Fleixble and compact preliminary thermal analysis tool for cubesats
Küp uydular için esnek ve kompakt ısıl analiz aracı
- Tez No: 803922
- Danışmanlar: PROF. DR. ALİM RÜSTEM ASLAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- 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: 101
Özet
Uzay sistemleri gün geçtikçe küçük ve ucuz hale gelmektedir. Bu küçülme ve ucuzlamanın sebebi hem daha erişilebilir olması hem de teknolojik bile¸senlerin boyutlarının her geçen gün daha küçük hale gelmesinden kaynaklıdır. Bu değişim her alanda olduğu gibi uzay alanında da etkisini göstermi¸stir. Küp uydular küçük ve düşük maliyetli uydulara örnektir. Küp uyduların popülerliği artmakta olup bu çalışma da küp uydular üzarine yapılmıştır. Her projenin kendine özel zorlukları olduğu gibi küp uydu projelerinin de zorlukları mevcuttur. Bu zorluklardan biri uzay ortamında ısıl kontrolünün sağlanmasıdır. Uzay ortamı birçok açıdan aşırı bir ortamdır ve bu aşırılıklardan biri ısıl ortamdır. Dünya yörüngesinin ısıl ortamında dikkate alınması gereken üç büyük ısı kaynağı vardır. Bunlardan en önemlisi ve etkilisi güneş radyasyonudur. Güneş radyasyonu, güneş tarafından ışınıma uğrayan enerjinin uzay boşluğuna bırakılması sonucu ortaya çıkar. Bu ışınım, yörüngedeki uyduya etki etmesi sonucu uydunun ısınmasına sebep olur. Güneşten uzaklaştıkça bu ışınımın etkisi azalır fakat Dünya yörüngelerinde bu etkinin değeri oldukça yüksektir ve analizlerin bunu dikkate alarak yapılması gerekmektedir. Yörünge hareketinin bir kısmında varlığını gösterir ve uydu, Dünyanın gölgesine girdiğinde etkisini gösteremez. Bir diğer ısı kaynağı güneşten ışınan enerjinin Dünya yüzeyinden yansıması sonucu yayılan radyasyondur. Bu radyasonun büyüklüğü Dünya yüzeyinin özelliklerine bağlıdır ve konuma göre değişir. Bu değere aklık derecesi denir ve yansıtılan ışığın oranını belirtir. Örneğin kutuplarda veya bulutların yoğun olduğu yerlerde aklık derecesini yükselteceği gibi ormanların ya da okyanusların yoğun olduğu yerlerde aklık derecesi düşecektir. Güneş radyasonunda da olduğu gibi Dünyanın gölgesinde etkisini gösteremez. Ayrıca yörünge hareketi boyunca yansıma açıları değiştiği için büyüklüğü de değişime uğrar. Son olarak Dünyanın yaydığı radyasyon, uydunun ısınmasına sebep olan bir diğer etkidir. Sıcaklığı mutlak sıfırdan yüksek olan her cisim ışınım yapar. Bu nedenle Dünyanın da ışınımı söz konudur ve yörünge ne kadar alçaksa o kadar yoğun hissedilir. Kızılötesi dalga boyunda yayılan bu enerji diğer ısı kaynaklarının aksine tüm yörünge boyunca etkisini gösterir. Bu enerjinin yoğunluğu Dünya yüzeynin sıcaklığına göre değişim gösterir. Örneğin kutuplar daha soğuk olduğu için Düyanın kızılötesi ışınımı değeri de düşer. Uydunun ısıl kontrolünün sağlanması için ısı kaynaklarının bilinmesi gibi sonrasında uydu ısı dağılımının hesaplanması için ısı geçiş mekaniklerinin de çalışılması gerekmektedir. Normalde ısı transferi üç farklı mekanik ile gerçekleşir. Bunlar; iletim, taşınım ve ışınım olmak üzere üç başlıkta incelenir. Taşınım yöntemi ile ısı transferinin gerçekle¸sebilmesi için bir akı¸skan ortamına ihtiyaç duyulur. Fakat uzay ortamı bir vakum ortamı olduğu için akışkan bir ortam mevcut olmadığı için iletim söz konusu değildir. Isı transferi genel olarak sıcaklık farklarından kaynaklanır ve sıcaklık dengesi sağlanana kadar devam eder. Uzay ortamında sadece iletim ve ışınım ile ısı transferi gerçekleşir. İleti, atomik veya moleküler düzeyde titreşim sonucu ısı aktarılmasıdır. Uzay sistemlerinde ısı yayan bileşenlerin yaydığı ısının dağıtılması genel olarak iletim yöntemiyle sağlanır. Işınım yoluyla ısı transferi, maddesel bir ortama gerek duymaksızın ışıma yapan cismin sıcaklığı nedeniyle yaydığı enerjidir. Işınımın miktarı cismin yüzey özelliklerine göre değişir. Bir diğer etmen ise cisimlerin birinin yaydığı ışınımın diğerine ulaşma oranıdır ve buna şekil faktörü denir. Bir cismin