An investigation of drag for low earth orbit satellites
Alçak yörünge uydularında sürüklemenin incelenmesi
- Tez No: 845532
- Danışmanlar: PROF. DR. MELİKE NİKBAY
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık ve Uzay 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: 95
Özet
Uzay araştırmaları, insanlığın evrene dair merakı ile onu tanıma, ona dair bilgi edinme ve inovasyon çabalarının temel taşlarından biri olmuştur. Uydular, bu amaç için hayati bir rol oynamaktadır. Uzay teknolojisinde ilerleme kaydedildikçe, özellikle alçak Dünya yörüngesi rejiminde uydu aerodinamiği çalışmaları giderek daha önemli hale gelmektedir. Atmosferde karşılaşılan sürükleme kuvveti, uydu tasarımı ve operasyonları için önemli zorluklara sebep olmakta, bu önemli araçların hem ömrünü hem de işlevselliğini etkilemektedir. Bu çalışma, atmosferik sürükleme ile alçak Dünya yörüngesindeki uydu performansı arasındaki karmaşık ilişkiye odaklanarak bu rejimdeki uydu aerodinamiğini incelemeyi hedeflemektedir. Alçak Dünya yörüngesinde çalışacak bir uzay aracı tasarlamak, atmosferik gaz parçacıklarının aracın yüzeyleriyle etkileşiminden kaynaklanan aerodinamik kuvvetlerin ayrıntılı bir şekilde anlaşılmasını gerektirir. Alçak Dünya yörüngesindeki bir uyduyu etkileyen en belirgin aerodinamik kuvvet sürükleme kuvvetidir. Alçak Dünya yörüngesindeki uydu aerodinamiğinin incelenmesi, uzay operasyonlarındaki yeteneklerimizi geliştirmek için hassas bir öneme sahiptir. Bu tez, atmosferik sürüklemenin dinamiklerini ve bunun uydu işlevselliği üzerindeki derin etkisini araştırmak üzere hazırlanmıştır. Araştırma, uydu özellikleri ile çevre şartları arasındaki karmaşık ilişkiyi araştırarak, sürükleme kuvveti modellemesinin karmaşıklığını ve bunun uydu görevi planlama ve yürütmedeki bütünleyici vazifesini incelemektedir. Çalışma boyunca, hesaplamalı yöntemlerin tarafsız bir değerlendirmesine ve bunların uydu sürükleme olayını simüle etmedeki etkinliğine odaklanılmıştır. Aerodinamik kuvvetlerin ayrıntılı bir değerlendirmesi, bu kuvvetlerin tahmin edilmesindeki isabetin önemine vurgu yapılarak sunulmaktadır. Çalışma, teorik kavramları açık bir biçimde, sistematik olarak sunmayı hedeflemekte ve alçak Dünya yörüngesindeki uyduların aerodinamik modellemesindeki en son teknolojiye kapsamlı bir bakış sunmaya çalışmaktadır. Sürükleme kuvveti iyi bilinen bir olgu olmasına rağmen, sürükleme modellemesinin doğasında mevcut olan belirsizlikler ve öngörülemezlikler sebebiyle isabetli bir şekilde tahmin edilmesi çeşitli zorluklar içermektedir. Sürükleme modellemesi, alçak Dünya yörüngesindeki uzay aracı operasyonları için önemli bir belirsizlik kaynağı olarak karşımıza çıkar ve genellikle sistemde sınırlı ancak bilinmeyen bir bozucu etken olarak ele alınır. Sürükleme kuvvetlerinin sebep olduğu bu tür bozucu etkenlerin daha iyi anlaşılması, görev analizlerinin ve yörünge tahminlerinin kesinliği üzerinde doğrudan bir etkiye sahip olacaktır. Örneğin, uydunun yörünge irtifasında sürükleme kuvveti kaynaklı bir azalma ve bunun neticesinde atmosfere yeniden giriş (reentry) şeklinde kendini gösterebilecek etkiler, bunların uzay aracının tasarımında göz önünde bulundurulması vasıtasıyla geliştirilecek stratejilerle ya en aza indirilebilir ya da telafi edilebilir. Bu, sürüklemeyi azaltmak için uydunun geometrisini veya yönelimini optimize etme gibi teknikler kullanılarak yapılabilir ve bunun bir sonucu olarak çarpışma önleme için gelişmiş yörünge takibi, yeniden giriş pencerelerinin ve enkaz çarpma alanlarının daha doğru hesaplanması ve daha iyi