Geri Dön

Investigation of the orbital thermal behavior of small satellites in low earth orbit

Alçak yörüngede hareket eden küçük uyduların yörünge boyunca ısıl davranışının incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 894484
  2. Yazar: GÖNÜL ÇİÇEK
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. ERSİN SAYAR
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Isı-Akışkan Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 97

Özet

Günümüz teknolojisinde, uydu ve uydu haberleşmesi birçok alanda kullanılmaktadır. Bu durum, uydu geliştirme ve üretimine olan ilginin artmasına neden olmaktadır. Teknolojinin gelişimi ve düşük maliyetli çözümler arayışıyla birlikte, uydu boyutları daha küçülmektedir. 1000 kg'ın altındaki ağırlıkta olan uzay araçları küçük uydu kategorisine girmektedir. Bu çalışmada, bir kilogramın altındaki bir kütleye sahip olan 10 x 10 x 10 cm3 boyutlarında bir uydu analiz edilecektir. Bu uzay platformları (uydu) iki önemli avantaja sahiptir; biri görece daha büyük uydulara göre düşük maliyetli olması, diğeri ise büyük sistemler ve görevler içeren uydulara göre üretim ve tasarım sürecinin daha kısa olmasıdır. Bu avantajlar, küp uydu araştırma ve geliştirme hızının artmasına ve popüler hale gelmesine neden olmaktadır. Ayrıca, küp uydularının kompakt ticari bileşenleri olması sebebiyle ulaşılabilir, düşük maliyetli ve üretimi kolay ürünler ortaya çıkarılması bu uyduları daha tercih edilir hale getirmektedir. Kompakt ve küçük olmalarına rağmen, bu uydular çok çeşitli görevlere sahip olabilir. Örneğin gözetleme, haberleşme ve navigasyon alanlarında kullanılabilirler. Ancak uydunun boyutu küçüldükçe kullanılan bileşenler de sınırlı hale gelmektedir. Bu nedenle uyduların tasarım ve analiz aşamaları üzerinde detaylı çalışma gerekliliği önemli boyuta ulaşmaktadır. Bu uzay platformlarının ayrıca, çoğunlukla etkinlikleri ve güvenilirlikleri ile ilgili birkaç önemli sorunu vardır. Görev hedeflerini tamamlamak için aşılması gereken bir dizi teknolojik engel vardır. Tasarım, doğrulama ve operasyon süreçlerinin de özel olarak ilerlemesi gerekmektedir. Bu durum da uydunun zorlu uzay koşullarında çalışacak şekilde iyi tasarlanmış olması gerektiği anlamına gelir. Bileşenin termal kontrol gereksinimlerini anlamak gereklidir. Bu tezin amacı, sistemin güvenli sınırlar içinde çalışmasını sağlamaktır. Bu nedenle bu tezde Alçak Dünya Yörüngesindeki (LEO) bir küp uydunun sıcaklık dağılımları hem iç ısı yayılımı hem de dış ısı radyasyonu dikkate alınarak incelenecektir. Bu analizlerin sonuçları, uydunun termal kontrol sisteminin tasarımına bilgi sağlamak için kullanılacaktır. Uydunun termal davranışını dikkatlice göz önünde bulundurarak, tüm bileşenlerin izin verilen sıcaklık aralıklarında çalışmasını ve uydunun zorlu uzay ortamında etkili bir şekilde çalışabilmesini garanti etmek mümkün olacaktır. Zorlu uzay koşullarında çalışabilecek uydu tasarımı gerçekleştirmek için kullanılan tüm bileşenlerin ısıl kontrol gereksinimlerini anlamak gerekir. Bu tezin amacı, sistemin güvenlik sınırları içinde çalışabilirliğini incelemektir. Bu nedenle, bu tezde, düşük irtifada yörünge hareketine devam eden bir küp uydunun yörüngesi boyunca maruz kalacağı maksimum ve minimum sıcaklıklar hem uzay ortamı etkisi hem de çalışan bileşenlerin uydu içerisine yaydığı ısı dikkate alınarak incelenecektir. Uydunun yörüngede maruz kalacağı ısı kaynakları; dünyanın yüzeyinden yayılan kızılötesi ışınım, güneşten gelip dünyadan yansıyan ışınım ve güneş ışınımı olarak ele alınmıştır. Bu kaynaklardan gelen ısıların büyüklüğü, yörünge hareketi boyunca değişmektedir. Uydunun içerisinde üretilen ısı, uydunun elektronik parçaları, sensörler ve faydalı yük gibi bileşenler tarafından üretilir. Aynı zamanda uydular radyasyonla ısıyı uzaya yayarlar ve bu da ısı kaybına neden olmaktadır. Bu çalışmada, uydunun çalışmasını sağlamak için uydunun sıcaklığını etkiyecek tüm ısı kaynakları dikkate alınmıştır. Ön tasarım aşaması nedeniyle, uydunun temel şekli ve en sık kullanılan bileşenler ile analiz edilmesi amaçlanmıştır. Uydunun görev yörüngesi olarak ise küçük uydular için sıklıkla kullanılan 400 km irtifaya sahip alçak yörünge tercih edilmiştir. Bu çalışmanın genel amacı, uydunun ısıl