Geri Dön

Optimal solution of orbital facility location problem utilizing optimum rocket staging and Q-Law orbit transfer

Optimum roket kademelendirmesi ve Q Yasası yörünge transferi kullanarak yörüngesel tesis yerleşim probleminin optimum çözümü

PDF İndir

  1. Tez No: 920733
  2. Yazar: HASAN HÜSEYİN ÇAM
  3. Danışmanlar: PROF. DR. İBRAHİM ÖZKOL
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Uçak Mühendisliği, Aeronautical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  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: 113

Özet

Uydu takımyıldızlarının hızla artışı, modern iletişim, savunma ve bilimsel araştırmalar açısından kritik bir önem taşımaktadır. Haberleşme uyduları, küresel internet erişimi ve mobil iletişimi mümkün kılarken, navigasyon uyduları ulaşım sistemlerinin temelini oluşturmakta ve meteoroloji uyduları ise iklim değişikliği gibi küresel konularda hayati veriler sağlamaktadır. Ancak, uzay sistemlerinin sürdürülebilirliği büyük bir sorun teşkil etmektedir. Geleneksel yaklaşımlar, belirli bir ömre sahip uyduların işlevselliklerini tamamladıktan sonra devre dışı bırakılmasıyla sonuçlanmakta ve bu durum büyük ekonomik kayıplara yol açmaktadır. Özellikle, alçak Dünya yörüngesinde artan uzay enkazı miktarı, aktif uydular ve gelecekteki uzay misyonları için ciddi tehditler oluşturmaktadır. Bu sorunları minimize edebilmek adına yenilikçi bakım, yakıt ikmali ve onarım çözümlerine duyulan ihtiyaç her geçen gün artmaktadır. Bu tez çalışması, uzayda faaliyet gösteren uyduların bakım ve onarım süreçlerini daha verimli hale getirmek amacıyla“Yörüngesel Tesis Yerleşim Problemi (OFLP)”üzerine odaklanmaktadır. Günümüzde uzay operasyonlarının sürdürülebilirliği, artan uydu trafiği ve operasyonel maliyetler nedeniyle büyük bir önem kazanmaktadır. Uzayda bulunan uyduların görev sürelerini uzatmak, bakım ve onarım maliyetlerini düşürmek için yeni teknolojilere ve stratejilere ihtiyaç duyulmaktadır. Geleneksel sistemlerde, görev süresi biten uydular devre dışı bırakılmakta veya atmosferde yakılarak imha edilmektedir. Ancak bu durum, hem ekonomik kayıplara neden olmakta hem de uzay enkazı sorununu artırarak gelecekteki uzay görevleri için risk oluşturmaktadır. Bu nedenle, uzayda bakım ve servis hizmetleri sunacak tesislerin en uygun yörüngelere yerleştirilmesi, hem operasyonel süreklilik sağlamak hem de maliyetleri azaltmak açısından kritik bir konu haline gelmiştir. OFLP, uzayda bakım ve servis sağlayan tesislerin en uygun yörüngelere yerleştirilmesini belirleyerek hem fırlatma hem de bakım maliyetlerini minimize etmeyi amaçlamaktadır. Bunun için servis tesislerinin hangi yörüngelere yerleştirileceği, hangi uydulara hizmet vereceği ve yakıt tüketiminin nasıl optimize edileceği gibi faktörler dikkate alınmaktadır. Optimum tesis yerleşimi, yalnızca mevcut bakım operasyonlarını değil, aynı zamanda gelecekte gerçekleştirilecek bakım faaliyetlerini de daha verimli hale getirecektir. Modelde, servis tesislerinin en uygun yörüngelere yerleştirilmesi sayesinde, uydulara minimum yakıt tüketimi ile ulaşılması ve bakım sürelerinin optimize edilmesi hedeflenmiştir. Bu sayede, bakım gerektiren uyduların daha hızlı ve düşük maliyetle onarılması mümkün olacak, böylece sistemin uzun vadeli sürdürülebilirliği sağlanacaktır. Geliştirilen model, hem ticari hem de bilimsel uzay operasyonları için uygulanabilir olup, gelecekteki uzay görevlerinde bakım ve yakıt ikmali gibi işlemler için önemli bir temel oluşturacaktır. Bu çalışmada, OFLP'nin çözümü için kapsamlı bir optimizasyon yöntemi geliştirilmiştir. Optimizasyon sürecinde, uzay operasyonlarında kullanılan en verimli stratejileri belirlemek için çeşitli matematiksel ve hesaplamalı tekniklerden yararlanılmıştır. OFLP için kurgulanan optimizasyon probleminde maliyetleri hesaplamak için“Optimum Roket Kademelendirmesi”ve“Q Yasası'na Dayalı Düşük İtki Yörünge Transferi Analizi”teknikleri kullanılmıştır.