Brute force launch vehicle ascent trajectory assessment with a novel vectorized simulator

Vektörize benzetici ile fırlatma araçlarının yükseliş yörüngesini kaba kuvvet değerlendirme

PDF İndir

Tez No: 863661
Yazar: AHMET ENES YÜCEYURT
Danışmanlar: PROF. DR. ALİM RÜSTEM ASLAN
Tez Türü: Yüksek Lisans
Konular: Uçak Mühendisliği, Aeronautical Engineering
Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
Yıl: 2024
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: 147

Özet

Fırlatma hizmetlerine olan talep, uydu teknolojilerinin kullanım alanlarının artması ile birlikte son zamanlarda çok hızlı bir şekilde artmaktadır. Artan bu talebi fark eden özel sektör firmaları da ekonomik değer üretmek için bu alanda artan bir şekilde yer almaya başlamıştır. SpaceX, RocketLab ve Firefly Aerospace gibi özel firmaların fırlatma sektöründe elde ettikleri başarı, diğer girişimcilerin de bu alanda faliyet gösterme isteğini arttırmıştır. Mevcut durumda fırlatma hizmeti sağlayan firmaların, uydu fırlatmak için oluşan talebi karşılayamaması sebebiyle oluşan arz talep dengesizliği piyasaya yeni çıkacak fırlatma araçları için hazır müşteri portföyü oluşturmaktadır. Sürekli büyüyen uzay ekonomisi birçok ülke için fırlatma aracı geliştirme projelerine yönelik olarak katalizör etkisi yaratmıştır. Hem devletler hem de yüksek teknoloji alanında yatırım yapmaya hevesli olan özel girişim firmaları, artan bu uzay ekonomisi pastasından payını almak için çeşitli fırlatma aracı geliştirme projeleri başlatmaktadır. Yeni teknolojik trendlerin yakalanabilmesi açısından da artan uzay çalışmalarında yer alabilmek birçok ülke, firma ve girişimciler için de önem kazanmıştır. Ülkeler için yörüngeye erişim kabiliyeti, politik ve ekonomik olarak da büyük avantajlar sağlamaktadır. Çok az ülkede yörüngeye ulaşma kabiliyeti bulunduğu için kabiliyeti bulunmayan diğer ülkelerin uydularını yörüngeye yerleştirmesi için çoğu durumda bu ülkelerle siyasi ve ekonomik olarak güçlü ilişkileri bulunması gerekmektedir. Birçok durumda fırlatma kabiliyeti bulunan ülkeler diğer ülkelerin istihbarat kapasitesini arttıracak uydularını yörüngeye yerleştirmeyi tercih etmemektedir. Bu durum fırlatma aracına sahip olmayan ulusların uzaydaki bağımsızlığını tehdit ettiği için birçok ulus kendi fırlatma aracı programını başlatmaktadır. Fırlatma aracı olan ülkeler kendi uydularını diğer ülkelerin kısıtlaması olmadan özgürce yörüngeye yerleştirerek uzay tabanlı teknolojilerden daha verimli olarak yararlanabilmektedir. Kendi fırlatma aracı olan ülkeler, uzay tabanlı teknolojiler açısından, ekonomik, askeri ve bilimsel ilerleme olarak önemli bir avantaj elde etmektedir. Özellikle uydu teknolojilerinin ve kabiliyetlerin her geçen gün arttığı günümüz Dünya'sında uzay konusunda söz sahibi olabilmek güçlü ülkeler için oldukça kritik olmaktadır. Ayrıca son zamanlarda tekrardan Ay'a erişim için başlayan uzay yarışının da fırlatma sektörü üzerinde, fırlatma talebini arttırıcı yönde olumlu etkilerinin olması beklenmektedir. Bu tezin sunduğu vektörize benzetici gibi araçların gerekliliği, yörüngeye erişim yeteneği olmayan ülkelerin uzay teknolojisi geliştirme yolunda karşılaştıkları benzersiz zorluklar göz önünde bulundurulduğunda, açıkça ortaya çıkmaktadır. Fırlatma araçlarını geliştirmek, kompleks ve kaynak tüketici yoğun bir çaba gerektirip, genellikle bütçesel ve teknolojik anlamda sınırlamalarla kısıtlanmaktadır. Bu nedenle fırlatma araçlarının kavramsal tasarım süreçlerinde etkin ve sofistike araçlar kullanmak hayati öneme sahiptir. Kavramsal tasarım aşamasında maliyet etkin çözümler üretebilmek ve mevcut altyapılarla üretimin ve erişilebilirliğin sağlanabileceği şekilde optimize edilmiş araçların çıkartılması proje bütçesi üzerinde önemli etkilerde