Geri Dön

Launch vehicle navigation system design and comprehensive performance analysis

Fırlatma aracı seyrüsefer sistem tasarımı ve kapsayıcı performans analizi

PDF İndir

  1. Tez No: 886898
  2. Yazar: ALTUĞ ERTAN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. CENGİZ HACIZADE
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Savunma ve Savunma Teknolojileri, Aeronautical Engineering, Defense and Defense Technologies
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 125

Özet

Uzay taşımacılığı, günümüzün en önemli konularından biridir çünkü bilimsel araştırmaların ilerlemesi, ekonomik büyüme ve uluslararası ilişkiler için kilit bir rol oynamaktadır. Temel olarak, iletişim, hava durumu tahmini ve navigasyon için kullanılan uyduları ihtiyaca göre çeşitli yörüngelere taşımayı sağlar. Ayrıca, mevcut fırlatma araçlarının güvenilirliği sayesinde derin uzay görevleri de gerçekleştirilebilir. Günümüzde uzay endüstrisinde büyük bir rekabet bulunmaktadır ve bu durum uzay taşımacılığı teknolojisinde hızlı teknolojik ilerlemelere yol açmaktadır. SpaceX, Blue Origin ve Rocket Lab gibi önde gelen şirketler, uzaya ulaşma maliyetini büyük ölçüde düşürmek için yeniden kullanılabilir roketler geliştiriyorlar. Bu geliştirmelere örnek olarak SpaceX'in Falcon 9 ve Starship roketleri ile Blue Origin'in New Shepard ve New Glenn roketleri verilebilir. Boeing ve Lockheed Martin gibi geleneksel havacılık liderleri de Space Launch System (SLS) ve Vulcan Centaur roketleriyle ilerleme kaydediyorlar. Bu rekabetçi ortam, teknolojik inovasyonları teşvik ediyor, uzayı daha erişilebilir hale getiriyor, ticari ve bilimsel projeler için daha fazla fırsat yaratıyor. Ulusal fırlatma aracı programları siyasi, ekonomik ve askeri alanlarda söz sahibi olabilmek ve güç elde edebilmek için günümüzde oldukça önemlidir. Siyasi açıdan bakıldığında bu tür programlar bir ülkeyi uluslararası uzay topluluğunun önemli bir üyesi yapar, böylece uzay politikalarını ve işbirliklerini geliştirmek için etkili bir rol oynayabilir. Ekonomik olarak, uzay programları teknolojik yeniliklere ve endüstriyel gelişmelere öncülük eder. Uzay çalışmaları sırasında ortaya konan yenilikler ve icatlar sayesinde malzeme bilimi, elektronik ve iletişim gibi ilgili alanlar da gelişir. Ayrıca, uyduları kendi başına fırlatma yeteneği, yabancı ülkelere olan bağımlılığı ortadan kaldırır, bu nedenle projeler hükümetler açısından daha maliyet etkin ve güvenli bir şekilde yönetilebilir. Askeri açıdan ise bu programlar iletişim, navigasyon ve gözetleme için gerekli olan uzay tabanlı kaynaklara sürekli erişimi garanti ederek ulusal güvenliği artırır. Ayrıca, gelişmiş teknolojik becerileri sayesinde caydırıcılığı arttırmış olurlar. Kendi fırlatma aracını geliştirmek, bir ülkeye uzay faaliyetleri üzerinde tam kontrol sağlar, stratejik çıkarları korur ve uzay keşfi ve savunma alanlarında milliyetçiliği ve bağımsızlığı teşvik eder. Fırlatma araçları, tasarlanan görevi yerine getirmek için birçok alt sistemin birlikte uyum içinde çalışmasını gerektiren karmaşık sistemlerdir. Ana alt sistemler itki sistemi, yapısal sistem, aviyonik, termal kontrol ve güdüm, seyrüsefer ve kontrol alt sistemidir. İtki sistemi, fırlatma aracını gökyüzü boyunca yükseltmek için gerekli kuvveti üretir. Yapısal sistem, aracın zorlu ortamlar altında bütünlüğünü korur. Aviyonikler, algılayıcılardan veri ölçümünü kapsar ve bu verilerin işlemesini yönetir. Uzayda aşırı yüksek ve düşük sıcaklıklar ciddi sorunlardır ve termal kontrol sistemi, sistemin sıcaklığını dengeler. Son olarak, güdüm, seyrüsefer ve kontrol sistemi faydalı yüklerin doğru yörüngelere yerleştirilmesini sağlamak için aracı hedef yörüngeye yönlendirir. Tüm alt sistemler arasında, bu alt sistemin önemli bir bileşeni olan seyrüsefer alt sistemi özellikle hayati bir öneme sahiptir. Seyrüsefer alt sistemi, güdüm ve kontrol sistemlerinin aracı hedef yörüngede ilerletebilmesine olanak tanımak için fırlatma aracının konumunu, hızını ve yönelimini hesaplar. Seyrüsefer güvenilir değilse, fırlatma aracı belirlenen yörüngeye ulaşamayabilir veya faydalı yükünü doğru bir şekilde teslim edemeyebilir, bu da görev başarısızlığı anlamına gelir. Bu nedenle, güvenilir seyrüsefer sistemleri, uzay görevlerinin başarılı olmasını ve fırlatma aracının hedefine tam olarak ulaşmasını sağlamak için gereklidir. Bir fırlatma aracının seyrüsefer alt sistemini tasarlamak ve üst düzey doğrulukta çalışan bir sistem sağlamak için özenli bir literatür taraması, detaylı