Thermal design, analysis, and testing of a sun sensor for geostationary satellites
Yerdurağan uydular için güneş algılayıcı ısıl tasarımı, analizi ve testi
- Tez No: 682546
- Danışmanlar: PROF. DR. ZAHİT MECİTOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Astronomi ve Uzay Bilimleri, Enerji, Astronomy and Space Sciences, Energy
- 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: 145
Özet
Uzay çağı Sputnik-1 uydusunun Ruslar tarafından 4 Ekim 1957 tarihinde uzaya fırlatılmasıyla başlamıştır. Bu tarihten itibaren uydular bilimsel ve teknolojik gelişmede çok önemli roller üstlenmiştir. Yer gözlem uyduları, navigasyon uyduları, meteoroloji uyduları, bilimsel uydular ve haberleşme uyduları gibi insanlığa farklı alanlarda hizmet sunan birçok uydu geliştirilmiştir. Haberleşme uydularının icat edilmesi küresel ölçekte haberleşmeyi mümkün kılmıştır. Cep telefonları vasıtasıyla haberleşme, vidyo konferanslar, küresel canlı televizyon yayınları, internet erişimi ve daha birçok iletişim vasıtası ile küresel ölçekte iletişim haberleşme uyduları sayesinde mümkün hâle gelmiştir. Küresel iletişim için haberleşme uydusu fikri ilk kez Arthur C. Clarke (1917-2008) tarafından 1945 senesinde dile getirilmiştir. Makalesinde, yerden yaklaşık 35.900 kilometre irtifadaki bir yörüngede bulunan bir cismin süratinin Dünya'nın kendi ekseni etrafındaki dönüş süratini eşitlediğini, söz konusu yörüngenin küresel haberleşmeyi sağlamak için kullanılabileceğini ve bunun üç tane istasyon ile sağlanabileceğini belirtmiştir. Arthur C. Clarke'ın bu hayalinin gerçekleşmesi için ilk adım yalnızca 18 yıl sonra SYNCOM-2 uydusunun uzaya fırlatılmasıyla atılmıştır. Uydular elektronik cihazlardan meydana gelir. Her elektronik cihazda olduğu gibi uydunun görev ömrü boyunca başarılı bir şekilde görevini ifa etmesi için tüm altsistem ve ekipmanların uygun ısıl davranış göstermesi gerekmektedir. Uydu ısıl kontrol alt sisteminin birincil görevi, bir uyduyu ve bünyesindeki ekipmanları görev süreleri boyunca ve her türlü misyonda en elverişli şekilde çalışabilmeleri için belirli bir sıcaklık aralığında tutmaktır. Haşin uzay ortamı ve uzayda taşınım ile ısı transferinin mümkün olamaması da göz önüne alındığında ısıl kontrol alt sisteminin önemi daha da artmaktadır. Uydularda ısıl tasarım ve kontrol aktif ve pasif ısıl kontrol elemanlarından oluşur. Pasif ısıl kontrol uydudan enerji almadan doğal yollarla yapılır. Pasif ısıl kontrol elemanlarına örnek olarak yüzey kaplamaları, yalıtım battaniyeleri, ısıl arayüz malzemeleri ve ısıl linkler verilebilir. Aktif ısıl kontrol ise uydudan elektrik çekerek yapılır. Aktif ısıl kontrol elemanlarına örnek olarak ısıtıcılar ve termo-elektrik soğutucular verilebilir. Uydudaki elemanların sıcaklıkları ısıl enerji denge denkleminden elde edilir. Isıl analizler yapılırken en kötü soğuk durum ve en kötü sıcak durum için ısıl analizler yapılır. Bu amaca yönelik çeşitli yazılımlar vardır. Bu yazılımlara örnek olarak SINDA, Systema Thermica, ANSYS, ESATAN verilebilir. Isıl matematiksel model bu yazılımlar aracılığı ile modellenir ve çözülür. Isıl vakum döngü testi ekipman seviyesinde yapılır. Bu testin amacı ekipmanın yeterliliğini, güvenirliğini, performansını ve kalite güvence gerekliliklerini azami ve asgari çalışma sıcaklıklarında temin etmektir. Bu amaç doğrultusunda ekipman üzerinde azami ve asgari çalışma sıcaklıklarında işlevsel testler uygulanır. Güneş algılayıcılar uydunun yöneliminin belirlenmesinde kullanılan önemli bir ekipmandır ve neredeyse bütün uydularda bulunur. Güneş algılayıcılar Güneş'in yönünü belirler. Güneş'in yön bilgisi azami derecede güç elde edebilmek için güneş panellerinin konumlandırılmasında kullanılır. Güneş algılayıcılar sıcaklık değişimine duyarlı ekipmanlardır ve uydunun dış yüzeyinde