Geri Dön

Design of athermal lens assembly for a spaceborne Ritchey-Chrétien telescope system

Uzay uygulamalarında kullanılan Ritchey-Chrétien tipi teleskop sistemindeki mercek grubunun atermal tasarlanması

PDF İndir

  1. Tez No: 992576
  2. Yazar: FEYZA ERGÜN KAYA
  3. Danışmanlar: PROF. DR. İBRAHİM ÖZKOL
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Aeronautical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2026
  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: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Bu tez çalışması, yer gözlem uydularının görev yükü olarak kullanılmak üzere tasarlanan bir elektro-optik (E/O) kameraya ait opto-mekanik alt sistemlerden biri olan düzeltici mercek grubu tasarımını ele almaktadır. İncelenen E/O kamera, Ritchey-Chrétien tipi bir teleskop mimarisini temel almakta olup, bu bağlamda düzeltici mercek grubuna ilişkin opto-mekanik alt sistemin tasarımı, analizi ve doğrulanması kapsamlı şekilde gerçekleştirilmiştir. Yer gözlem uydusu ile gerçekleştirilen görüntüleme faaliyetlerinde görüntü kalitesi, uygun optik tasarımı baz alarak inşa edilmiş opto-mekanik yapının termal ve mekanik yükler altındaki davranışı ile ilişkilidir. Bu nedenle, mercek grubunun opto-mekanik tasarımında temel hedef; fırlatma sırasında oluşan yüksek ivme ve titreşim koşullarında yapısal bütünlüğü korurken, yörüngede operasyonel ve hayatta kalma sıcaklık senaryolarında hizalama doğruluğunu sürdüren, aynı zamanda hassas optik yüzeylerde kabul edilemeyecek seviyede temas gerilmeleri oluşturmaktan kaçınan atermal bir tasarım çözümünün geliştirilmesidir. Çalışmanın ilk adımında, sistem mühendisliği yaklaşımı benimsenerek tasarım gereksinimleri tanımlanmıştır. Mercek grubunun, birincil ve ikincil aynalarla birlikte çalışan bütünleşik bir optik sistemin parçası olması nedeniyle; optik eksen kaçıklığı, mercekler arası bağıl yer değiştirme ve yüzey form değişimi gibi kritik parametrelerin belirli tolerans sınırları içerisinde kalması gerekmektedir. Bunun yanı sıra, mercek grubu alt sisteminin E/O kameraya entegrasyonu dikkate alındığında kütle, tasarım zarfı ve hizalanabilirlik gibi sistem seviyesindeki gereksinimler ön plana çıkmaktadır. Sistem tanımının ardından tasarım sürecine yön veren bir yol haritası oluşturulmuş, konsept tasarımı şekillendiren farklı montaj konfigürasyonları, optik elemanların desteklenme teknikleri, mekanikler ve optikler arasındaki arayüz çeşitleri ve yapısal elemanlar için malzeme alternatifleri ayrıntılı olarak incelenmiştir. Sunulan tasarım seçenekleri arasından en uygun çözüm, analitik gerilme denklemlerine dayalı değerlendirmeler ve sonlu elemanlar analizi sonucu elde edilen bilgiler ışığında belirlenmiştir. Bu kapsamda, düzeltici mercek grubu için iki alternatif mekanik mimari geliştirilmiştir. İlk yaklaşım olan alt hücre (subcell) konfigürasyonunda, her bir mercek ayrı hücreler içerisinde yer almakta ve bu hücreler ana gövdeye kademeli olarak bağlanmaktadır. İkinci yaklaşım olan doğrudan yerleşim (drop-in) konfigürasyonunda ise mercekler ortak bir gövde içerisine yerleştirilmekte, ara bileşen sayısı en aza indirilerek daha kompakt ve bütünleşik bir montaj yapısı elde edilmektedir. Her iki tasarımda da, eksenel yönde merceklerin güvenli şekilde tutulması ve fırlatma yükleri altında ayrılma oluşmaması amacıyla dişli sıkma halkalarıyla kontrollü ön yük uygulanması hedeflenmiştir. Radyal yönde ise, merceklerin merkezlemesi sağlandıktan