yakıt yönetimi gibi faydalar elde edilebilir. Ek olarak, uzay aracının kapsamlı bir aerodinamik analizi, sürüklemenin azaltılması, yörünge altı uçuşlar, optimum sürükleme veya aerodinamik kuvvetler yoluyla yörünge ve uçuş durumunu kontrol edilmesi gibi aerodinamik kuvvetlerin önemli birer rol oynadığı yeni uzay görevleri için faydalı olabilir. Sonuçta, alçak Dünya yörüngesindeki bir uzay aracı tasarımının başarısı, aracın maruz kaldığı aerodinamik kuvvetlerin kapsamlı bir şekilde anlaşılmasına ve mühendislerin bu bilgiyi alçak irtifalarda çalışmanın yarattığı zorlukların üstesinden gelmek için kullanma becerisine bağlıdır. Bununla birlikte, uydu sürüklemesinin modellenmesi, yoğunluk ve sürükleme katsayısı için kesin olmayan modeller nedeniyle, alçak Dünya yörüngesi operasyonlarında ana belirsizlik kaynağıdır. Doğru sürükleme katsayısı modellemesi aynı zamanda uydu ivme verilerinden kütle yoğunluğunun tahmin edilmesini sağlayarak üst atmosferin fiziği ve dinamiklerine ilişkin kavrayışımızı da geliştirebilir. Geçtiğimiz on yılda, sürükleme katsayısı modellemesini geliştirmek ve bununla ilgili belirsizliği azaltmak için önemli çabalar sarf edilmiştir. Ancak bu çabalar, sürükleme katsayılarını tahmin etmek için birden fazla yöntem ve aracın geliştirilmesiyle sonuçlanmıştır. Çalışmamızda panel yöntemi, Doğrudan Benzetim Monte Carlo ve Test Parçacığı Monte Carlo gibi yöntemler dahil olmak üzere mevcut sürükleme katsayısı modelleme metotlarının ve bunlar kullanılarak geliştirilen araçların kapsamlı bir incelemesi sunulmuş, her yaklaşımın güçlü ve zayıf yönleri ayrıntılı bir şekilde tahlil edilmiş ve bu yaklaşımların faydaları ve yetersizlikleri belirlenmeye çalışılmıştır. Tezin ana hedefi, uydu aerodinamiği alanının temel taşı olan uydu sürüklemesini modellemek için kullanılan hesaplama tekniklerini metodik ve tarafsız bir değerlendirmeye tabi tutmak olarak ifade edilebilir. Tercih edilecek hesaplamalı yöntem, akış alanının tanımına dayanmaktadır. Alçak Dünya yörüngesindeki çoğu uzay aracı için akış alanı, belirli şartlar dahilinde, serbest moleküler akış olarak nitelendirilebilir. Serbest moleküler akışı, moleküller arası çarpışmaların az olduğu ve gaz-yüzey etkileşimlerinin baskın olduğu akış bölgesi olarak tanımlamak mümkündür. Belirtilen ana hedef doğrultusunda düşük Dünya yörüngesindeki araçlar için $C_D$ değerini ve ilgili aerodinamik katsayıları belirlemek üzere yapılan bu çalışma, öncelikle gaz-yüzey etkileşimlerinin temel fiziğini gözden geçirmektedir. Buradaki fiziksel etkileşimler, uydunun tasarımı ile irtifası gibi çeşitli faktörlerin tesirlerini anlamak için önem arz eder. Sürükleme katsayısı modellemesindeki gelişmeler, gaz yüzeyi etkileşimlerinin doğasını inceleyen çalışmalar ve uyduların aerodinamik analizinde kullanılan hesaplama yöntemleri ve araçları ile ilgili literatüre dair kapsamlı bir inceleme sunulmaya çalışılmıştır. Bu inceleme daha sonraki analizler için bir temel oluşturmayı amaçlamaktadır. Daha sonra kullanılan yöntem ve hesaplama araçları hakkında kapsamlı bilgi verilmiştir. Nihai olarak bu çalışmanın teorik aerodinamik ile pratik uydu mühendisliği arasındaki karşılıklı etkileri anlamaya matuf olduğu söylenebilir. Uzay araçlarının alçak Dünya yörüngelerindeki zorlu ortamda tasarımı ve işletimine ilişkin hususların anlaşılması ve sunulması hedeflenmiştir. Sistematik bir yaklaşımla uyduların aerodinamik analizine ilişkin bilgi birikimine ve uzay teknolojisi alanında devam eden araştırmalara katkıda bulunma ihtimali bu çalışma için önemli bir motivasyon kaynağıdır.