bulunduğu için uzay ortamına ve güneş akısına doğrudan maruz kalmaktadırlar. Bu sebeple güneş algılayıcıların ısıl tasarımı ve kontrolü özel önem taşımaktadır. Bu çalışmada, haberleşme uydusu için geliştirilen bir güneş algılayıcının ısıl tasarımı, analizi ve yeterlik testleri ekipman bazında yapılmıştır. Güneş algılayıcı yaklaşık 120x110x40 mm boyutlarındadır ve optik kısım ve elektronik kısımdan oluşmaktadır. Uydunun dış kısmında bulunan bir ekipmandır. Uydunun güneşi bulmasını ve güneş panellerinin güneş ışınlarından azami derecede yararlanmasını sağlayan bir elektronik ve optik ekipmandır. Yersabit yörüngedeki haberleşme uydularının asgari 15 yıl operasyon ömrü bulunur. Bu süre içerisinde güneş algılayıcısı uydunun ömrü boyunca uzaydaki radyasyon, vakum, ve sıcaklık etkilerinden en az derece etkilenmelidir. Görevini uydu ömür sonuna kadar yapabilmelidir. Bu zorlu uzay ortam şartlarında çalışan bu ekipmanın güvenilir ve performanslı bir şekilde en az 15 yıl çalışabilmesi ısıl tasarımın uygun ve doğru yapılması ile mümkündür. Bu çalışmadaki ısıl analizlerde kararlı hâl analizi için ANSYS 19.2 ısıl modülü ve geçici rejim analizi için ise Systema Thermica 4.8.0P1 programı kullanılmıştır. Analizlerde güneş algılayıcının önemli bileşenleri olan optik cam, sensör ve mikroişlemci çip sıcaklıkları üzerinde durulmuştur. Kararlı hâl ısıl analizleri dört farklı durum için yapılmıştır. Bu dört durumdan ikisi güneş algılayıcının ısıl vakum döngü testlerinde azami ve asgari çalışma sıcaklıklarını analiz ile karşılaştırıp modeli doğrulamak amacıyla yapılmıştır. Elde edilen sıcaklıklar, 10-6 mbar basınç şartlarında aynı durumlar için ısıl vakum döngü testleri yapılarak yapılan analizler testler ile doğrulanmıştır. Analiz ve test sonuçları arasındaki sıcaklık farkları yaklaşık 1℃ civarında olduğu görülmüştür. Oluşturulan matematiksel ısıl model testler ile doğrulanmıştır. Diğer iki durum ise güneş algılayıcının yörüngede en sıcak durumda karşılaşacağı ısıl yükler altındaki ve en soğuk (gölgeleme) durumundaki komponent bazında sıcaklık dağılımlarını incelemek için yapılmıştır. Ayrıca, üç farklı yüzey kaplaması (birinci yüzey aynası, ikinci yüzey aynası ve çok katmanlı yalıtım battaniyesi) seçimi ve ısıl arayüz pedi kullanımı gerekliliği üzerine analizler yapılmıştır. Her üç kaplamanın da kullanımının ısıl açıdan uygun olduğu belirlenmiştir. İkinci yüzey aynası hem en kötü sıcak durum hem de en kötü soğuk durumda diğer kaplamalara nazaran daha düşük sıcaklıklar vermektedir. Çok katmanlı yalıtım battaniyesinin fiyatı, uygulanma zorluğu ve açılma riski de göz önüne alındığında güneş algılayıcının daha ucuz ve uygulanması kolay olan ikinci yüzey aynası ile kaplanmasına karar verilmiştir. FPGA ile güneş algılayıcı tabanı arasında ısıl arayüz pedi olması FPGA sıcaklığını güneş algılayıcı arayüz sıcaklığına yaklaştırmaktadır. Sadece en kötü sıcak durumda FPGA sıcaklığını neredeyse 8℃ düşürmekle kalmamış, ayrıca en kötü soğuk durumda FPGA sıcaklığını artırmıştır. Isıl arayüz pedinin sensor sıcaklığına da iyileştirici yönde dolaylı etkisi olmuştur. Bu etkiler göz önünde bulundurulduğunda, FPGA ile taban arasına ısıl arayüz pedi koyulmuştur. Güneş algılayıcı iç komponentlerin sıcaklıkları hem kararlı hâl hem de geçici rejim analizlerinde benzerdir. Ekipmanın dış yüzey sıcaklıkları kararlı hâl ve geçici rejim analizleri karşılaştırıldığında en kötü sıcak durum için 3℃, en kötü soğuk durum için 4.1℃ farklı olmaktadır. Böylece, geçici rejim analizleri kararlı hal analizleri ile tutarlılık göstermektedir. İki analiz yaklaşımındaki sıcaklık farklılıklarının, hem yörünge parametleri sebebiyle güneşten gelen ısı akısının değişken olması hem de güneş algılayıcının her iki analiz için farklı programlarda modellenmesinden kaynaklanan farklılıklardır.
