Investigation of spacecraft surface charging for a telecommunication satellite at geosynchronous orbit
Jeosenkron yörüngedeki bir haberleşme uydusu için yüzey elektriklenmesinin incelenmesi
- Tez No: 837253
- Danışmanlar: PROF. DR. ZEREFŞAN KAYMAZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Astronomi ve Uzay Bilimleri, Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Meteoroloji, Astronomy and Space Sciences, Aeronautical Engineering, Meteorology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Meteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Atmosfer Bilimleri Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 177
Özet
Haberleşme uyduları, güneş odaklı meydana gelen olaylar sırasında yüksek enerji ve yoğunluğa sahip plazma ortamıyla karşılaştığında uydu alt sistemlerinde yüzey ve derin dielektrik elektriklenme gibi kritik sayılabilecek anomaliler ortaya çıkmaktadır. Uydularda meydana gelen bu anomaliler, güç ve veri alt sistemlerini etkileyebilmekte, uzay aracının yönelim açısından oryantasyonunu değiştirebilmekte, uydunun çalışma modlarını değiştirebilmekte ve uydu operatörlerinin düzenli operasyonlar yapmasını engelleyerek uçuşta ciddi arızalara yol açabilmektedir. Uzay ortamında meydana gelen yüksek enerji olayları sırasında jeosenkron yörüngede uydu operatörleri tarafından daha önce karşılaşılan ve sistem ve alt sistem düzeyinde uzay aracı arızalarına yol açan kaydedilmiş pek çok önemli anomali olayı vardır. Jeosenkron yörüngedeki yüzey elektriklenmesi, yerinde ölçümler ve fiziksel yani ortamı daha iyi tanımlayan ve davranışını inceleyen modeller kullanılarak incelenmelidir. Bu şekilde ortam modelleri geliştikçe, yani gerçeğe daha yakınlaştıkça, yüzey elektriklenmesinin daha iyi anlaşılacağı ve buna karşı tedbirler oluşturulabileceği açıktır. Bu bağlamda, Spacecraft Plasma Interaction Software (SPIS) yazılımıyla 3D hücre içinde parçacık (PIC) simülasyonları çalıştırılarak plazma parametreleri parametrizasyonu ve yüzey elektriklenmesine etkileri incelenmiş, en kötü uzay ortamı durumlarında uydu yüzeylerinin elektriklenme davranışları belirlenmiş ve fiziksel bir elektron ve proton tahmin modeli ile basit bir tahmin ve değerlendirme yaklaşımı önerilmiştir. Comprehensive Inner-Magnetosphere Ionosphere (CIMI) Modeli, Dünya'nın gece tarafında, 10 RE mesafeye kadar elektron ve iyon akılarını veren bir iç manyetosfer modelidir. Bu model, ACE ve WIND gibi Lagrange 1 (L1) yörüngesinde bulunan uzay ortamı gözlem uyduları tarafından yapılan güneş rüzgarı gözlemleriyle yürütülen, daha sonra parçacık faz dağılım fonksiyonunu (fs) çözmek için gelişmiş adveksiyon-difüzyon denklemini dikkate alarak parçacık taşıma ilkelerini çözen zamana bağlı bir modeldir. Çalışmamızda CIMI modeli 3 adet şiddetli gerçek jeomanyetik fırtına seçilerek (Kasım 2003, Mayıs 2005 ve Mart 2015), birkaç ana MLT konumda (00:00, 06:00, 12:00 ve 18:00) çalıştırılmış ve belirlenen vakalar için elektron ve proton enerji ve yoğunluk değerleri elde edilmiştir. CIMI simülasyonları sonucunda elde edilen toplam elektron ve toplam proton akıları ile farklı enerji seviyeleri için popülasyon yoğunlukları [#/cc] hesaplanmış, elde edilen plazma popülasyonları sırasıyla üçlü Maxwell (e-) ve tekli Maxwell (p+) dağılımına