“Optimum Roket Kademelendirmesi”, fırlatma sürecinde maliyetleri minimize etmek amacıyla roketlerin en uygun yapılandırmalarının belirlenmesine yönelik bir tekniktir. Uzaya gönderilecek servis tesislerinin uygun bir yörüngeye yerleştirirken, roketlerin taşıma kapasitelerinin maksimum olması için optimum bir şekilde kademelendirmesi gerekmektedir. Roket kademelendirmesi, farklı itki seviyeleri ve roket aşamalarının kullanılmasıyla, belirli bir yükü istenilen yörüngeye en düşük yakıt tüketimi ile ulaştırmayı amaçlamaktadır. Bu kapsamda, fırlatma kütlesi, itki gücü ve roket aşamalarının ayrılma zamanları gibi parametreler optimize edilerek, servis tesislerinin yörüngeye yerleştirilmesi için en düşük maliyetli çözüm belirlenmiştir.“Q Yasası'na Dayalı Düşük İtki Yörünge Transferi Analizi”, servis tesislerinin müşteri uydulara en optimum yakıt tüketimiyle ulaşmasını sağlamak için kullanılan bir tekniktir. Uzaydaki servis tesisleri, müşteri uydularına belirli zaman aralıklarında bakım ve yakıt ikmali hizmeti sunmak zorundadır. Ancak, bu hizmetleri sunarken gereksiz enerji harcamamak ve yakıt tüketimini minimize etmek büyük bir öneme sahiptir. Geleneksel kimyasal roket motorları yüksek itki gücü sağlarken, uzun süreli operasyonlar için verimli değildir. Düşük itki sistemleri ise daha uzun sürede ancak çok daha az yakıt harcayarak yörünge transferlerini gerçekleştirebilmektedir. Q yasası, düşük itkiyle yapılan yörünge transferlerini analiz ederek, servis tesislerinin müşteri uydulara en verimli şekilde ulaşmasını sağlamaktadır. Yörüngesel manevraların etkin bir şekilde planlanması için, servisin hangi noktada hangi itkiyi uygulaması gerektiği hesaplanmıştır. Özellikle, yörünge değişim süreçlerinde minimum enerji harcayarak belirlenen hedefe ulaşmak için Lyapunov tabanlı kontrol yöntemleri kullanılmıştır. Q yasası, bir uzay aracının yörüngesel öğelerini adım adım düzelterek hedef yörüngeye ulaşmasını sağladığından, servis tesislerinin en uygun yakıt tüketimi ile operasyon yapmasına olanak tanımaktadır. Böylece, bakım ve yakıt ikmali gerektiren uyduların servis tesislerine en düşük maliyetle ulaşması mümkün hale gelmiştir. Bu optimizasyon teknikleri birleştirilerek, hem fırlatma hem de operasyon maliyetlerini en aza indiren bütüncül bir çözüm geliştirilmiştir. Bu sayede, uzaydaki bakım ve onarım operasyonları daha düşük maliyetle ve daha yüksek verimlilikle gerçekleştirilebilmektedir. Uzun vadede, bu model, uzay operasyonlarında bakım ve servis süreçlerini daha sistematik hale getirerek, uzay görevlerinin sürekliliğini artıracak ve uzayda operasyonel sürdürülebilirliği mümkün kılacaktır. Fırlatma maliyetleri, roketlerin taşıma kapasiteleri ve aday servis yörüngelerinin dinamik özellikleri dikkate alınarak modellenmiştir. Servis maliyetleri ise, tesislerin müşteri uydulara ulaşmak için harcadığı yakıt ve operasyon süresi göz önünde bulundurularak hesaplanmıştır. Çalışmada, servis tesislerinin