matematiksel model yardımıyla hızlı ve az sayıda düğüm kullanılarak gerçekleştirilmesi hedeflenmiştir. Oluşturulan indirgenmiş model ile olabildiğince doğru sonuçlar elde edilmek istenmiştir. Bununla birlikte, uydu ve ekipman üzerinde ısıl ağ modelinin nasıl oluşturulabileceği ve oluşturulan bu ağ yapısı ile sıcaklık değerlerinin nasıl hesaplanabileceği gösterilmek istenilmiştir. Bu sayede tasarım optimizasyonlarının daha hızlı yapılabileceği gösterilmek istenmiştir. Aynı zamanda kullanılacak düğüm sayısı ve bu çalışma için seçilen sayısal yöntemin herhangi bir ısıl ağ modelinin çözümünde kullanmak için yeterli olup olmadığı gözlemlenmek istenmiştir. Isıl ağ modeli oluşturulurken modellemeye öncelikle az sayıda düğüm kullanarak geometrinin modellenmesi ile başlanmaktadır. Oluşturulan modelin sıcaklık değerini hesaplayabilmek için geometri belirli sayıda parçalara bölünür. Oluşturulan her bir ağın köşe noktaları düğüm olarak tanımlanır. Her bir düğümün sıcaklık değerini veya üzerinden geçen ısı akısının hesaplayabilmek için öncelikler düğümlerin ısı sığaları hesaplanır. Daha sonra geometrinin kendi içinde ve ortam ile gerçekleştirdiği ısı transferi incelenir. Düğümler birbiri ile yaptığı ısı alış verişine bağlı olarak iletim ve radyasyon ağı oluşturulur. Ağ modelinin çözümü için gerekli olan ısıl yükler ve sınır sıcaklık koşullarının düğümlere tanımlanır. Ağ modelinin çözümüm için izlenecek adımlar akış şemasında gösterilir. Akış semasında belirlenen adımlara göre geometri ve düğümler arasındaki ilişkiler algoritma tanımlanır. Tüm parametrelerin tanımlanması ile zaman bağlı veya denge durumları için analizler gerçekleştirilir. Modele bağlı olarak çözüm analitik ve sayısal yöntemler kullanılarak gerçekleştirilir. Sadece iletim yolu ile ısı transferinde olduğu durumlarda analitik çözüm ile düğümlerin sıcaklıkları bulunabilmektedir. Radyasyon ile ısı transferinde ise sıcaklıkların 4. dereceden kuvveti alındığı için lineer olmayan bir sistem elde edilmektedir. Bu sebeple analitik çözüm ile düğümlerin sıcaklıklarını bulabilmek oldukça zordur. Bu denklemlerin çözümünde kısmi diferansiyel denklemler ihtiyaç duyulmaktadır. Denklemlerin çözümünde ekipmana etki eden ısıl yükler veya dışarıdan gelen ısıl yüklerde denkleme dahil edilerek sayısal yöntemler ile denklemin çözümü gerçekleştirilir. Bu çalışmada altı farklı durum incelemek üzere dört adet model problem oluşturulmuştur. Oluşturulan model problemler ile farklı durumlar için ısıl ağ modeli oluşturmak ve kullanılan düğüm sayısına bağlı olarak sıcaklık değişimleri gözlemlenmek istenmiştir. Isıl ağ modelinin çözümünde merkezi fark yöntemi kullanılmış ve algoritma MATLAB ara yüzünde oluşturulmuştur. İlk çalışmada, bir çubuk üzerinde ısıl matematiksel modelinin oluşturulmuştur. Çubuk 4 düğüm noktasına bölünmüştür ve her bir düğüm arasındaki iletim ağı incelenmiştir. İletim ağını oluşturulduktan sonra her iki yazılımda da hem zamana bağlı durum hem de kararlı durum için analizler gerçekleştirilmiştir. Sistem lineer bir yapıda olduğu için elde edilen sonuçların birbirine olabildiğince yakın olduğu görülmüştür. Aynı çalışmaya radyasyon ile ısı transferi eklenerek önceki analizler tekrar edilmiştir. Her iki yazılım üzerinde de elde edilen sonuçların birbirine oldukça yakın olduğu görülmüştür. Çubuk üzerindeki düğüm sayısı ona çıkartıldığında da elde edilen sıcaklıkların ilk duruma yakın olduğu görülmüştür. Bir boyutlu model üzerinde elde edilen sonuçlar doğrultusunda iki boyutlu bir yüzey üzerinde de benzer ağ modeli oluşturulmuş ve analizler gerçekleştirilmiştir. Plaka ilk başta 9 düğüm noktasına bölünmüştür. Öncelikle her bir düğüm arasındaki iletim ağının incelenmiştir. Analizler, her iki yazılımda da hem zamana bağlı durum hem de kararlı durum için gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sıcaklık sonuçlarının birbiri yakın olduğu görülmüştür. Plakanın üzerine yüzey kaplaması tanımlanarak ağ modeline radyasyon etkisinde eklenmiş ve analizler tekrarlanmıştır. Her iki yazılım üzerinden de elde edilen sonuçların birbirine yakın olduğu görülmüştür. Sonuçlar, düğüm sayısı arttıkça, her iki simülasyondan elde edilen sıcaklık değerlerinin beklendiği gibi istenen sabit durum sıcaklıklarına ulaştığını göstermiştir. Sonuç olarak, kararlı durumda kesin sıcaklıklara ulaşılmasında sistemi etkileyen termal yüklere ve sınır sıcaklıklarına bakılarak düğüm sayısı seçilmelidir. Üçüncü çalışmada, daha önceki iki çalışmadan oluşturulan algoritma ve bilgiler kullanılmış ve bir uydunun dış panelleri ve faydalı yükünün indirgenmiş modeli oluşturulmuştur. Faydalı yük ve her bir paneli tek bir düğümü temsil edecek şekilde ağ model