Miniature electrical propulsion system design for cube satellites
Küp uydular için minyatür elektrikli itki sistemi tasarımı
- Tez No: 796024
- Danışmanlar: PROF. DR. ALİM RÜSTEM ASLAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Astronomi ve Uzay Bilimleri, Astronomy and Space Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Savunma Teknolojileri Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 118
Özet
Küp uydular, 10x10x10cm boyutlara sahip küp modüllerden olu¸san bir uydu sınıfıdır. Her bir modüle ünite veya kısa U ismi verilir. küp uydunun görevine bağlı olarak ˘ boyutu 1U'dan 27U'ya kadar çeşitlilik gösterebilir. Küp uydu konsepti 1999 yılında bir eğitim aracı olarak geliştirilmiştir. Küp uydular sayesinde araştırmacılar ve öğrenciler ekonomik olarak uzaya erişim imkanı kazanmıştır. Ancak sensör, işlemci gibi küçük elektronik elemanlarındaki gelişmeler sayesinde artık küp uydular da ticari amaçlar için kullanılabilmeye başlanmıştır. Başta eğitimsel amaçlar olmak üzere küp uydular yer gözlem, ileti¸sim, bilimsel görevler, uydu kümesi kurulması ve haberleşme hizmeti sağlanması gibi görevler üstlenebilmektedir. Küp uyduların minyatür ve ekonomik yapısı onları çekici yapmaktadır ancak bu minyatür yapı bazı olumsuzlukları da beraberinde getirmektedir. Bu olumsuzlukların başında da sınırlı güç ve kütle bütçesi gelmektedir. Bu kısıtlamalardan dolayı küp uydular sadece belli başlı altyapıları ve görev yüklerini içerebilmektedir. Bu sebeplerden dolayı da 1999 yılından itibaren fırlatılan yaklaşık 3500 adet küp uydudan sadece sayılı olanlarında itki sistemi kullanılmıştır. Bu itki sistemlerinin de hiç biri elektrikli itki sistemi değildir. Bir itki sisteminin uyduya eklenmesi uyduya çok sayıda kabiliyet ve avantaj sağlayabilir. Örneğin bu kabiliyetlere bir yer gözlem uydusunda yörünge değişiklikleri yapılarak gözetlenen yerlerin gözetlenme sıklığı arttırılabilir. Başka bir örnek olarak yakın düzende uçması gereken bir küp uydu kümesinin hassas yörünge düzeltmeleri ancak bir itki sistemi sayesinde yapılabilir. Ek olarak Birleşmiş Milletler tarafından yapılan bir düzenlemeye göre görevini tamamlayan düşük dünya yörüngesindeki bütün uydular 25 sene içerisinde ya yörüngeden düşürülmeli ya da yörüngeleri mezarlık yörüngesine yükseltilmesi gerekmektedir. Bu gibi gereksinimler ve kabiliyetler bir küp uyduya ancak itki sistemi sayesinde sağlanabilmektedir. Bu çalışmada bir küp uyduda kullanılabilecek kadar küçük bir elektrikli itki sistemi tasarlanması ve test edilerek uygulanabilirliğinin kanıtlanması amaçlanmaktadır. Bu kapsamda detaylı bir literatür taraması yapılarak elektrikli itki sistemlerinin genel olarak tasarımı ve şimdiye kadar uzayda kullanılan uygulamaları araştırılmıştır. Yapılan taramadan hareketle öncelikle elektrikli itki sistemlerinin geleneksel kimyasal itki sistemlerinden farkları, avantajları, dezavantajları ve genel olarak hangi durumlarda kullanılabileceği tartışılmıştır. Elektrikli itki sistemleri kimyasal sistemlerin aksine yakıtın içindeki moleküler bağları kopartarak itki üretmez. Elektrikli sistemlerde yakıt olarak kullanılan gaz iyonla iyonlaştırılarak plazma haline getirilir. Ardından bu plazma içindeki ağır iyonlar uzay aracından püskürtülerek itki elde edilir. Plazma üretim ve iyon püskürtme yöntemler elektrikli itki sistemleri arasında çok çeşitlilik göstermektedir. Bu üretilen itki kimyasal sistemlere nazaran çok düşük seviyelerde de olsa uzay koşullarında hava sürtünme gibi aksi yönde direnç gösteren kuvvetler olmadığı için uzay aracını ivmelendirmek için yeterli olmaktadır. Ayrıca elektrikli sistemler kimyasal sistemlere göre çok yüksek bir yakıt verimliliği sunmaktadır. küp uydu gibi verimliliğin son derece önemli olduğu platformlarda elektrikli itki sistemleri iyi bir alternatif sunmaktadır. Yapılan literatür çalışması sonucu çeşitli elektrikli itki sistemleri olduğu