yayıldıktan sonra ortalama popülasyon enerjileri belirlenmiştir. Uyduda meydana gelebilecek olan elektriksel anomalilerin diğer bir kaynağı ise güneş panelinin yörüngedeki değişken konfigürasyonu olarak ele alınabilir, zira 3 eksen kontrollü jeosenkron haberleşme uydularında alt sistemlere elektrik güç sağlayan bu panel sürekli olarak güneşi takip ederek uydu gövdesi Dünya'yı takip ederken devamlı dönmektedir. Bu nedenle çalışmada dinamik güneş paneli konfigürasyonu tercih edilerek GEO haberleşme uydusu konfigürasyonu farklı MLT noktalarında bu konsepte göre modellenmiştir. CIMI'den elde edilen plazma parametreleri ile farklı uzay ortamları ve uydu konfigürasyonları için SPIS simülasyonları üretilmiştir. Gerçekçi güneş sapma açısı, yılın hangi gününde bulunulduğuna göre hesaplanarak simülasyonlarda dahil edilmiş ve yüksek doğruluk için Dünya'yı işaret eden telekomünikasyon uydusunun oryantasyonuna göre değişen güneş paneli konfigürasyonu ile MLT yönelimine karşılık gelen yüzey mutlak ve diferansiyel elektriklenme tahmin sonuçları yüzeyler için belirlenerek karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak bu çalışma, jeosenkron yörüngedeki bir haberleşme uydusu için temel plazma parametrelerinin, parçacık popülasyonu enerji ve yoğunluk değerleri, yüzey elektriklenmesi olayına etki ettiğini göstermektedir. Artan enerji düzeyi ve yoğunluk değerleri parametrizasyonu ile yapılan simülasyonlar doğrultusunda artış gözlenmiştir. Benzer şekilde fotoiyonizasyonun olmadığı tutulma durumlarında uydu yüzeyleri günışığı kondisyonuna göre oldukça negatif yüklenmektedir, bu durum uydu şasisi için olumsuz bir durum oluşturmazken dielektrik materyaller için daha fazla diferansiyel potansiyel farkını doğurup materyal özelliklerine bağlı olarak kritik eşik durumunda elektrostatik deşarj ve elektrik ark gibi olayların meydana gelebileceğini de göstermektedir. En kötü durum koşullarında yapılan simülasyonlarda güneş hücresi kaplaması materyalinde parametrik analiz sonuçlarıyla benzer kritik durumlar görülmektedir. Elde edilen sonuçlarda güneş paneli hücresi malzemesi özelinde yaklaşık -5 kV'luk yüzey potansiyel değerlerine erişilirken, aynı malzeme kimi uzay durumlarında diferansiyel potansiyel bakımından yaklaşık 3 kV mertebesine erişmektedir, bu da kritik potansiyel değerinin oldukça üzerindedir ve elektrik ark ile elektrostatik deşarj gibi olayların doğmasına neden olabilir. Gerçekçi vaka analizi sonuçlarındaki diferansiyel elektriklenme değerlerine bakıldığında 00:00 – 06:00 arasında kalan bölgede ve özellikle 06:00 MLT bölgesi çevresinde yüksek seviyede yüzey elektriklenmesi oluşturabilecek potansiyel değerleri gözlenmiştir. Yapılan simülasyonlarda bu durum tutulma senaryosu olan Mart 2015 vakası için daha kritik düzeylerde olduğu görülmektedir. Bu çalışmada, CIMI iç manyetosfer uzay ortamı modeli çıktıları literatürde ilk kez SPIS programı girdisi olarak yüzey elektriklenmesi simülasyonlarında kullanılmıştır. Literatürdeki pek çok“en kötü uzay ortamları”bir araya getirilerek daha kapsamlı bir analiz metodolojisi yürütülmüştür. Güneş panelleri MLT konfigürasyonuna göre değiştirilerek analizlerin doğruluğu arttırılmış ve ana MLT sektörlerinin yüzey elektriklenmesine etkileri incelenmiştir.