müşteri uydularla en düşük maliyetli etkileşimi sağlayabilmesi için matematiksel modelleme ve optimizasyon teknikleri kullanılmıştır. Bu bağlamda,“İkili Doğrusal Programlama (BLP)”yöntemi ile OFLP çözülmüştür. Çalışmada farklı fırlatma sistemleri ve servis operasyonları için çeşitli senaryolar ele alınmıştır. Her bir senaryo, tesislerin uzaydaki en uygun konumlarını belirlemek için geliştirilen optimizasyon modeli ile değerlendirilmiştir. Model, servis tesislerinin yörüngesel parametrelerini analiz ederek maliyetleri en aza indirgemeyi hedeflemektedir. Yapılan analizler sonucunda, yarı büyük eksen, eksantriklik ve çıkış düğümü boylamı gibi yörüngesel parametrelerin, servis maliyetleri üzerinde doğrudan bir etkiye sahip olduğu gözlemlenmiştir. Çalışmanın önemli katkılarından biri de roket kademelendirme optimizasyonunun modele başarılı bir şekilde entegre edilmesidir. Roketlerin taşıma kapasitelerinin artırılması ve fırlatma aşamalarının optimize edilmesiyle, servis tesislerinin uygun yörüngelere en düşük maliyetle yerleştirilmesi sağlanmıştır. Ek olarak, düşük itki sistemleri ile yapılan yörünge transferleri sayesinde, bakım operasyonlarının yakıt maliyetleri önemli ölçüde azaltılmıştır. Q yasasına dayalı düşük itki analizleri, servis tesislerinin uydular arasındaki hareketlerini optimize ederek operasyon sürelerini en aza indirgemiştir. Bu sayede, servis operasyonlarının daha az maliyetle ve daha yüksek verimlilikle gerçekleştirilmesi mümkün hale gelmiştir. Bu tezde, servis tesislerinin uzaydaki konumlandırılması ve operasyonel etkinliği sayısal simülasyonlarla analiz edilmiştir. Simülasyon sonuçları, tesislerin en uygun yörüngelerde konumlandırılması durumunda bakım operasyonlarının çok daha az maliyetle gerçekleştirilebileceğini ortaya koymuştur. Özellikle, tesislerin yörünge konumları ile müşteri uydu takımyıldızları arasındaki bağlantılar optimize edilerek, operasyonel verimlilik artırılmıştır. Çalışmada, GPS ve Galileo gibi büyük uydu takımyıldızları özelinde yapılan analizler, servis tesislerinin konumlandırılmasında yarı büyük eksen, eksantriklik ve çıkış düğümü boylamı gibi faktörlerin kritik rol oynadığını göstermektedir. Araştırmanın teorik katkılarının yanı sıra, operasyonel yönleri de detaylı bir şekilde incelenmiştir. Servis tesislerinin uzaydaki dağılımı optimize edilerek, kaynak tahsisi etkin bir şekilde gerçekleştirilmiştir. Bu durum, yalnızca maliyetleri düşürmekle kalmamış, aynı zamanda operasyonel sürdürülebilirliği de artırmıştır. Ayrıca, uydu bakım stratejilerinde önemli bir dönüşümü temsil eden bu çerçeve, operasyonel esneklik ve uyarlanabilirlik sağlamaktadır. Geliştirilen metodoloji, farklı ölçeklerdeki uydu takımyıldızlarının bakım ve onarım süreçlerine uygulanabilir hale getirilmiştir. Sonuç olarak, bu tez çalışması, OFLP'nin çözümüne yönelik kapsamlı bir teorik ve pratik altyapı sunmakta, uydu bakım görevlerini planlamak ve yönetmek için önemli öneriler geliştirmektedir. Bu çalışma, yalnızca mevcut ihtiyaçlara yanıt vermekle kalmamakta, aynı zamanda gelecekteki uzay görevleri ve araştırmaları için de sağlam bir temel oluşturmaktadır. Geliştirilen optimizasyon modeli, hem ticari hem de bilimsel uydu operasyonları için sürdürülebilir bir servis altyapısının oluşturulmasına katkı sağlayacaktır. Bu bağlamda, çalışma, uzay mühendisliği alanında maliyet etkin çözümler sunarak gelecekteki uzay misyonları için referans niteliğinde olacaktır.