görülmüştür. Bu çalışmada bu sistemler arasından RF iyon motoru incelenmesi uygun görülmüştür. Bu sistemin seçilmesinde RF iyon motorlarının iyon motorları arasında en yüksek yakıt tüketim verimliliğine sahip olması, kolaylıkla küçültülebilmesi ve basit bir tasarıma ˘ sahip olması rol oynamıştır. Bir RF iyon motoru içerisinde bir yanma odası ve bu yanma odasının etrafına yerleştirilmiş bir anten bulundurmaktadır. Bu antenden RF yayın yapıldığı için RF iyon motoru ismini almaktadır. Anten ve yanma odası birlikte plazma oluşturma ve sürdürme alt sistemini teşkil etmektedir. Çalışma prensibine göre öncelikle yanma odasına gaz halde bir yakıt doldurulur. Ardından anten vasıtası ile yanma odası içinde sabit bir frekansta yayın yapılır ve serbest halde bulunan elektronların çok yüksek hızda hareket etmesi sağlanır. Bu yüksek enerjili elektronlar yüksüz yakıt atomları ile çarpıştıkları anda yakıt atomundan bir elektron kopartırlar ve ortaya çok büyük bir enerji ve iyonlar çıkar. Kopartılan elektron tekrar RF yayını etkisinde hareket eder ve başka bir atomdan elektron kopartarak bir çevrim başlatır. Bu şekilde plazma oluşturulduktan sonra plazmanın içindeki iyonlar bir eletrik alan yaratılarak itki sisteminden dışarıya püskürtülür. RF iyon motorları tasarımında bu elektrik alan ikili bir mazgal sistemi ile oluşturulur. Bu mazgallar yanma odasının önüne yerleştirilir. Mazgallardan plazmaya yakın olanı artı gerilim ile kutuplanırken plazmadan uzak olanı eksi gerilim ile kutuplanır ve böylece oluşturulan elektrik alanın uzay aracından uzağa yönelmesi sağlanır. Bu şekilde püskürtülen iyonlar ile mazgallar arasında bir eylemsizlik aktarımı gerçekleşir ve itki saglanmış olur. Bu itki prensibini test etmek amacıyla küçük bir RF iyon motoru tasarlanmıştır. Bu sistemin en geni¸s noktasında çapı 9cm, uzunluğu ise 6cm mertebesinde olup bir küp uyduya rahatlıkla sığacak bir büyüklükte olması hedeflenmiştir. Yapılan tasarımın testleri Boğaziçi Üniversitesi Makine Mühendisliği Fakültesi'nde bulunan Uzay Sistemleri Laboratuvarı'nda yapılmıştır. Bu laboratuvar RF iyon motoru dahil birçok elektrikli itki sisteminin test edilmesi için elverişli bir deney düzeneği barındırmaktadır. Bu düzenekte bir adet vakum odası, RF sinyal kaynağı, yakıt iletim hatları ve doğru akım güç kaynakları bulunur. Tasarım aşamasında üretim ve deneme kolaylığı olsun diye kolay erişilebilinir malzemeler kullanılmıştır. Yanma odası için cam, mazgallar için ise paslanmaz çelik kullanılmış ve destek elemanları teflon malzemeden tasarlanmıştır. Ancak uzaya uygun bir itki sistemi tasarımında yanma odası için seramik, mazgallar için ise titanyum gibi yüksek dayanımlı malzemeler kullanılması önerilmektedir. Argon gazı deneylerde yakıt olarak tercih edilmiştir. Argon atmosferde %1 oranında bulunduğu için kolayca erişilebilmektedir. Argon kullanımının olumsuz yanı olarak yüksek iyonizasyon enerjisi ve düşük molekül kütlesi listelenebilir. Düşük molekül kütlesinden dolayı Argon kullanılan elektrikli itki sistemi daha ağır bir molekül kullanılan sistemlere nazaran daha düşük itki sağlamaktadır. Alternatif seçenekler olarak Xenon ve Krypton gazı belirtilebilir. Ancak her ikisinin de oldukça erişime zor olması bu çalışmada Argon kullanımını zorunlu hale getirmiştir. Yapılan testlerde çoğunlukla malzemelerin kusurlu üretiminden kaynaklanan elektriksel kısa devreler gözlenmiştir. Testler sırasında bu kısa devreleri önlemek için çeşitli önlemler alınmıştır. Bu alınan önlemler detaylıca sunulmuştur. Son yapılan testlerde ise kısa devre oluşumu daha yüksek kalitede çelik ve azotlu lazer kesim yöntemi ile üretilen mazgallar sayesinde önlenmiş ve iyonların ayrı demetler halinde itki sisteminden dışarıya püskürtüldüğü gözlenmiştir. Gelecek çalışma olarak bu püskürtülen iyonların karakteristik özelliklerinin irdelenmesi ve üretilen itki miktarının ölçülmesi planlanmaktadır.