bir modelleme ve farklı koşullarda testler yapılması gerekmektedir. Müşteriden gelen görev gereksinimlerini değerlendirerek, seyrüsefer alt sistemi gereksinimleri türetilir. Bu seyrüsefer alt sistemi gereksinimlerini dikkate alarak, araştırmaya dayalı birkaç seçenek belirlenir, aday sensörler ve algoritmalar üzerinde testler uygulanır. Genellikle, seyrüsefer için ataletsel ölçüm birimleri (IMU), küresel konumlandırma sistemleri (GNSS) alıcıları ve yıldız izleyiciler kullanılır. Bu bileşenlerin yüksek fiyatları nedeniyle, ticari veya açık kaynak yazılım ortamları kullanılarak ayrıntılı bir modelleme yapılır ve performanslarını analiz etmek için döngüde model (MIL) testleri gerçekleştirilir. MIL, tekli koşu, çoklu koşular ve duyarlılık analizi gibi farklı adımlardan oluşur. MIL'ın tüm bu adımlarını tamamladıktan sonra, seyrüsefer alt sistemi bileşenleri için gereksinimler türetilir. Gereksinimlere uygun olarak, uygun sensörler satın alınır veya ürettirilir. Daha sonra, döngüde donanım (HIL) testi, fırlatma koşullarını temsil eden dinamik ortamlar altında seyrüsefer sisteminin tepkisini simüle etmek için gerçekleştirilir. Bu titiz geliştirme süreci, seyrüsefer alt sisteminin fırlatma aracını kalkıştan yükün yerleştirilmesine kadar tüm uçuş aşamalarında doğru bir şekilde yönlendirebilmesini sağlayarak görev başarısını sağlar. Bir IMU kalitesi, fırlatma araçlarında kullanılan ataletsel navigasyon sistemlerinin etkinliğinde kritik bir rol oynar. Tipik olarak havacılık uygulamalarında kullanılan yüksek dereceli IMU'lar, ivmenin ve açısal hızın daha hassas ve istikrarlı ölçümlerini sağlar. Bu da daha iyi navigasyon performansına öncülük eder. Öte yandan, daha düşük dereceli IMU'lar daha uygun fiyatlıdır ancak artan ölçüm hataları ve gürültü zamanla navigasyon performansını kötüleştirebilir. Bu sorunları gidermek için Kalman filtresi gibi matematiksel filtreleme algoritmaları kullanılır. Bu algoritmalar, IMU'dan gelen verileri GNSS alıcıları gibi diğer sensörlerden gelen bilgilerle birleştirerek aracın konum, hız ve yöneliminin daha doğru ve güvenilir bir kestirimini üretir. Navigasyon çözümünü sürekli olarak güncelleyerek ve IMU'daki sapmaları ve kaymaları telafi ederek, bu filtreler fırlatma aracının navigasyon sisteminin genel etkinliğini ve güvenilirliğini artırır. Bu, aracın doğru yörüngede kalmasını ve IMU sensörlerinin doğasında bulunan kusurlara rağmen görev hedeflerine ulaşmasını sağlar. Bu tez, bir fırlatma aracı için MIL düzeyinde bir seyrüsefer alt sistemi tasarlamayı ve analiz etmeyi hedeflemektedir. Önceden belirlenmiş bir yörüngeye yüksek doğrulukta navigasyon sağlamak için çeşitli IMU sınıflarının analiz edilmesi, fırlatma aracı yönlendirme ve kontrol sistemlerinin iyileştirilmesi açısından kritik bir görevdir. IMU'ların doğrusallaştırılmış Kalman filtresi (LKF) uygulanarak ve uygulanmayarak sadece ataletsel navigasyon çözümüyle test edilmesi, filtreleme tekniğinin navigasyon doğruluğundaki etkisini değerlendirmek için net bir çerçeve sunar. LKF, algılayıcı verilerini entegre etme ve hataları azaltma yeteneği ile özellikle değerlidir. Farklı IMU setlerine LKF uygulanarak, filtrenin kötü kalitedeki algılayıcılar için bile görev koşullarını sağlayıp sağlayamadığı analiz edilir. Kapsamlı Monte Carlo simülasyonlarının yapılması, performans analizine sağlam bir istatistiksel taban sağlayarak, geniş bir belirsizlik yelpazesi boyunca navigasyon performansını değerlendirmeyi sağlar. Bu yaklaşım, hem temel ataletsel navigasyon sistemlerinin hem de LKF ile güçlendirilmiş sistemlerin güvenilirliğini ve doğruluğunu etkili bir şekilde değerlendirmeyi mümkün kılar. Son olarak, detaylı duyarlılık analizi de navigasyon sistemine uygulanmıştır. Hangi sensör hata parametrelerinin navigasyon performansını en çok etkilediğini araştırarak, sistemin zayıf noktaları belirlenmiştir. Bu analiz hem standart ataletsel navigasyon bağlamında hem de LKF kullanıldığında çeşitli hataların nispi etkilerini anlamak için anahtardır. Genel olarak, bu tez, bir fırlatma aracının seyrüsefer alt sistemi tasarım hususlarına dair kapsamlı bir çalışmayı ele almayı amaçlamaktadır. Farklı IMU sınıflarının gelişmiş filtreleme teknikleri altında nasıl performans gösterdiğini, sistem doğruluğunu ve güvenilirliğini etkileyen önemli faktörleri araştırır. Ayrıca, uzay görevlerinde hassasiyet ve dayanıklılık ihtiyaçlarına uygun, daha sofistike ve güvenilir navigasyon sistemlerinin geliştirilmesine değerli içgörüler kazandırmayı vaat eder.