yaydığı ışınımın diğerine ula¸sması için birbirlerini görebiliyor olmaları gerekmektedir ve bu oranın hesaplaması şekil faktörü kullanılarak yapılır. Uzay ortamının sıcaklığı mutlak sıfır olarak kabul edildiği için uzay boşluğunu gören uydu bileşenleri devamlı olarak ısı kaybeder. Uzay sistemleri ısıl kontrolü için ısı transfer yöntemleri verimli olarak kullanılır. Örneğin ısınan bileşene bir parçanın temasının sağlanması ve sonrasında o parçanın uzay boşluğuna ışınım yapması ile üretilen ısı uzay boşluğuna dağıtılmış olur. Isıl kontrol yöntemleri aktif ve pasif olmak üzerek iki dalda incelenir. Pasif ısıl kontrol yöntemleri güç harcamadan yapılır. Önceki paragraftada açıklandığı gibi ısı transfer yöntemlerinin etkili bir şekilde kullanılmasıyla uydunun ısıl kontrolü genel anlamda pasif ısıl kontrol ile sağlanır. Bu tür yöntemlere örnek olarak cisimlerin yüzeylerinin kaplanılarak yüzey özelliklerinin değiştirilmesi verilebilir veya ısıl arayüz malzemesi kullanılarak yüzey pürüzleri iletken madde ile doldulur ve iletim yoluyla ısı tranferi değeri arttırılabilir. Diğer ısıl kontrol yöntemi ise aktif ısıl kontrol yöntemi olarak adlandırılır. Bu yöntem güç kullanılarak sağlanır ve çalışma sıcaklığı kritik değer aralıklarında olan bile¸senler için pasif kontrolün yetersiz kaldığı durumlarda kullanılır. Isıtıcı bu tür kontrole örnek olarak verilebilir. Küçük boyutları ve güç kaynağının kısıtlı olması sebebiyle küp uydularda genellikle pasif kontrol tercih edilir. Uzay ortamındaki ısı kaynakları ve ısı transfer yöntemleri incelendikten sonra uydunun matematiksel modelleri çıkarılır. Matematiksel modeller, geometrik matematiksel model ve ısıl matematiksel model olarak ikiye ayrılır. Geometrik matematiksel model, uydunun sadele¸stirilmiş geometrik yapısı ile ilgilenir. Hem iç hem de dış ışınım değerlerinin hesaplanmasında kullanılır. Çünkü yüzey şekil faktörü ışınımı etkileyen bir değerdir ve bu değerin hesaplanmasında sadece yüzey geometrik yapıları ve konumlandırılmaları etkilidir. Isıl matematiksel modelde ise ısıl özellikler kullanılır. Iletim değerlerinin, ısıl kütle ve ısı sığalarının hesaplanmasına yardımcı olur. Bu iki matematiksel model kullanılarak ısıl model elde edilir. Elde edilen ısıl model, ısıl denge formulünün hazırlanmasını sağlar. Isıl denge denklemi çözüldüğünde uydunun yörünge boyunca sıcaklık değerleri elde edilir. Bu çalışmada bir adi differensiyel denklem olan ısıl denklemi çözmek için sayısal yöntem olarak dördüncü derece Runge-Kutta yöntemi kullanılmıştır. Uzay sistemlerinin bileşenlerinin belirlenen sıcaklık limitleri arasında bulunması sıcaklık kaynaklı oluşabilecek sorunları önler. Bile¸senlerin uzun ömürlü olmasını ve performanslarını korumasını sağlar. Bu nedenle uzay sistemlerinin fırlatma öncesinde ısıl analizinin yapılması büyük öneme sahiptir. Bu çalışmada hızlı, esnek ve güvenilir bir ısıl analiz aracı geliştirilmiştir. Küp uyduların ısıl analizlerini gerçekleştirecek olan bu aracın herkes tarafından erişilebilir olması ve analiz süresinin önemli ölçüde kısa olması bu aracı ticari araçlardan ayrı kılan yönleridir. Geliştirilen aracın UBAKUSAT kullanılarak gerçekle¸stirdiği ısıl analiz sonuçları, ticari ısıl analiz programı olan Siemens NX analiz sonuçları ile karşılaştırılmış ve benzer sonuçlar elde edilmiştir. Geliştirilen ısıl analiz programı, analiz yapabilmek için belirli girdilere gerek duyar. Bu girdiler çalı¸samanın devamında belirtilmiştir. Girdilere birkaç örnek olarak yüzey koordinatları, malzeme ve yüzey özellikleri, temas yoluyla iletim ve ışınım matrisleri verilebilir. Yapılan analiz sonucu elde edilen yörünge boyunca sıcaklık değişimi ve ısıl davranış grafikleri kar¸sıla¸stırılmı¸stır. Ek olarak bu analizlerin harcadığı süreler de karşıla¸stırılmıştır. Sonuçlar tatmin edici ölçüdedir ve sonuç olarak geliştirilen araç küp uyduların erken tasarımlarında ısıl davranışı tahmin etmek için kullanılabilir.