oluşturulmuştur. Ticari yazılımda ise faydalı yük ve her bir paneli dörder adet düğüm temsil etmektedir. Diğer çalışmalardan farklı olarak bu çalışmada, THERMICA yazılımı aracılıyla ortalama dış ortam yüklerinin hesaplanmış ve algoritmaya bu bilgiler aktarılmıştır. En soğuk durum ve en sıcak durum için kararlı durum analizleri gerçekleştirilmiştir. MSC.Patran/Sinda 'da oluşturulan modelde, panellerin sıcaklık ortalaması alınarak analiz sonuçları karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçların birbirine yakın olduğu ama MATLAB 'da geliştirilen yazılımda daha az sayıda düğüm kullanıldığı için paneller üzerindeki sıcaklık dağılımının detaylı bir şekilde gözlemlenememiştir. Ama elde edilen sonuçlar indirgenmiş ısıl ağ modelinin küçük uydularda kullanılabileceğini göstermektedir. Dördüncü çalışmada faydalı yükünün indirgenmiş ısıl matematiksel modeli oluşturulmuştur. Isıl ağ modeli oluşturulurken yörüngede operasyona devam uyduların teleskoplarının ısıl ve mekanik tasarımları incelenmiş ve tasarım parametreleri referans alınmıştır. Her iki yazılımda da farklı sayıda düğüm kullanarak indirgenmiş ısıl ağ modeli oluşturulmuştur. Modellemede faydalı yükün dış yüzeyi çok katmanlı yalıtım battaniyesi ile kaplanmıştır ve analizler kararlı durum için gerçekleştirildiği için ekipman uzay ortamının etkilerine maruz bırakılmamıştır. Ekipman karmaşık bir geometriye sahip olduğu için belirli yüzeyler modellenmemiştir. Ayrıca kararlı durum için ısıl analizler gerçekleştirildiği için aktif bir ısıl kontrol sistemi de modellenmemiştir. Ekipman için çalışma sıcaklık aralığı tanımlanmış ve gerçekleştirilen bu ısıl analizlerde ekipman bu sıcaklık aralığı içerisinde tutulmak istenmiştir. Denge durumu için gerçekleştirilen analizlerde ekipman için elde edilen sıcaklık sonuçlarının her iki simülasyonda da birbirine yakın olduğu ve ekipmanın istenilen sıcaklık aralığında kaldığı görülmüştür. Elde edilen sonuçlarda iki model arasındaki en yüksek sıcaklık farkının yaklaşık 4.22°C olduğu görülmüştür. Bu yüzeyin diğer yüzeylerden izole olduğu ve bu sebeple iletim yoluyla ısı transferinin oldukça düşük olduğu görülmüştür. Radyasyon yolu ile ısı transferi etkin bir şekilde gerçekleştirdiği görülmüştür. Her bir yüzey tek bir düğüm ile modellenemediği ve görünüm faktörünün bire eşit olduğu varsayıldığı için yüksek sıcaklık farkının görülmesine sebep olduğu düşünülmektedir. Gerçekleştirilen bu çalışmalar sonucunda indirgenmiş ısıl matematiksel modelinin ön tasarım aşamasında birçok farklı yüzeyin modellenmesinde kullanılabileceği görülmüştür. İndirgenmiş ısıl modeli sayesinde tasarımda hızlı bir şekilde optimizasyonların gerçekleştirilebileceği ve bu durumun tasarımın sonlanmasında yardımcı olacağı görülmüştür. Modelleme yapılırken ekipmanın geometrisine bağlı olarak düğüm sayısının optimize edilmesi gerekmektedir. Sadece iletim yolu ile ısı transferini gerçekleştiği durumlarda simülasyonlardan elde edilen sonuçların birbirine yakın olduğu ve bu durum için gerçekleştirilen analizlerde düşük sayıda düğüm kullanılabileceği görülmüş ve karmaşık bir tasarıma ihtiyaç duyulmadığını gözlemlenmiştir. Radyasyon ile ısı transferinin etkin olduğu çalışmalarda ise sistemin lineer olmaması sebebiyle benzetim sonuçları arasındaki sıcaklık farkının arttı görülmüştür. Sıcaklık farkındaki artışın görünüm faktörü ve yüzeyin şekli ile ilişkili olduğu düşünülmektedir. Yüzey formu düzgün olmayan ekipmanlarda sonlu fark yöntemi yerine sonlu eleman yöntemi kullanmasının sonuçların iyileştirilebilir. Bununla birlikte geometri üzerinde tanımlanan düğüm sayısı arttırılarak sonuçların iyileştirilebileceği düşünülmektedir. Ama detay tasarım gerektiren ekipmanlarda ise belirli bir sayıda düğüm kullanarak analizlerin gerçekleştirilmesi gerektiği görülmüştür. Ekipmanların veya uydunun ısıl tasarımı için gerekli olan düğüm sayısını belirlerken farklı sayıda düğümler ile için gerçekleştirilen ısıl analiz sonuçları karşılaştırılarak düğüm sayısına karar verilebileceği görülmüştür. Bununla birlikte ısıl denge testinden elde edilen sıcaklıklara bağlı olarak düğüm sayısı ve ısıl tasarımın optimize edilebileceği düşünülmektedir. Yapılan bu çalışmalar sonucunda indirgenmiş ısıl matematiksel modelin uydu projelerinde ekipmanların veya küçük uyduları ısıl tasarımında kullanılabileceği görülmüştür. Özellikle ön tasarım aşamasında etkin bir şekilde kullanılabileceği düşünülmektedir.
Özet (Çeviri)