bulunmaktadır. Fırlatma araçlarının alt sistemlerinin etkin bir şekilde optimize edilebilmesi için uçuş performansı ile birlikte yörüngeye çıkartabileceği faydalı yük miktarının hızlı bir şekilde belirenebilmesi oldukça önemlidir. Böylelikle tasarımların erken aşamalarında aracın faydasını arttıracak kritik tasarım kararlarının alınmasını kolaylaştıracaktır. Vektörize benzetici, fırlatma aracı yükseliş uçuşunda manevra uzayını taramak için hızlı ve etkin bir yol sunmakta, böylece şirketlerin kaynaklarını optimize etmelerine ve geliştirme sürecini hızlandırmalarına olanak tanıyabilmektedir. Bahsekonu program, fırlatma aracı tasarım alternatiflerinin hızlı bir şekilde performanslarının değerlendirilmesini ve rafine edilmesini kolaylaştırarak tasarım iterasyonunun otonomlaştırılmasında önemli bir yere sahiptir. Fırlatma araçlarının tasarım aşamasının kritik yapıtaşlardan biri yörünge optimizasyonudur. Bu süreç, etkili, maliyet-etkin ve başarılı görevlerin gerçeklenmesi için büyük öneme sahiptir. Optimal yörüngeler, yakıt tüketimini azaltıp, görev yükü kapasitesini maksimize eder ve aynı zamanda uçuş boyunca güvenlik standartlarını sağlamada rol oynar. Fırlatma aracının alt sistemleri ile birlikte optimizasyon iterasyonuna girildiğinde çok yüksek sayıda yörünge simülasyonu ve optimizasyonunun da birlikte yapılması gerekmektedir. Bu teze bahsekonu olan yazılım, bu alanda ileri düzey araçlara olan ihtiyaç gözetilerek geliştirilmiştir. NASA tarafından geliştirilmiş olan“Simüle Edilmiş Yörüngeleri Optimize Etme Programı”na (POST) benzer şekilde, bir görevin kısıtları dahilinde optimal bir yörünge bulmak için çok sayıda yörüngeyi değerlendirme kapasitesine sahip yenilikçi bir yaklaşım uygulanmıştır. POST, ABD içerisindeki havacılık uzay şirketleri arasında yaklaşık 50 senedir yükseliş uçuşu yörünge optimizasyonu için kullanılmakta olup, yalnızca ABD içerisindeki havacılık uzay kurumları için kullanıma açık olan kapalı kaynak bir yazılımdır. 50 yıla yakın bir süredir yazılıp geliştirilmesi nedeniyle çok daha ileri düzey ve karmaşık olsa da, bu yeni araç da modern fırlatma aracı tasarımlarının gelişen karmaşıklığına ve hesaplama taleplerine hitap etmektedir. Ancak tabii ki de tam donanımlı bir yörünge optimizatörü olması için yazılımın çok daha fazla geliştirmeye ihtiyacının olduğu söylenebilir. Tezin kapsamı, bu aracın geliştirilmesini ve fırlatma aracı yörünge performans parametrelerinin geniş bir yelpazede hızlı bir şekilde değerlendirilmesini içermektedir. Teze konu olan benzetim yazılımının arkasındaki temel programlama metodu olan vektörizasyon, hesaplamalar için döngüler kullanmak yerine, tüm dizileri veya büyük veri kümelerini aynı anda işlemeyi sağlayan bir programlama yöntemidir. Bu teknik, büyük ölçekli bilimsel hesaplamaları hızlandırmak için kullanıldığı erken dönem süper bilgisayarlarda kök salmıştır. Popülerliğinin artışı, vektör işleme yeteneklerine sahip modern CPU'lar ve GPU'ların geliştirilmesiyle yakından bağlantılıdır. SIMD (Tek Talimat, Çoklu Veri, İng. Single Instruction Multiple Data) mimarileriyle donatılmış bu işlemciler, birçok veri noktasında aynı işlemleri aynı anda gerçekleştirerek hızı ve verimliliği dramatik bir şekilde artırabilir. Bu yaklaşım, özellikle veri analizi, hesaplamalı akışkanlar dinamiği, makine öğrenimi ve bilimsel simülasyonlar gibi yoğun hesaplama gerektiren alanlarda olmazsa olmaz bir kavram olarak önümüze çıkmaktadır. Benzer şekilde yörüngeye ulaşmakla ilgili yapılan uçuş benzetimleri de ciddi bilgisayar gücü kullanmaktadır. Vektörizasyonla birlikte bilgisayarların verimli olan hesaplama kabiliyeti yörünge benzetim hızını arttırarak uçuşu optimize etmeyi kolaylaştırmaktadır. Tez kapsamında alçak dünya yörüngelerine erişim konusunda çalışmalar