açıdan uygunluğun değerlendirilmesi ve her bileşenin uygun çalışma sıcaklık aralığında görevini icra etmesini sağlamaktır. Uydunun görev ömrü boyunca ısıl davranışını incelemek için güneş panelleri, sinyal alma gönderme modülü, pil modülü gibi bileşenlere bu çalışmada yer verilmiştir. Yörünge analizini gerçekleştirmek için, NX Space System Thermal yazılımı kullanılmıştır. Uydu hem güneş panelleri hem de içerisinde bulunan elemanlar ile bir bütün halinde modellenmiş ve analizleri gerçekleştirmek amacıyla sonlu elemanlar modeli yöntemi kullanılmıştır. Kullanılan bu yazılım programı aracılığı ile yalnızca tasarım doğrulaması sırasında değil, tasarım sürecinin daha erken bir aşamasında tasarım yardımı sağlamak için kullanılmasına olanak sağlamaktadır. Bu yazılım, büyük ve/veya karmaşık 3B yapıların kolayca modellenmesine katkı sağlar. Ayrıca uzay sistemleri endüstrisinde ışınım ve ısıl analiz için yaygın olarak kullanılan diğer ticari yazılım araçlarıyla benzer ara yüzlere sahiptir. Örneğin, uzay endüstrisinde ısıl analiz için belirli bir zaman ve yönelimde güneş sistemindeki her gezegen için yörünge modellerine ait girdiler mevcuttur. Uydu ısıl analizi, sistem bileşenlerinin sıcaklıklarının belirli bir aralıkta kalmasını sağlamak için gereklidir, böylece ilerleyen tasarım fazlarında kritik bir arıza veya sistemin tamamen kaybı önlenebilir. Bu analiz için, uydu sıcaklığını etkileyen çevresel koşullar önem arz etmektedir. Bu çalışmada uzay ortamının uydu ile etkileşimi, güneş ışınımı, dünya ışınımı ve dünyadan yansıyan ışınım dikkate alınarak incelenmiştir. Aynı zamanda uyduda kullanılan bileşenlerin aktif çalışması sebebiyle açığa çıkan ısı da analizler sırasında dikkate alınmıştır. Uydu için ısı kaybı yöntemi ise derin uzaya doğru olan ısı geçişidir. Uydu üzerindeki dışarıyla tüm bu ısı alışverişi ışınım ile ısı geçişi prensiplerine dayanmaktadır. Uydu üzerindeki ve içindeki sıcaklık dağılımı ise, tüm bu ısı kaynaklarının analiz programında çözdürülmesi ile belirlenecektir. Uydu üzerinde oluşacak sıcaklık değişimlerini incelemek için, tüm bileşenlerin yoğunluk, özgül ısı, ısı iletim katsayısı ve optik/ışınım yüzey özellikleri gibi, bilgileri içeren bir model oluşturulmuştur. Modelde her bir eleman düğümler tarafından temsil edilmiştir. Bu çalışmada uydu hala geliştirme aşamasında olduğundan, henüz belirlenmemiş olan elemanlar, yüzey özellikleri veya uydunun pozisyonu gibi faktörler bu analize varsayım olarak yansıtılmıştır. Bu sebeple elde edilen sıcaklık aralıkları, ilerleyen çalışmalara yol göstermek amacıyla kullanılacaktır. Analizler sonucunda elde edilen sıcaklık değerleri, bazı bileşenler için güvenli çalışma sıcaklık aralıklarına yakın olarak elde edilmiştir. Aynı zamanda konu ile ilgili diğer tip analizlerle ve teorinin kendisiyle de paralellikler ortaya koymuştur. Bu çalışmada yapılan hesaplamalar, uydu tasarımının iyileştirilmesi için kullanılacaktır. Elde edilen değerler sonucunda bazı bileşenler için ısıtıcıların kullanımı ve bazı elemanlar için de yüzey özelliklerinin detaylı hesaplanması gibi ısıl tasarımda iyileştirme yapılabilecek bulgular elde edilmiştir. Bu öneriler ile uydu ısıl performansının iyileştirilmesi amaçlanmıştır. Elde edilen sonuçları, uydunun detaylı tasarım aşamasında referans olarak kullanılacak olup detay tasarıma karar verildiğinde bu analizin çıktısı olan iyileştirmeler de göz önünde bulundurularak tekrarlanmalıdır. Ek olarak, bu çalışmayı bir adım öteye taşımak amacıyla kapsamlı model kullanılarak tasarımın detaylandırılması önerilmektedir. Ayrıca, bu analizin çıktıları yörüngeye göre doğrudan etkilenmektedir. Bu durumda, en gerçeğe yakın yörüngeye göre analizi gerçekleştirmek ve ısıl vakum ve döngü testleri ile doğrulamak gerekmektedir. Bu tezdeki bulgular, analitik bakış açısından, uydu tasarımının, özellikle orijinal tasarımda yapılan bazı değişikliklerin ışığında, beklenen termal ortam değişkenliğini idare etmeye yetecek kadar dayanıklı olduğunu göstermektedir. Uydu yörüngesindeki görevine başlamadan önce ısıl vakum koşullarında test edilerek detaylı analiz çıktıları test ile doğrulanmalıdır. Test aşamasının ardından, daha fazla iyileştirme için gerekirse tasarım iyileştirme çalışmalarına temel oluşturulmalıdır.

