Geri Dön

Açık kaynak kodlu yazılım ıle fırlatma araçları üzerındekı fırlatma ırtıfası rüzgar etkılerının analızı

Analysis of ground wind loads on launch vehicles using opensource software

PDF İndir

  1. Tez No: 968226
  2. Yazar: ECE SAYKAN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. FIRAT OĞUZ EDİS
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Havacılık ve Uzay 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: Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 75

Özet

Araçların uzaya fırlatılması süreci, modern teknoloji dünyasında gerçekleşen en önemli gelişmelerden biridir. Bu çığır açan yetenek sayesinde, insanoğlunun uzayı keşfetme hayallerinin gerçeğe dönüştürülmesi ve uyduların yörüngeye yerleştirilmedi gibi önemli görevlerin başarıyla tamamlanması mümkün hale geldi. Ancak bu karmaşık makineler, Dünya atmosferine doğru yükselirken, özellikle atmosferik sınır tabakası (AST) olarak adlandırılan bölgede, sürekli değişen ve çoğu zaman. öngörülemeyen bir ortamla uğraşmak zorunda kalırlar. Bu ortam, araçların sorunsuz bi şekilde çalışabilme için önemli zorluklar oluşturmaktadır. Fırlatma araçları, dünya yüzeyine temas eden atmosferin türbülanslı alt katmanı olan atmosferik sınır tabakası (AST) ile karşılaştıklarında önemli bir sorunla karşılaşırlar. Stull'un 1988 tarihli çalışmasına göre, bu katman, fırlatma araçlarının düzgün bir şekilde uçmasını ve yapısal bütünlüklerini korumasını son derece zorlaştırır. Bu katmanın türbülanslı yapısının temel nedeni, rüzgarın yönünün ve hızının sürekli olarak değişmesidir. Bu durum, araçların üzerine karmaşık ve hızla değişen yüklerin binmesine neden olur. Roketçiliğin başlangıcından bu yana, atmosferik sınır tabakası (AST) türbülansını daha iyi anlamak ve onun olumsuz etkilerini azaltmak en önemli araştırma konularından biri olmuştur. Bu nedenle, bu yüksek lisans tezinin temel amacı, AST türbülans koşullarının fırlatma araçlarının aerodinamiğini çeşitli açılardan nasıl etkilediğine dair kapsamlı bir analiz sunmaktır. Bu nedenle tez, bu konudaki anlayışımızın zaman içinde nasıl geliştiğine dair kapsamlı bir tarihsel analiz sunacak ve karşılaştığımız zorlukları ve bu zor olaylarla başa çıkmak için modelleme ve tasarım alanındaki gelişmeleri ayrıntılı bir şekilde ele alacaktır. Bu nedenle, tez başlangıçta belirlediği hedefe ulaşmak istiyor. Simülasyonun temel amacı, fırlatmadan önce fırlatma araçlarının maruz kaldığı türbülanslı AST koşullarını doğru bir ¸sekilde yansıtmaktır. Fırlatma araçları, özellikle türbülanslı zemin rüzgarları nedeniyle çok fazla stres ve hareket yaşayabilir. Bu, operasyon sırasında yapıların güvenliğini ve bütünlüğünü etkileyebilir . Bu nedenle, yapısal ve aerodinamik değişkenleri incelemek için bu koşulları son derece hassas bir simülasyonunu yapmak