gerçekleştirilse de bu yöntemin Ay'a erişmek ve diğer gezegenlere erişmek için gerekli yörünge benzetimlerini koşturmak için de uygulanabileceği düşünülmektedir. Bu tezin merkezinde yer alan vektörize benzetim programı, bu hesaplama teknolojisindeki ilerlemeyi lehine kullanmaktadır. Sürekli geliştirilmekte olan yeni işlemci ve ekran kartalarının hedefinde olan, vektörleri daha hızlı ve verimli bir şekilde çözmesinden faydalanmaktadır. Dolayısıyla işlemci ve ekran kartlarının vektörleri daha hızlı çözebilmesi bu tezde kullanılan vektörize benzetimin de daha hızlanmasını sağlayacaktır. Vektörize benzetim programı modern donanımın azami kapasitelerini zorlayarak ve en son hesaplama tekniklerini kullanarak, geleneksel simülasyon yöntemlerini hız açısından büyük ölçüde geride bırakmaktadır. Bu hızlandırılmış işleme yeteneği, çok sayıda yörüngeyi hızla inceleyebilmek için kritik öneme sahiptir, bu da araç tasarımcılarının tasarımlarını daha verimli bir şekilde yinelemelerine ve geliştirmelerine olanak tanır. İnovasyon hızı ve evrilen görev gereksinimlerine hızla uyum sağlama yeteneğinin ana rekabet faktörleri olduğu bir endüstride, hızlı yörünge benzetimi yapabilme yeteniği oldukça önemlidir. Ayrıca hem fırlatma aracı hem de yörünge benzetimleri üzerinde yapılacak olan belirsizlik ve hassasiyet analizi çalışmaları için de bu yöntemin hız avantajı sağlayacağı düşünülmektedir. Çalışmada, ilk olarak yükselme uçuşu problemi ele alınacak ve arkasında yatan matematiksel prensiplere değinilecek, daha sonrasında ise çeşitli uçuş aşamalarının ve bunlarla ilişkili kısıtların detaylı bir şekilde incelemesi üzerine devam edecektir. Bunu takiben çalışmada kullanılan itki, aerodinamik, yer çekimi, atmosfer gibi fiziksel modeller ve güdüm gibi tasarım modellerinden bahsedilecektir. Yörünge ilerletmesinde ve kuvvetlerin hesaplanmasında kullanılan referans koordinat sistem takımları açıklanacaktır. Tezin önemli bir bölümü, tezdeki ana inovasyon faktörü olan vektörize benzetici üzerine odaklanmaktadır. Vektörizasyon kavramı, avantajları, dezavantajları ve geleneksel yöntemlerden nasıl ayrıştığından bahsedilecek ve hız kazancı birkaç örnek ile belgelenecektir. Bunu takiben vektörize dizi programlama ve yöntemlerinden bahsedilecek ve ardından bahsekonu yazılımın bu metotları nasıl kullandığının ve verilerin nesne odaklı programlama ile nasıl daha verimli halde benzetici içerisinde aktarılabileceğinin üzerinde durulacaktır. Benzetici yarı nesne odaklı bir yaklaşımla yazıldığı için bir kısmı sınıflardan (İng. class), bir kısmı fonksiyonlardan oluşmaktadır. Bu sınıfların işlevlerinden ve çalışma prensiplerinden bahsedilecektir. Çalışmanın yazılımsal temellerinden bahsedilen bölümün sonrasında ise yazılımın çıktılarını kullanarak çalışan son işleme algoritmasından bahsedilecektir. Son işleme algoritması, benzetici gibi vektörize çalışan bir yazılım olup benzeticiden ayrı olarak çalışmaktadır. Çoklu uçuş verileri elde edildikten sonra bu algoritma binlerce benzetimin çıktılarını tek seferde inceleyerek gerekli uçuş kısıtlarından sonra istenen yörüngeleri tespit eder ve kullanıcı için son değerlendirmeyi yapar. Bunun üzerine kullanıcıya bütün benzetimlerinin performanslarının özetlendiği bir excel döküm dosyası oluşturur. Tezin en son kısmındaysa, vektörize benzetici ve son işleme algoritması kullanılarak yapılan 6 adet vaka çalışması yer almaktadır. Falcon 9 aracı baz alınarak yapılan 2 adet transfer yörüngeli yörüngeye yerleşme ve 1 adet doğrudan yörüngeye yerleşme, Rocket Lab Electron aracı baz alınarak yapılan 2 adet transfer yörüngeli yerleşme ve 1 adet doğrudan yerleşme görevleri incelenecektir. Bu kısımda programda mevcut olan 2 aşamalı yaklaşımın nasıl uygulandığı ve bu araçlar üzerindeki sonuçları incelenecektir.