Özet (Çeviri)
Telecommunication satellites encounter with high density energetic plasma environment during events originated from the Sun and some major anomalies could arise in the forms of surface and deep dielectric charging concepts. The anomalies which develop in the spacecraft in orbit may affect the power and data subsystems, can change the spacecraft attitude in terms of orientation, can modify satellite operational modes and prevent the satellite operators to conduct regular operations which may lead to catastrophic failures in flight. There are numerous incidents which have previously been encountered by satellite operators on geosynchronous orbit during space weather events that have lead to system and subsystem level spacecraft failures. Surface charging on geosynchronous orbit should be monitored continuously by in-situ measurements and predicted by realistic models. In this context, plasma properties parametrization and effects on surface charging is investigated, behaviors of surface elements under the worst-case space eenvironments are analyzed and a realistic surface charging estimation approach is proposed by driving a 3D particle-in-cel (PIC) simulation with a realistic electron and proton populations with inner-magnetosphere model. Comprehensive InnerMagnetosphere Ionosphere (CIMI) Model is a inner magnetosphere model which develops electron and ion fluxes up to 10 RE behind the Earth on the nightside. This model is a time dependent model which is driven with the solar wind observations made by Lagrange 1 (L1) spacecrafts such as ACE and WIND, then solves the particle transport principles considering advanced advection-diffusion equation for solving particle phase distribution function (fs). As a result of CIMI simulations, several major MLT locations (00:00, 06:00, 12:00 and 18:00) are chosen to study the spacecraft surface charging. Electron and proton density and energy data were obtained from CIMI for selected three large geomagnetic storms events; November 2003, May 2005 and March 2015 substorms. These model outputs later are used as inputs for SPIS simulatons to obtain spacecraft charging levels for our hytpotehtical spacecraft at geosyncronous orbit. For 21 November 2003 09:59 UT, 15 May 2005 19:49 UT and 19 March 2015 16:44 UT, electron and proton populations are fitted into triple-Maxwellian and mono-Maxwellian distributions respectively and SPIS simulations are produced with these plasma properties obtained from CIMI simulation results. Realistic solar declination angle is introduced with respect to day of year and varying solar array configuration with respect to spacecraft attitude with corresponding Magnetic Local Time (MLT) orientation of the Earth pointing telecommunication satellite is considered in simulations for improved accuracy in surface charging estimation results. The study shows how main plasma parameters, population energies and densities, affect the surface charging phenomena; moreover, telecommunication satellites in GEO orbit experiencing the electron belt could be charged up to several negative tens of kV's of frame potentials and up to several kV's of differential potentials on dielectric surface materials. Eclipse conditions are quite dangerous for surface charging phenomena to occur since the absolute and differential potential values develop even further. The worst-case environmental investigation approach was used for the extreme case study simulations implemented in SPIS with the same satellite configuration. The results of this experiment showed that the worst-case space environments create appropriate conditions for high surface potentials on the critical materials. CMG material builds an absolute potential up to around -5 kV for reasonable space environments and differential potential up to around 3 kV which is over the critical arcing and discharge thresholds. The realistic surface charging estimation proposal was analyzed as well for three selected storm cases where the surface potential of dielectrics could develop quite negative values around local midnight through dawn sectors which is expected and validated by the simulation results. The satellite flight configuration could change the surface charging slightly due to the fact that incoming solar flux will create a differential and unequal satellite charging as the spacecraft fly on its trajectory with respect to the Sun. In this study, the CIMI model outputs are used for the first time as SPIS program surface charging simulation inputs. Widely used and numerous worst-case space environments were analyzed together for comprehensive and diverse investigation of surface charging phenomena. By changing the orientation of solar panels according to the MLT configuration, the accuracy of simulations was increased and the effects of the main MLT sector locations of surface charging were examined.
Benzer Tezler
- Eğrisel kanal içerisine bilye yerleştirilerek oluşturulan gözenekli ortamlarda akış ve ısı geçişinin deneysel incelenmesi
Experimental investigation of flow and heat transfer in curved channels with porous media formed by filling balls
MUSTAFA YASİN GÖKASLAN
Doktora
Türkçe
2021
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LÜTFULLAH KUDDUSİ
- An investigation of drag for low earth orbit satellites
Alçak yörünge uydularında sürüklemenin incelenmesi
MUSTAFA KORKUT ÖZARSLAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MELİKE NİKBAY
- 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
- Silika-fenolik kompozitlerin üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of silica-phenolic composites prepared with compression molding method
ÖNDER GÜNEY
Doktora
Türkçe
2016
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERDEM DEMİRKESEN
- Güneş yelkeni teknolojisinin teorik olarak incelenmesi
Theoretical investigation of solar sail technology
KENAN ANIL KILIÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Astronomi ve Uzay BilimleriGazi ÜniversitesiFotonik Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SÜLEYMAN ÖZÇELİK