Özet (Çeviri)
The exploration of space has been a cornerstone of human innovation and curiosity, with satellites playing a vital role in advancing our understanding of the universe. As we continue to push the boundaries of space technology, the study of satellite aerodynamics becomes increasingly important, particularly within the low Earth orbit regime. Atmospheric drag poses significant challenges for satellite designers and operators, affecting both the longevity and functionality of these crucial tools. This thesis delves into the complex world of satellite aerodynamics, focusing on the intricate relationship between atmospheric drag and satellite performance in low earth orbit. Designing a spacecraft for operation in low Earth orbit involves a detailed understanding of the aerodynamic forces and torques arising from atmospheric gas particles' interaction with the vehicle's surfaces. The prominent aerodynamic force affecting a satellite in low Earth orbits is the drag force. The study of satellite aerodynamics within the low Earth orbit domain is critical to advance our capabilities in space operations. This thesis explores the dynamics of atmospheric drag and its profound impact on satellite functionality. By investigating the intricate relationship between satellite characteristics and environmental conditions, the research presents an examination of the complexities of drag force modeling and its integral role in satellite mission planning and execution. Throughout the thesis, the focus remains on a neutral assessment of computational methods and their effectiveness in simulating satellite drag phenomena. A detailed evaluation of aerodynamic forces is presented, with an emphasis on the importance of precision in predicting these forces. The work tries to systematically bridge theoretical concepts with empirical analysis, offering a comprehensive view of the state-of-the-art in aerodynamic modeling of low-Earth orbit satellites. Even though drag force is a well-known phenomenon, it nevertheless poses challenges in being effectively anticipated because of the unpredictability inherent in drag modeling. Drag modeling represents a major source of uncertainty for spacecraft operations in low Earth orbit and it is usually treated as a bounded but unknown disturbance to the system. An improved understanding of such disturbances caused by drag forces will have a direct effect on the precision of mission analyses and orbital predictions. For example, the decrease in the satellite's orbital altitude and eventual reentry caused by drag can be either minimized or compensated with the strategies developed by incorporating this effect into the design of the spacecraft. This may involve techniques such as optimizing the satellite's geometry or orientation to reduce drag, and eventually lead to benefits such as improved orbit tracking for optimal collision avoidance, more accurate calculation of re-entry windows and debris impact areas, and better fuel management with the help of incorporating new systems. Additionally, a thorough aerodynamic analysis of the spacecraft is necessary to explore new missions where aerodynamic forces play a crucial role, such as drag reduction, suborbital flights, optimal drag, or controlling trajectory and attitude through aerodynamic forces and torques. Ultimately, the success of a low Earth orbit spacecraft design depends on a comprehensive understanding of the aerodynamic forces experienced by the vehicle and the ability of engineers to use this knowledge to overcome the challenges posed by operating at low altitudes. However, modeling satellite drag is the major source of uncertainty in very low Earth orbit operations due to imprecise models for density and drag coefficient. Accurate drag coefficient modeling also affects our understanding of the upper atmosphere's physics and dynamics by enabling mass density estimation from satellite acceleration data. Over the past decade, substantial efforts have been made to improve drag coefficient modeling and reduce the uncertainty associated with it. However, these efforts have resulted in the development of multiple methods and tools to predict drag coefficients. A comprehensive examination of the available drag coefficient modeling methods, including panel method, Direct Simulation Monte Carlo, and Test Particle Monte Carlo, and the tools developed using these methods, has been carried out, performing a detailed analysis of each approach's strengths and weaknesses and determining each method's benefits and limitations. Central to the discourse is a methodical and impartial evaluation of computational techniques to model satellite drag, a cornerstone in the domain of satellite aerodynamics. The selection of a computational method is based on the description of the flow field. For most spacecraft in low Earth orbit, the flow field is dominated by free molecular flow, meaning that inter-molecular collisions are scarce and gas-surface interactions are predominant. With the primary objective of determining the value of $C_D$ and associated aerodynamic coefficients for objects in very low Earth orbit, this study first reviews the underlying physics of gas-surface interactions, which is essential to understand how various factors, such as the design and altitude of a satellite in orbit, influence the drag coefficient. A thorough review of the literature is provided regarding developments in drag coefficient modeling, studies examining the nature of gas surface interactions, and computational methods and tools used for the aerodynamic analysis of satellites. This review aims to establish a foundation for subsequent analysis. Then the method and computational tool used are explained in detail. In essence, this thesis investigates the interface between theoretical aerodynamics and practical satellite engineering, detailing considerations for the design and operation of spacecraft in the challenging environment of low Earth orbits. Through a systematic approach, it aims to add to the body of knowledge on aerodynamic analysis of satellites and potentially serve as a reference for ongoing research in the field of space technology.
Benzer Tezler
- Doğru hız kestirimi için aylık GPS kampanyalarının performansı üzerine bir inceleme
An investigation on the performance of monthly GPS campaigns for speed estimation
SİMGE TEKİÇ RAHMANLAR
Doktora
Türkçe
2019
Jeodezi ve Fotogrametriİstanbul Teknik ÜniversitesiGeomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERSOY ARSLAN
PROF. DR. DOĞAN UĞUR ŞANLI
- A study on upper atmospheric joule heating using observations and coupled models and a space weather consequence: Geomagnetically induced currents
Yukarı atmosfer joule ısınmasının gözlem ve uzay havası modelleri kullanarak kapsamlı incelenmesi ve bir uzay havası uygulaması: Jeomanyetik akımlar
EMİNE CEREN EYİGÜLER
Doktora
İngilizce
2018
Astronomi ve Uzay Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiMeteoroloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZEREFŞAN KAYMAZ
- Yanal basınçların keskilerin kesme performansına olan etkilerinin araştırılması
Başlık çevirisi yok
İSMAİL BİLGE
Yüksek Lisans
Türkçe
1996
Maden Mühendisliği ve Madencilikİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. NUH BİLGİN
- Püskürtmeli kurutucuda trona çözeltisi ile yapılan desülfürizasyon çalışmaları ve CFD simülasyonu
Başlık çevirisi yok
S.CELAL KARAKAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÜLHAYAT NASÜN (SAYGILI)
- Kanat-uçkanat etkileşiminin sayısal analizi
Numerical analysis of wing-winglet configuration
NURHAK ERBAŞ