Recently, studies on spacecraft and space research have been accelerating, and the number of satellites operating in orbit is increasing. To accelerate these studies in this field, the analyzes and productions carried out must be completed quickly. When the equipment and satellite design cannot be completed in a short time, it puts the designer and the project in trouble in terms of both financial and production. To prevent this situation, equipment or satellite design should be completed as soon as possible, and trade-off studies and analyzes should be completed as soon as possible. In particular, it is significant that the thermal design of the satellite and equipment is completed quickly. For this reason, it is significant to create a thermal design in the fastest way and to perform analyzes in a way to obtain the temperature distribution in the most accurately in preliminary design. In this study, it is aimed to create a thermal mathematical model and perform simulations by using a small number of nodes in the thermal design of satellites. The motivation of this work is to show how the thermal network model can be created on the satellite and equipment and how the temperature values can be calculated with this network model. Besides, we see that the optimization for thermal design can be done faster with the thermal network model. Moreover, we observe the number of nodes used and whether the numerical method chosen for this study is sufficient for the solution of any thermal network model. In this thesis, various case studies have been created. First, the general design parameters define on simulation, and the surface to be analyzed is modeled. Then, the thermal network models have been created for these case problems. The structures are divided by the determined node numbers. The conductive and radiative relations between each node are defined in the algorithm. Then, a thermal mathematical model is obtained and analyzes are performed to find the temperature distribution on each node. An algorithm is created in MATLAB for the solution of the network model. The central difference method is used to solve for the thermal network model. The thermal analyzes are carried out to obtain desired temperature results with the reduced thermal mathematical model. The temperature values obtained for the simplified thermal models created in MATLAB and MSC. Patran/Sinda software are examined. At first study, a thermal mathematical model of a one-dimensional rod is simulated. First, the modeling of the conduction network is carried out. Then, we perform analyzes for both the time-dependent state and the steady-state state in both software. It is seen that the results are close to each other due to the linear nature of the system. The analysis is performed by adding heat transfer by the radiation to the same study. It is observed that the results obtained on simulations are close to each other. The results shown that as the number of nodes increased the temperature values obtained from both simulations reached the desired steady-state temperatures, as expected. Secondly, similar studies are also performed on a two-dimensional surface. The plate is initially divided into nine nodes. In the same way, the thermal network model has been started with the construction of conduction network. Analyzes in both software are performed for both time-dependent and steady-state conditions. It has been observed that the obtained temperature results are close to each other. Analyzes are performed by adding heat transfer by the radiation to the same study. We observe that the results obtained on simulations are very close to each other. The results shown that as the number of nodes increased the temperature values obtained from both simulations reached the desired steady-state temperatures, as expected. As a conclusion, the number of nodes should be selected depending on the thermal loads and boundary temperatures affecting the system in order to achieve accurate steady-state temperatures. In the third study, a reduced model of the payload and outer panels of satellite are modeled. The algorithm created in the previous studies has been used. Each panel and its payload are represented a single node. In commercial software, the thermal design has been carried out by using twelve nodes. Unlike other studies, the average orbital heat loads are calculated by the THERMICA software, and this information is transferred to the algorithm. The steady-state analysis has been carried out for the worst cold and worst hot conditions. For model created in MSC. Patran/Sinda, the analysis results are compared by taking the average temperature of the panels. It is seen that the obtained results are close to each other. However, since fewer nodes are used in a simplified thermal model created in MATLAB, the temperature distribution on the panels could not