çok önemlidir. Bu araştırmasının temel amaçlarından biri de, tamamen açık kaynaklı bir Büyük Girdap Simülasyonu (BGS) çerçevesinin kesinliğini, NASA TDT'den elde edilen tanınmış deneysel verilerle karşılaştırmaktır. Ölçeklendirilmiş modelde Reynolds sayıları 3.6 × 1000000 'ya kadar ve ölçekli modelde 0.1 ile 40 Hz arasındaki türbülans spektrumları bu çalışmanın ana odak noktalarıdır. Bu zemin rüzgarı simülasyonlarında Mach sayısı 0.25'tir. Çalışmasının kapsamlı uygulanabilirliğini ve önemini garanti etmek için AST profilleri üç farklı fırlatma kompleksi için simüle edildi: SLC-TX, Teksas'ta bulunan bir fırlatma kompleksi; SLC-39, Kennedy Uzay Merkezi, Florida; ve SLC-40, Cape Canaveral Uzay Gücü İstasyonu, Florida. Fırlatma araçları için yerden 12 ila 78 fit arasında değişen önemli taban irtifa farklılıkları ve çevreleyen geniş topografya nedeniyle bu sahalar seçildi. Bu coğrafi farklılıklar nedeniyle simülasyonlar hassas bir ¸sekilde AST hız profillerini ve türbülans özelliklerini yeniden üretmelidir. Çalışma kapsamında, açık kaynak kodlu bir Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) platformundan yararlanılmıştır. Bu tercihin bir sonucu olarak, havacılık ve uzay mühendisliği analizleri daha erişilebilir, tekrarlanabilir ve maliyet etkin bir hale gelmiş¸bu sayede yüksek maliyetli ticari yazılım çözümlerine alternatif bir yaklaşım sunulmuştur. Bu tür sayısal modelleme çerçevelerinin öngörü yeteneklerine duyulan güvenin tesis edilmesi amacıyla, bu araştırma, söz konusu çerçevelerin yüksek nitelikli deneysel veriler kullanılarak detaylı bir şekilde değerlendirilmesinin hayati bir öneme sahip olduğunu ortaya koymaktadır. Türbülansın modellenmesi noktasında ise, temel metot olarak Büyük Girdap Simülasyonu (BGS) yöntemi benimsenmiştir. Reynolds Ortalamalı Navier-Stokes (RANS) modelleri tüm türbülanslı ölçekleri hesaba katarken, Büyük Girdap Simülasyonu (BGS) metodu öncelikli olarak daha büyük ölçekli, enerji içeren türbülanslı girdaplara ve daha küçük ölçekli, yaygın olan alt-grid ölçeğindeki (SGS) girdaplara odaklanmaktadır. Bu metodoloji, özellikle önemli ayrılma ve kararsızlıkların gözlemlendiği akışların tahmini için oldukça elverişlidir; buna örnek olarak, zemin rüzgarlarına maruz kalan bir fırlatma aracı etrafındaki akışlar verilebilir. Aynı zamanda, belirgin ve geçici türbülanslı yapılarla karakterize edilen Atmosferik Sınır Tabakası (AST) akışlarının modellenmesinde de yüksek başarı göstermektedir. Aerodinamik kararsızlığın incelenmesi bağlamında, BGS yönteminin bu karmaşık akış olaylarını yeterli doğrulukta yakalaması kesin bir gereklilik arz etmektedir. Bu araştırma, fırlatma araçlarının uzay yolculuklarının ilk aşaması olan fırlatma sonrasında karşılaştıkları atmosferik sınır tabakası (AST) içindeki türbülansın araç