Özet (Çeviri)

The rapid growth of satellite constellations has made satellite servicing a crucial aspect of sustaining and enhancing their functionality over extended periods. This thesis focuses on developing an optimization framework to address the Orbital Facility Location Problem (OFLP), which involves determining the optimal placement of service facilities in orbit to minimize the combined costs of launching and servicing satellite constellations. The research emphasizes the importance of aligning servicing strategies with cost efficiency while adhering to operational and logistical constraints. A comprehensive methodology is adopted to tackle the OFLP, combining advanced techniques such as rocket staging optimization and low-thrust orbit transfer analysis. The launch cost is modeled based on the maximum payload capacity of launch vehicles and the characteristics of candidate orbits. Service costs, on the other hand, are determined by calculating the fuel consumption and payload requirements for servicing trips between service facilities and client satellites. These costs are integrated into an optimization model formulated using Binary Linear Programming (BLP), which enables the identification of cost-efficient orbital configurations. The study explores multiple scenarios defined by varying numbers of launch vehicles and servicing trips. For each scenario, the model identifies the optimal orbits for deploying service facilities, ensuring that the launch vehicles operate within payload capacity limits and that client satellites are serviced efficiently. The results reveal critical insights into the interplay between launch and servicing costs, highlighting the significance of parameters such as semi-major axis, eccentricity, and right ascension of ascending node in achieving cost-effective solutions. The thesis also presents detailed numerical analyses and visualizations that illustrate the spatial distribution of service facilities, the alignment between service orbits and client satellite constellations, and the trade-offs between resource allocation and operational efficiency. These findings underline the importance of precise orbit selection and resource management in reducing mission costs. In conclusion, this research provides a robust framework for solving the OFLP and offers practical guidelines for designing satellite servicing missions. The insights gained from this work contribute to the field of aerospace engineering by promoting cost-effective strategies for managing satellite constellations. This framework can serve as a foundation for future research and operational planning in orbital servicing and satellite maintenance.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    442613

    Tiyenotiyofen ve ditiyenotiyofen türevlerinin topaklanmaya bağlı ışıma özelliklerinin arttırılması için hacimli gruplarla fonksiyonlandırılması ve özelliklerinin incelenmesi

    Investigation of the properties of thienothiophene and dithienothiophene derivatives which functionalised with bulky groups for effective aggregation induced emission

    ÖZGECAN ŞAVLUĞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    KimyaYıldız Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ZEHRA NÜKET ÖCAL SUNGUROĞLU

    PROF. DR. TURAN ÖZTÜRK

  2. Tez No

    313857

    Orbit transfer optimization of spacecraft with impulsive thrusts using genetic algorithm

    Genetik alogritma kullanılarak bir uzay aracının darbesel itkiyle yörünge transfer optimizasyonu

    AHMET YILMAZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. M. KEMAL ÖZGÖREN

  3. Tez No

    75577

    GPS ölçmelerinin planlanması ve ağ tasarımı

    Başlık çevirisi yok

    ERSOY ARSLAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1998

    Jeodezi ve Fotogrametriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Jeodezi ve Fotogrametri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ERSOY ASLAN

  4. Tez No

    837542

    İyileştirilmiş elektro arama optimizasyon algoritması ile meta sezgisel yaklaşım

    Meta-heuristic approach with improved electro search optimization algorithm

    İNAYET HAKKI ÇİZMECİ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolSelçuk Üniversitesi

    Bilişim Teknolojileri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ADEM ALPASLAN ALTUN

  5. Tez No

    633223

    A methodology to repair or deorbit leo satellite constellations

    Alçak dünya yörüngesi'nde (LEO) bulunan uydu takım yıldızlarının tamiri veya yörünge dışına çıkarma yöntemleri geliştirme

    GÖKSEL GÜRGENBURAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2011

    Astronomi ve Uzay BilimleriOld Dominion University

    Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

Geri Dön