be determined in detail. As a conclusion, the results obtained show that the reduced thermal network model can be used in small satellites. In the fourth study, a reduced thermal model of the payload is created. While creating the thermal network model of the payload, the thermal design of payloads of other satellites that continue to mission in orbit has taken as reference. The different number of nodes are used in the reduced models created in both simulations. Because the equipment has a complex geometry, some certain surfaces are not modeled. Besides, since thermal analyzes have been performed for steady-state, an active thermal control design is not modeled. A certain operating temperature range is determined for the equipment. It is desired to keep the equipment in this temperature range. As a result of the analyzes performed for the steady-state condition, we observe that the equipment remained in the desired temperature range in both simulations. The results show that the highest temperature difference between the two models is approximately 4.22°C. It has been considered that the heat transfer by radiation is more effective on the surface where the highest temperature difference is observed. Due to the modeling of this surface with a single node and the assumption that the view factor is equal to one causes the temperature difference to increase. As a result of these studies, it has been seen that the reduced thermal mathematical model can be used in the preliminary design. With the reduced thermal model, quick decisions can be made for thermal design and can help finalize the thermal design. However, the node number should be optimized depending on the surface. It is examined that the results obtained from the simulations are close to each other in cases where heat transfer occurs only by conduction. It shows that heat transfer calculations by conduction can be analyzed using a low number of nodes. A complex design is not required. In studies involving radiation heat transfer, it has been observed that the temperature difference between the results is increased since the system is not linear. It is considered that the view factor coefficient and the shape of the surface used in the radiation heat transfer equation are effective in the increase of the temperature difference. The results will be improved by using the finite element method instead of the finite difference method in the solution of the uneven surfaces. Also, the results can be improved by increasing the number of nodes on surfaces. In this way, more accurate results can be obtained. We observe that the required node numbers can be decided by looking at temperature changes due to different numbers of nodes. However, it is considered that the node number and thermal design can be optimized depending on the temperature results obtained after the thermal balance test. As a conclusion, it is seen that the reduced thermal mathematical model can be used in the thermal design of equipment or small satellites projects. It is believed that it can be used effectively, especially in the preliminary design phase.
Benzer Tezler
- Analysis of weakly ionized hypersonic flow
Az iyonlaşmış hipersonik akışların analizi
TUĞBA PİŞKİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Havacılık MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiHavacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SİNAN EYİ
- Investigation of the orbital thermal behavior of small satellites in low earth orbit
Alçak yörüngede hareket eden küçük uyduların yörünge boyunca ısıl davranışının incelenmesi
GÖNÜL ÇİÇEK
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERSİN SAYAR
- Development of single-frame methods aided kalman-type filtering algorithms for attitude estimation of nano-satellites
Nano-uydularda yönelim kestirimi için tek-çerçeve yöntemlere dayali kalman-tipi filtreleme algoritmalarinin geliştirilmesi
DEMET ÇİLDEN GÜLER
Doktora
İngilizce
2021
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CENGİZ HACIZADE
PROF. DR. ZEREFŞAN KAYMAZ
- Zorlanmış salınımlı dikey akışta gözenekli ortamın ısı geçişine etkisinin deneysel incelenmesi
Experimental investigations on the effect of porous media on heat transfer from vertical forced oscillated fluid flow
ESRA KEŞAF
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
ÖĞR. GÖR. ERSİN SAYAR
- Bir uzay aracı radyatörünün performans analizi ve optimizasyonu
Performance analysis and optimization of a space radiator
EMRE KARAKOÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Makine MühendisliğiAtatürk ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CİHAT ARSLANTÜRK