Özet (Çeviri)

This thesis is developed to contribute a preliminary design tool for launch vehicles, in the context of trajectory performance assessment. The launch vehicle market is witnessing substantial growth, driven by the increasing demand for satellite deployment and space exploration. In the current era of the space race, the strategic importance for a nation to build their own launch vehicle is being increasingly acknowledged. This trend is not merely about strengthening national autonomy in space; it represents an opportunity for these countries to leap forward in terms of technological and scientific progress. The need for tools like the vectorized simulator presented in this thesis becomes clear when considering the unique challenges faced by smaller countries in space technology. Developing launch vehicles is a complex, resource-intensive endeavor, often constrained by budget and technological limitations. Therefore, efficient and sophisticated design tools are essential. The vectorized simulator offers a faster, more efficient way to explore a wide range of design options and trajectory paths, enabling the companies to optimize their resources and accelerate the development process. By facilitating rapid iteration and refinement of vehicle designs, this tool plays a critical role in making preliminary design phase of launch vehicles faster. One crucial component for the development of launch vehicles is the concept of trajectory optimization. This process is crucial for ensuring efficient, cost-effective, and successful missions. Optimal trajectories reduce fuel consumption, maximize payload capacity, and ensure stringent safety and regulatory standards. As smaller nations get more involved into space, the ability to optimize launch trajectories becomes a key factor in their space program's feasibility and success. Recognizing the need for advanced tools in this area, thesis introduces an innovative vectorized simulation program designed to have capabilities of evaluating a vast number of trajectories for finding an optimal trajectory with the mission constraints just like the traditional Program to Optimize Simulated Trajectories (POST). While POST is an instrumental tool, it is only open to use for US Defence related entities. While POST is much more advanced and complex, since it has been written and developed for over 50 years, this new tool also address the evolving complexity and computational demands of modern launch vehicle designs. The scope of the thesis encompasses not only the development of this tool but also its application in rapidly assessing a wide range of launch vehicle performance parameters. Vectorization, as a computational strategy, involves processing multiple data points simultaneously rather than executing individual operations sequentially. This technique has its roots in early supercomputers, where it was used to accelerate large-scale scientific calculations. Its rise in popularity is closely linked to the development of modern CPUs and GPUs that feature vector processing capabilities. Equipped with SIMD (Single Instruction, Multiple Data) architectures, these processors can perform identical operations on several data points at once, dramatically enhancing speed and efficiency. This approach is particularly beneficial in domains with heavy computational demands, such as data analysis, machine learning, and scientific simulations, and has become increasingly vital in the age of big data and complex algorithmic challenges. The vectorized simulation program central to this thesis uses this advancement in computational technology. By harnessing the latest in computational techniques and the capabilities of modern hardware, this program significantly outpaces traditional simulation methods in speed. This accelerated processing capability is critical for exploring a wide number of trajectories rapidly, therefore allowing vehicle designers to iterate and refine their designs with greater efficiency. In an industry where the pace of innovation and the ability to quickly adapt to evolving mission requirements are key competitive factors, the speed offered by fast trajectory simulations becomes invaluable. This program not only exemplifies the power of vectorization in computational tasks but also highlights its practical application in the dynamic field of vehicle design and trajectory optimization. In this thesis, the initial focus will be on defining the problem at hand and delving into the mathematical principles under it. We will then proceed to dissect the various flight phases and the constraints associated with them. Following this, our attention will shift to the foundational physical models and reference frames that form the basis of our study. A significant portion of the thesis is dedicated to the primary innovation: the vectorized simulator. This discussion will cover the concept of vectorization, its advantages, and how it compares in terms of speed with traditional methods. We'll explore the methods of vectorized array programming and then transition into discussing the structure of the program's objects and models. After the section discussing the software foundations of the study, the post-processing algorithm that works using the outputs of the software will be discussed. The post-processing algorithm is a vectorized software like a simulator and operates separately from the simulator. After obtaining multiple flight data, this algorithm examines the outputs of thousands of simulations at once, identifies the desired orbits after the necessary flight restrictions, and makes the final assessment for the user. Following this, it creates a spreadsheet summarizing the performance of all simulations for the user. The concluding section of the thesis encompasses a detailed examination of six distinct case studies, all of which utilize the capabilities of the vectorized simulator alongside the post-processing algorithm. Specifically, the analysis will cover two missions involving transfer orbit injections and one mission focusing on direct orbit injection, all based on the Falcon 9 vehicle. Similarly, for the Rocket Lab Electron vehicle, two missions related to transfer orbit injections and one mission concerning direct orbit injection will be scrutinized. This portion of the thesis will delve into the application of the two-stage approach integrated within the program, assessing its effectiveness and outcomes when applied to these mentioned vehicles, thereby providing a comprehensive overview of its practical implications.