dengesi üzerindeki önemli etkilerini göstermektedir. Araştırmanın amacı, açık kaynak kodlu bir Büyük Girdap Simülasyonu (BGS) modelinin doğruluğunun ve güvenilirliğinin test edilmesidir. NASA'nın yüksek hızlı rüzgar tüneli olan Transonik Dinamik Tüneli'nde (TDT) gerçekleştirilen deney verilerinin karşılaştırılması, araştırmanın ana hedefidir. Bu karşılaştırma, BGS çerçevesinin güvenilir, kolay erişilebilir ve gerçek dünya atmosferik koşullarında meydana gelen türbülans kaynaklı kararsızlıkların benzetimini yapabildiğini gösterdi. Bu BGS modeli, türbülansın neden olduğu dönme hareketini (vortisite) ve akışkan katmanları arasındaki teğetsel kuvveti (kayma gerilmesi) ayrı ayrı analiz edebilir. Gelecekte yeniden kullanılabilir fırlatma araçlarında karşılaşılabilecek aerodinamik risklerin azaltılması, fırlatma rampalarının tasarımını iyileştirmek ve operasyonel süreçleri daha güvenli hale getirmek için bu kapsamlı analiz yeteneği ile mümkündür. Bu çalışmada temelleri atılan hesaplama modelinin işlevselliğini ve sofistikasyon düzeyini önemli ölçüde artırmak, geleceğe yönelik bilimsel tahayyüller ve mühendislik inovasyonları açısından müteakip araştırma projelerinin temel odak noktası olacaktır. Bu öngörü, mühendislik ve bilimin gelecekte nasıl gelişeceğime dair kapsamlı bir anlayışa dayanmaktadır. Bu bilimsel çalışmanın temel amaçlarından biri, dünya çapında çeşitli yerlerde bulunan ve her biri farklı çevresel koşullar ve operasyonel dinamikler içeren çok sayıda fırlatma sahasıyla ilgili verilerin titizlikle birleştirilmesidir. Bu kapsamlı projenin temel motivasyonu, teorik modellemeler yoluyla elde edilen aerodinamik veriler ve ampirik deneylerden elde edilen sonuçlar arasındaki tutarlılığı ve uyumu optimize edecek daha gelişmiş bir metodoloji geliştirmektir. Bu, araştırma girişiminin temelini oluşturan kavramsal çerçevedir. Bu bütünleşik analitik yapı, havacılık ve uzay endüstrisindeki türbülansın karmaşık doğasını çözmek için daha pratik ve ekonomik açıdan verimli yeni bir dönem başlatacaktır. Özelleştirilmiş açık kaynak alternatiflerinin potansiyelinin tam olarak açığa çıkarılması bu bağlamda teşvik edilecektir. Aynı zamanda, yüksek maliyetli tescilli ticari yazılım çözümlerine olan bağımlılığının azaltılması hedeflenecektir. Yüksek doğruluklu türbülans analizlerinin bu şekilde basitleştirilmesi ve daha geniş bir endüstriyel ve akademik kitleye sunulmasının bir sonucu olarak, havacılık ve uzay sektöründe araştırma ve geliştirme faaliyetleri önemli ölçüde artacaktır. Bu, ezber bozan yeni teknolojilerin ve yenilikçi tasarım tekniklerinin filizlenmesi için uygun bir ortam sağlar. Nihai değerlendirmeye göre, bu önemli dönüşüm, havacılık ve uzay endüstrisinin uzun vadeli büyümesine ve dünya çapındaki rekabet gücüne önemli bir katkıda bulunacaktır.