Özet (Çeviri)
Thermal design, analyses and tests for a newly-developed sun sensor for geostationary communications satellites have been performed. The sun sensor is an external equipment of the satellite. It is 120x110x40 mm in dimension and is composed of optics and electronics units. The sun sensor measures the direction of the sun and provides information to position the solar panels of the satellite for maximum power generation via the maximum utilization of the solar incident. Communication satellites in GEO have minimum 15 years of life-time. During this period the sun sensor should be operational and the radiation, vacuum, and temperature effects on the sun sensor should be minimum. Therefore, appropriate thermal design of the equipment should be made for reliable and performant operation during the life time in the harsh space environment. The equipment-level thermal analyses of a sun sensor are made via the ANSYS 19.2 thermal module for steady-state and via Systema Thermica 4.8.0P1 for transient thermal analyses in orbit. Steady-state thermal analyses of the sun sensor are performed for four different cases. Two of the cases are executed to compare the analysis results with the thermal vacuum cycle test temperature measurements and verify the model. The procured temperatures from the analyses have been verified via thermal vacuum cycle testing under 10-6 mbar pressure. The temperature differences between the analyses and the test were about 1℃. The thermal mathematical model developed for the thermal analyses has been verified by the thermal vacuum test. The other two cases are performed to determine the maximum operating temperatures of the components in the sun sensor for the worst hot case condition and the minimum non-operating temperatures of the components in the sun sensor for the worst cold case (eclipse) condition. Three different types of coatings (first surface mirror, second surface mirror, and multilayer insulation) and the need for a thermal filler pad are also analyzed. While all three coatings are suitable, second surface mirror (SSM) coating gives lower temperature values for both the worst hot and worst cold cases. Considering the price of the coating, and the ease of application, SSM is chosen as the coating. Using a thermal filler pad between the FPGA and the rear cover significantly reduces the interface temperature difference. It does not only lower the temperature of the FPGA by almost 8℃ in the worst hot case, but it also increases the temperature of it in the worst cold case. The thermal filler pad also has an indirect effect on the temperature of the sensor. Considering these results, a thermal filler pad is put between the FPGA and the rear cover. Transient thermal analyses results are in accordance with the steady-state results. The results of the transient and steady-state analyses are consistent for the internal components of the sun sensor. The external surfaces of the sun sensor have about 3℃ and 4.1℃ of temperature differences in case-3 and case-4 between the two modes of analysis, respectively. The difference is due to the orbital parameters.
Benzer Tezler
- Binalarda enerji ve rüzgâr simülasyonlarının aynı algoritma üzerinden parametrik üretilebilmesi için model geliştirilmesi
Development of a model for parametric generation of energy and wind simulations in buildings through a single algorithm
OĞUZHAN KORAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÜLTEN MANİOĞLU
PROF. DR. MUSTAFA SERDAR ÇELEBİ
- Dinamik çarpma problemlerinde malzeme seçiminin önemi
İmportance of the material selection in impact problems
REYHAN UYAN ÖZSOYSAL
- Doğal lif takviyeli kompozitlerde lif / matris ara yüzey iyileştirme çalışmaları ve çevresel koşullara göre karakterizasyonu
Fiber / matrix interfacial improvement techniques and characterization due to environmental conditions for natural fiber reinforced composites
MEHMET SAFA BODUR
Doktora
Türkçe
2016
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA BAKKAL
- Isı borusu prensibinin güneşli su ısıtıcılarına ve damıtmaya uygulanması
Başlık çevirisi yok
ALİ YÜCEL UYAREL
- Yapı malzemelerinin güneş enerjisi karşısındaki termodinamik davranışı
The Thermodynamic behaviour of building materials subjected to solar energy
ŞÜKRAN DİLMAÇ