Benzer Tezler

Tez No
679100
New greedy algorithms to optimize the curriculum-based course timetabling problem
Müfredat bazlı ders zamanlama tablosu çizelgeleme problemi eniyilemesi için yeni açgözlü algoritmalar
BATUHAN MUSTAFA COŞAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol Atılım Üniversitesi
Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ BİLGE SAY
DOÇ. DR. TANSEL DÖKEROĞLU
Tez No
604650
Distributed Brute-Force attack implementation with GpGpu on sqlcipher
Dağıtık sistemlerde GpGpu kullanarak Brute-Force yoluyla sqlcıpher şifre kırma uygulaması
MAHMUT GÜNDEŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol Bahçeşehir Üniversitesi
Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET NACİ ÜNAL
Tez No
450204
Ortaokul öğrencilerinin kadına yönelik aile içi şiddete ilişkin algıları: Beyşehir ilçesi örneği
Attitudes of secondary school students' about family violence against women: Sample of Beyşehi̇r district
MUHAMMET ALİ GEDİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Eğitim ve Öğretim Gazi Üniversitesi
Aile ve Tüketici Bilimleri Eğitimi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HACER TOR
Tez No
829637
Kaba Kuvvet Saldırılarında Kelime Listeleri ile Yapılan Saldırıların Diğer Saldırı Tiplerine Göre Kıyaslanması
Comparison of Attacks Made with Wordlists in Brute Force Attacks with other Attack Types
TALHA GÜNAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa
Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUHAMMED ALİ AYDIN
Tez No
520308
Privacy protection for spatial trajectories against brute-force attacks
Uzamsal gezingelerin kaba güç saldırılarına karşı gizlilik koruması
DORUKHAN ARSLAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERMAN AYDAY

Geri Dön