Özet (Çeviri)

The process of launching vehicles into space is among the most significant developments that have occurred in the field of modern technology. This enables the successful completion of significant missions, such as the launch of satellites into space and the exploration of space by humans. As these complex machines ascend through the atmosphere of the Earth, they are forced to contend with an environment that is constantly shifting and frequently unpredictable, particularly in the atmospheric boundary layer (ABL). The atmospheric boundary layer (ABL), which is the turbulent lower section of the atmosphere that touches the surface of the Earth, makes it extremely challenging for launch vehicles to fly effectively, maintain structural integrity, and be controlled from an overall perspective. Due to the fact that the wind speed and direction are constantly shifting in a chaotic manner, this layer is turbulent. This places loads that are both intricate and subject to rapid change on the vehicle. Since the beginning of rocketry, one of the most important areas of research and development has been figuring out how to have a better understanding of ABL turbulence and how to decrease its potential impacts. A comprehensive investigation into the ways in which ABL turbulence influences the aerodynamics of launch vehicles is the objective of this master's thesis. In order to accomplish this, it will provide a comprehensive historical account of the ways in which our understanding has evolved over the course of time, the challenges that we have encountered, and the advancements in modeling and design that have been made in order to address these challenging occurrences. The primary objective of the simulation setup is to create an accurate representation of the turbulent ABL conditions that launch vehicles must go through prior to their launch. Ground winds, particularly when they are turbulent, have the potential to exert a significant amount of stress and motion on launch vehicles, which may have an impact on their structural integrity and safety while they are in operation . Therefore, in order to examine the aerodynamic and structural variables, it is important to conduct a simulation of these conditions that is extremely exact. In addition, one of the primary objectives of this research is to evaluate the precision of a Large Eddy Simulation (LES) framework that is entirely open-source by comparing it to well-known experimental data from the NASA TDT. Reynolds values up to 3.6 ×106 (model scaled) and turbulence spectra between 0.1 and 40 Hz (model scaled) are the primary areas of attention in this study. 0.25 is the Mach number that is being used for these ground wind simulations.To guarantee the extensive application and significance of the study, ABL profiles for three separate launch complexes were simulated: SLC-TX (A launch complex located in Texas), SLC-39 (Kennedy Space Center, Florida) and SLC-40 (Cape Canaveral Space Force Station, Florida). The selection of these sites is due to the significant variation in base altitudes for launch vehicles, which range from 12 to 78 feet above ground level, as well as the diverse surrounding topography. Due of these geographical disparities, the simulations must precisely replicate the distinct ABL velocity profiles and turbulence attributes associated with them. The research employed an open-source CFD platform. This decision renders aerospace engineering analysis more accessible, reproducible, and economical, providing an alternative to costly commercial software solutions. This research demonstrates that evaluating these frameworks using high-quality experimental data is crucial for establishing confidence in their predictive capabilities. LES was selected as the primary method for modeling turbulence. Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) models consider all turbulent scales, whereas Large Eddy Simulation (LES) focuses solely on the larger, energy-containing turbulent eddies and the smaller, more ubiquitous subgrid-scale (SGS) eddies. This technique is particularly effective for ABL flows characterized by substantial, transient turbulent structures, and for precisely forecasting flows with significant separation and instability, such as those surrounding a launch vehicle subjected to ground winds. To investigate aerodynamic instability, it is essential that LES accurately captures these complex flow events. In conclusion, this study highlights the substantial impact of ABL turbulence on the stability of launch vehicles during post-launch operations. This study provides a robust, widely accessible instrument for simulating turbulence-induced instabilities under realistic atmospheric circumstances by verifying an open-source Large Eddy Simulation (LES) framework against NASA's Transonic Dynamics Tunnel (TDT) experiments. The framework's capacity to delineate turbulence-induced vorticity and shear stress offers valuable insights for enhancing launchpad infrastructure, refining operational protocols, and mitigating aerodynamic hazards in advanced reusable launch systems. To reconcile computational and experimental aerodynamics, future endeavors aim to expand the computational model to incorporate other launch sites. This approach streamlines high-fidelity turbulence analysis for the aerospace sector by enhancing the precision of aerodynamic forecasts while diminishing reliance on expensive commercial tools.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    556552

    An open source spatial software for transportation infrastructure performance metrics

    Ulaştırma altyapı performans ölçütleri için mekansal açık kaynak kodlu yazılım

    ÖMER AKIN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Jeodezi ve Fotogrametriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Geomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HANDE DEMİREL

  2. Tez No

    169548

    Extreme programlama ile nesneye yönelik yazılım geliştirme

    Object oriented software development with extreme programming

    DİDEM ÖKTEM

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2005

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolEge Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ.DR. OĞUZ DİKENELLİ

  3. Tez No

    485247

    Eğik şok kaynaklı laminer sınır tabaka ayrılmasının hesaplamalı yöntemlerle incelenmesi

    Computational simulations of oblique shock induced laminar boundary layer separations

    HASAN AVŞAR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. BAYRAM ÇELİK

  4. Tez No

    807257

    Serbest su yüzeyine yakın derinlikteki denizaltının manevra sorunlarının incelenmesi

    Investigation of maneuver problems of submarines close to the free surface

    KAĞAN YÜCE

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Gemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. DEVRİM BÜLENT DANIŞMAN

  5. Tez No

    742685

    Üniversite kütüphanelerinde yapay zekâ teknolojilerinin kullanımı: Yeni nesil üç boyutlu uygulamalar

    The use of artificial intelligence technologies in university libraries: New generation immersive technologies

    HARİKA BAŞ GÜLER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Bilgi ve Belge YönetimiMarmara Üniversitesi

    Bilgi ve Belge Yönetimi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. GÜSSÜN GÜNEŞ

Geri Dön