Özet (Çeviri)
Cube satellites, also known as cubesats, are compact spacecraft that are made up from 10x10x10cm sized cubes. Each one of these cubes are named units or U for short. Based on mission requirements the size of the cubesat can range from 1U to 27Us. Ever since their establishment in 1999 they have been used for academic and educational purposes. Advancements in the miniature electronic now enables these cubesats to perform at a higher grade and be used for commercial and scientific missions. Their compact nature make them affordable and easy to access. This compactness also means that the power and mass budget is very limited compared to the bigger satellite classes. Thanks to these restraints very few cubesats with propulsion systems have been launched into space to date. A propulsion system has the potential to provide greater missions envelope, extended lifespan, precise control for close formation flying and space debris reduction. Propulsion systems are grouped under two main categories as chemical and electric propulsion systems. Compared to the electrical propulsion systems chemical systems provide greater thrust at the cost of reduced efficiency. Since greater efficiency is vital due to compact nature of the cubesat, electric propulsion systems constitute a tempting solution as a propulsion systems. Among them, RF ion thrusters are viable candidates due to their scalability and simple design. Ion thrusters provide greatest propellant consumption efficiency among electric propulsion systems which makes them very preferable. This study presents the design of an RF ion thruster fit to be used in a cubesat. Theoretical knowledge and calculations are presented and the system is calculated to provide 550 µN of maximum thrust and up to 3000 s of specific imoulse. Design and experimental details are provided and based on these designs the actual model of the thruster is manufactured. Manufactured model was then tested at the Space Technologies Laboratory of Bogazici University (BUSTLab). During the tests it was observed that the ions are successfully accelerated and thrust is generated. Measurements of actual thrust levels and ion beam characteristics are left as future work.
Benzer Tezler
- Gemi elektrik sistemi ve acil durum jeneratörü kısmi yüklerini besleyen hidrojen yakıt pili modeli
Ship electrical system and fuel cell feeding emergency generator partial loads models
ZEHRA KONAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGazi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MÜSLÜM CENGİZ TAPLAMACIOĞLU
- Nano uydu ile konsept derin uzay görevi tasarımı
Concept deep space mission with nano satellites
ENES ERDOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Astronomi ve Uzay Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİM RÜSTEM ASLAN
- Miniature microstrip antenna for wireless communication using fractal and non-fractal geometries
Başlık çevirisi yok
ALI RASHID ABDULHAMEED
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAltınbaş ÜniversitesiElektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OSMAN NURİ UÇAN
- Mobil haberleşme sistemleri için minyatür mikrodalga düzenlerin tasarımı
Miniature microwave structures design for mobile communication systems
GÖKHAN KAPTAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2006
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiPamukkale ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Y.DOÇ.DR. CEYHUN KARPUZ
- Variable capacitor based mechanical energy-to-electrical energy converter
Ortamdaki mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çeviren kapasitör tabanlı devre tasarımı
ELİF AYDOĞDU
Yüksek Lisans
İngilizce
2007
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDULLAH ATALAR
PROF. DR. ERGİN ATALAR