Özet (Çeviri)

Space transportation is one of the most important issues of today because it plays a key role in the advancement of scientific research, economic growth and international relationships. Mainly, it provides to carry satellites which are used for communication, weather forecasting, and navigation into a variety of orbits depend on the need. Moreover, deep space missions can be conducted owing to the reliability of current launch vehicles. Nowadays, there is a big challenge in the space industry which leads to fast technological progress in space transportation technology. Leading companies like SpaceX, Blue Origin, and Rocket Lab are using reusable rockets to greatly lower the cost of reaching space. Examples of these innovations include SpaceX's Falcon 9 and Starship, and Blue Origin's New Shepard and New Glenn rockets. Traditional aerospace leaders such as Boeing and Lockheed Martin are also advancing with their Space Launch System (SLS) and Vulcan Centaur rockets. This competitive environment is fueling new innovations, making space more accessible, and creating more chances for commercial and scientific projects. National launch vehicle programs are essential today to have a say and power in political, economic and military fields. From a political perspective, this type of program makes a country as a key member of the international space community, so its role can be influential to improve space policies and collaborations. Economically, space programs pioneer to technological innovation and industrial development. Due to innovations and inventions in space, related fields like materials science, electronics, and communications are developed as well. Moreover, the capability of launching satellites by itself removes dependency to foreign providers, so projects can be managed as more cost effective and safer in terms of governments. With regard to the military, national launch vehicle programs enhance national security by guaranteeing consistent access to space-based resources that are essential for communication, navigation, and surveillance. It also enhances deterrence by demonstrating advanced technological prowess. Developing its own launch vehicle gives a country complete control over its space activities, protecting strategic interests and promoting national pride and independence in the dynamic areas of space exploration and defense. Launch vehicles are really complex systems that require the working of many subsystems together in a harmony to satisfy designed mission. The main subsystems are the propulsion system, the structural system, avionics, thermal control and guidance, navigation and control (GNC) subsystem. The propulsion system generates the force to elevate the launch vehicle through sky and space. The structural system sustains the integrity of the vehicle under rough environments. Avionics handle the onboard electronics and data processing. Extreme high and low temperatures are serious issues in space, and thermal control system balance the temperature of the system. Lastly, GNC steers the vehicle to the target orbit to ensure that payloads are placed into correct orbits. Among all of subsystems, the navigation subsystem which is an important component of GNC is specifically vital. Navigation subsystem calculates the position, velocity and attitude of the launch vehicle through trajectory to enable guidance and control systems for matching ongoing orbit with target orbit. The launch vehicle may not reach its intended orbit or deliver its cargo accurately if the navigation is unreliable, increasing the chance of mission failure. Thus, robust navigation systems are necessary to ensure that space missions are successful and that the vehicle reaches its target precisely. Designing the navigation subsystem of a launch vehicle is a complex task which requires careful research, trade-off, modelling and testing to assure an system working highly reliable. Evaluating mission requirements coming from the customer, navigation subsystem requirements are derived. Considering these navigation subsystem requirements, a couple of options are determined based on research, and tested are implemented to candidate sensors and algorithms. Generally, inertial measurement units (IMU), global navigation satellite system (GNSS) receivers, and star trackers are used for navigation. Owing to high prices of these components, they are modeled in detail by using modelling environments, and model-in-the-loop (MIL) tests