Özet (Çeviri)
Thermal behaviour estimation is crucial for any space system. Temperature of the components needs to stay within their operating range. Thus, an analysis should be done and the design should consider the results of the analysis. Obtaining the exact temperature results requires a fully developed design, commercial software and time-consuming analysis runs. Therefore, affordable approximate temperature estimation is important for CubeSats in preliminary design stages or low-budget projects. In this study, a thermal analysis tool is developed using MATLAB that can execute a thermal analysis in much less time. Evaluating the temperature change in the orbit can be done by considering the thermal environment and internal heat exchanges. Thermal environment for Earth's orbits includes solar radiation, albedo radiation and Earth's infrared radiation. Internal heat exchange for a CubeSat considers only radiation and conduction between components and parts. External heat loads and internal heat exchanges are put together in the thermal network equation by using the conservation of energy rule. Thermal network equation is an initial value problem that is an ordinary differential equation with an initial condition and in this study, it is solved numerically using the fourth-order Runge-Kutta method. Also, transient solutions are studied in this thesis because boundary conditions in the space environment vary over time and the results will be more meaningful to compare. Steady-state solution can also be solved using average values of boundary heat fluxes. Components and parts are labelled as nodes and these nodes create the thermal network model. MATLAB code requires inputs to work. Inputs such as the surface coordinates of each node, material and coating selections for nodes and thermal coupling matrices for conduction and radiation. Radiation matrix should indicate if any radiative heat transfer is occurring between each node. Conduction matrix contains the contact conduction values between each node. Orbital parameters and the orientation of the satellite also need to be entered. These inputs provide flexibility for analysis. In this study, thermal analysis for the simplified model of the UBAKUSAT is performed using the developed MATLAB tool and Siemens NX software. Both analyses and run times are compared to each other for different scenarios. Similar results are found for each scenario and the code takes much less time to analyse.
Benzer Tezler
- Heterotrimeric G-protein alpha (α) subunit from A. thaliana (AtGPA1)) forms trimeric structures in solution
A. thaliana G-proteini alfa (α) altbirimi (AtGPA1) bulunduğu ortamlarda trimerik yapılar oluşturur
ERSOY ÇOLAK
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
BiyofizikSabancı ÜniversitesiMoleküler Biyoloji-Genetik ve Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZEHRA SAYERS
- Embedded vision system designed on a heterogeneous computing platform and applied to semen analysis
Heterojen hesaplama platformu üzerinde tasarlanan gömülü görüntü sistemi ve semen analizi uygulanması
OSMAN LEVENT ŞAVKAY
Doktora
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MÜŞTAK ERHAN YALÇIN
- Compact, flexible and fast coprocessor design for elliptic curve pairing operation on reconfigurable hardware
FPGA üzerinde eliptik eğri pairing operasyonu için esnek, kompakt ve hızlı işlemci tasarımı
ERTUĞRUL MURAT
Yüksek Lisans
İngilizce
2011
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolSabancı ÜniversitesiBilgisayar Bilimleri ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERKAY SAVAŞ
- Düşük maliyetli bir Raman spektroskopi sistemi tasarımı, kurulumu ve nanoyapılar ile birlikte tanıda kullanımı
A low cost Raman spectroscopy system: Design, construction and utilization in detection with nanostructures
ORHAN ERDEM HABERAL
Doktora
Türkçe
2017
BiyomühendislikHacettepe ÜniversitesiBiyomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERHAN BİŞKİN
- Bor triflorür dietil eterat'ın tiyofen (Th) ve türevlerinin elektropolimerizasyonuna etkisi: Elektrokimyasal empedans çalışması
The effect of boron tri-floride di-ethyl etherate on the electropolymerization of Th and their derivatives: The study of electrochemical impedance spectroscopy
HACER DOLAŞ