Özet (Çeviri)

The thermal modeling and system design of the small satellite are the main topics of this master's thesis. Basic form of a satellite and most commonly used components and a generic orbit have been taken into consideration throughout this study for the preliminary design stage. The objective was to assess the feasibility from a thermal perspective and to ensure that each component operates within its permitted temperature range. To investigate the satellite's thermal behavior, a number of components with their thermal behavior have been used. As a thermal software, NX Space System Thermal has been used for the computations. The thermal design of a satellite is responsible for ensuring that the temperatures of its components stay within a specific range to prevent critical failure or loss of the entire system. The temperature of a satellite is influenced by its surroundings in space and its interactions with the spacecraft, which can be influenced by external sources of heat like solar radiation, planetary radiation, and radiation reflecting off Earth's surface, as well as internal sources of heat such as the heat dissipation of internal components. The only way to dissipate heat is by emitting thermal radiation from the surface of the spacecraft into deep space. The temperatures on a satellite are determined by the balance between absorbed and emitted radiation, as well as the heat that is dissipated internally. To predict the temperatures a satellite will experience during its mission, simulations are conducted. To simulate the thermal behavior of a satellite, a model is created that includes all the relevant components and their thermal properties, such as heat capacity, conductivity, and radiative surface properties. These components are represented by nodes that are connected to each other and to the space environment through conductive and radiative links. The model is developed and the simulations are run using the software Siemens NX. Since this satellite is still in the early stages of its development, there is not much available information about it therefore, obtained results are examined as initial predictions. To make initial predictions, this somehow detailed system-level study is performed. In the end, the findings are thoroughly presented and discussed. The obtained thermal model showed that some of the component's temperature ranges are near the operating limit line. Several approaches have been suggested to overcome this issue to face safe operation. Additionally, special consideration has been given to keeping the components at their safe range. Since the mission and analysis are still in preliminary, the various thermal properties are not fixed yet. Because of this, sensitivity and uncertainty assessments have been conducted to identify and analyze their impact on the results at various points during the process. The created tool exhibits exceptional modeling abilities, and the temperature distributions will be verified through testing. The investigation was utilized to improve the spacecraft design and to establish the requirements for the satellite's thermal control system. The results indicated that a mostly solar panel's thermo optical/radiative properties should be calculated in detail and solar panels should be modeled in a more detailed way considering the solar cell area. Based on the calculations, it is recommended to use heaters to warm up the batteries in extreme cold conditions. The simulations carried out in this study will be used to enhance the design of a CubeSat. The simulation identified areas where the thermal design could be improved, such as the use of heaters and changes to surface properties, in order to improve the satellite's thermal performance. The results of the simulation will be utilized to conduct a more thorough analysis of the satellite's payload and will guide the future progress on the project, including the electrical power system, surface finishes, and the attitude control systems.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    863772

    Fabrication and characterization of P3HT-WO3 hybrid thin films and device applications

    P3HT-WO3 hibrit ince filmlerin üretimi, karakterizasyonu ve cihaz uygulamaları

    FATMA BEYZA YEDİKARDEŞ ER

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ESRA ZAYİM

    PROF. DR. MUSTAFA ALTUN

  2. Tez No

    155053

    Geçiş metal iyonları ile hazırlanan tetrasiyanonikel (II) bileşiklerinin spektroskopik ve kristalografik yöntemlerle incelenmesi

    Spectroscopic and crystallographic investigation of the tetracyanonickelate II) compounds prepared by transition metal ions

    GÖKHAN KAŞTAŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2004

    Fizik ve Fizik MühendisliğiOndokuz Mayıs Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    Y.DOÇ.DR. HÜMEYRA PAŞAOĞLU

  3. Tez No

    453618

    Experimental investigation of the effects of cathode position on HK40 hall effect thruster performance and cathode coupling

    Katot konumunun HK40 hall itici çalışması ve katot esleme üzerine etkisinin deneysel incelenmesi

    NAZLI TURAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Astronomi ve Uzay BilimleriBoğaziçi Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MURAT ÇELİK

  4. Tez No

    180198

    MgAuSn bileşiğinin elektronik yapısının ve titreşim özelliklerinin yoğunluk fonksiyon teorisi ile incelenmesi

    Investigation of electronic structure and vibrational properties of the MgAuSn compund within density functional theory

    NİHAT ARIKAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2006

    Fizik ve Fizik MühendisliğiGazi Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. GÖKAY UĞUR

  5. Tez No

    632528

    Nanopartikül takviyeli kompozit malzemelerin işlenebilirliğinin araştırılması

    Investigation of the machinability of nanoparticle reinforced composite materials

    FERHAT CERİTBİNMEZ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Makine Mühendisliğiİskenderun Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AHMET YAPICI

Geri Dön