are conducted to analyses their performances. MIL consists of different steps like single run, multiple run and sensitivity analysis. After completing all of these steps of MIL, requirements for navigation subsystem components are derived. Regarding requirements, appropriate sensors are bought or manufactured. Then, hardware-in-the-loop (HIL) test takes place to simulate the response of navigation system under dynamic environments representing launch conditions. This thorough development process ensures that the navigation subsystem can accurately guide the launch vehicle through all stages of the flight, from takeoff to the deployment of the payload, achieving mission success. This thesis focus on designing and analyzing the navigation subsystem for a launch vehicle at MIL level. Analysing various grades of IMUs to achieve precise navigation to a designated orbit is a critical task for improving launch vehicle guidance and control systems. Testing these IMUs with and without the application of a linearized Kalman Filter (LKF) provides a clear framework for assessing the enhancements in navigation accuracy that this filtering technique can offer. LKF is particularly valuable for its ability to integrate sensor data and reduce errors. By applying the LKF to the same set of IMUs, this study methodically quantifies the performance improvements and increased robustness attributable to the filter. Conducting extensive Monte Carlo simulations adds a robust statistical layer to performance analysis, allowing to evaluate the navigation performance across a spectrum of uncertainties. This approach enables effectively gauge the reliability and accuracy of both the basic inertial navigation systems and those augmented by the LKF. Lastly, detailed sensitivity analysis included is crucial. By investigating which specific sensor error parameters—such as biases, scale factors, and misalignments—most significantly influence navigation performance, critical vulnerabilities of the system can be pinpointed. This analysis is key to understanding the relative impact of various errors both in the context of standard inertial navigation and when using the LKF. Overall, this thesis aims to deliver a thorough understanding of the key design considerations for a launch vehicle's navigation subsystem. It explores how different grades of IMUs perform under enhanced filtering techniques and identifies significant factors influencing system accuracy and reliability. Also, it promises to contribute valuable insights into the development of more sophisticated and dependable navigation systems for launch vehicles, aligning with industry needs for precision and robustness in space missions.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    364121

    Uzay araçlarının testleri

    Space vehicle tests

    HASAN ŞEN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Astronomi ve Uzay BilimleriHava Harp Okulu Komutanlığı

    Uzay Bilimleri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALİM RÜSTEM ASLAN

  2. Tez No

    750017

    Ballistic missile defense systems

    Balistik füze savunma sistemleri

    ALFATEH MOKHTAR AHMED . ALFATEH MOKHTAR AHMED .

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Aydın Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ NECİP GÖKHAN KASAPOĞLU

  3. Tez No

    332418

    Türkiye'de fırlatma merkezi değerlendirmeleri ve fırlatma sistemi alternatifleri

    Launch site considerations and launch systems alternatives for uses of the Turkish Republic

    GÖKER ÖZKONUK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Astronomi ve Uzay BilimleriHava Harp Okulu Komutanlığı

    Uzay Bilimleri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALİM RÜSTEM ASLAN

  4. Tez No

    895246

    Comprehensive assessment of rov systems: An effective approach to analysis of ROV system mobilization risks

    ROV sistemlerinin kapsamlı değerlendirilmesi: ROV sistemi mobilizasyon risklerinin analizine etkili bir yaklaşım

    GURBAN ASGAROV

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gemi ve Deniz Teknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. AYHAN MENTEŞ

  5. Tez No

    612673

    Preliminary design tool for hybrid rocket engine powered leo nanosat launch vehicle and its application

    Hibrit roket motor itkili leo nano-uydu fırlatma aracı öncül tasarım programı ve uygulaması

    NAZMİ ERDİ COŞKUNPINAR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALİM RÜSTEM ASLAN

Geri Dön