sonra termal genleşme uyumsuzluklarının yönetilebilmesi amacıyla uygun kalınlıkta elastomer kullanımı değerlendirilmiştir. Tasarım sürecinde maksimum gerilme değerlerini esas alan analitik hesaplar neticesinde, mercek kenar bölgelerindeki gerilme birikimini azaltmaya yönelik kademeli temas geometrileri benimsenmiş; yapısal bileşenler için Titanyum (Ti-5Al-2.5Sn) malzeme tercih edilmiş ve olası montaj sapmalarına karşı güvenli çalışma aralığı sağlayan mekanik bir arayüz kurgulanmıştır. Tasarım geliştirme sürecinde, atermalizasyon hedefi doğrultusunda yalnızca ideal sıcaklık koşullarında gereksinimleri sağlamak yeterli görülmemiş; farklı sıcaklık seviyelerinde optik elemanlar ile taşıyıcı yapının arasındaki göreli genleşmelerin oluşturacağı eksenel boşluk ve ön yük değişimleri de tasarımın birincil risk unsurları arasında değerlendirilmiştir. Bu kapsamda, olası sıcaklık değişimlerinden kaynaklanacak ön yükleme kuvvetindeki artış gerilme sonuçlarına eklenmiş; her mercek için temas bölgesinde hesaplanan maksimum gerilme değerleri malzemenin kırılma limitleri açısından incelenmiştir. Buna ek olarak, radyal yönde olası gerilme konsantrasyonunu engellemek için tasarımın atermal olmasını sağlayacak yapıştırıcı kalınlığı belirlenmiş ve radyal açıklık hesapları aracılığıyla basınç kaynaklı zorlanmaların oluşmadığı doğrulanmıştır. Tasarımların doğrulama aşamasında sonlu elemanlar yöntemi temel analiz aracı olarak kullanılmış ve iki farklı mimarinin karşılaştırılabilmesi için ayrıntılı sayısal modeller oluşturulmuştur. Analiz modelleri HyperWorks yazılımı kullanılarak 2 mm boyutlarında ikinci dereceden CTETRA elemanlarla ince ağ yapısında oluşturulmuştur. Mercekler ve mekanik dayama yüzeyleri arasındaki etkileşim temas (contact) elemanlarla tanımlanmış; kamera gövdesine lens grubunun bağlantısını sağlayan bağlantı delikleri, sınır koşulu olarak RBE2 (rijit bağlantı elemanı) kullanılarak altı serbestlik derecesinden kısıtlanmıştır. Sonlu elemanlar modelindeki özgün katkı, dişli sıkma halkaları tarafından uygulanan ön yüklemenin gerçekçi biçimde modellenmesi üzerine yapılmıştır. Bu amaçla gerçekleştirilen iteratif çalışmalar sonucunda, montaj ön yükü tekil bir bileşke kuvvet olarak uygulanmak yerine; çekme ve basınç yük yollarına ayrıştırılarak modele dahil edilmiştir. Bu yaklaşım, hem dişlerin yer aldığı mekanik yüzeylerde hem de mercek temas yüzeyinde oluşan gerilme dağılımının daha gerçekçi değerlendirilmesini sağlamaktadır. Sonlu elemanlar modelinin oluşturulmasının ardından analiz süreci dört ana kısımda yürütülmüştür. İlk olarak, merceklerin oturma davranışının, temas basınçlarının ve başlangıç gerilme seviyelerinin doğrulanması amacıyla yalnızca montaj ön yükünün uygulandığı operasyon durumu analiz edilmiştir. Sonrasında, fırlatma koşullarında yapısal bütünlüğün değerlendirilmesi için X, Y ve Z eksenlerinde uygulanan sanki-statik ivme yükleri altında analizler gerçekleştirilmiştir. Bunlara ek olarak, sıcaklık değişimlerinin optik bileşenlerin konumları ve gerilme durumları üzerindeki etkilerini incelemek üzere operasyonel ve ekstrem sıcaklık senaryolarını temsil eden termoelastik analizler yapılmıştır. Son olarak, yapısal rijitliğin dinamik davranışa verdiği yanıtın belirlenmesi ve ilk doğal frekansların tespit edilmesi amacıyla 0–2000 Hz frekans aralığında modal analizler gerçekleştirilmiştir. Analiz sonuçları, optik yüzeylerin tepe noktası (apex) üzerindeki yer değiştirme değerleri ile merceklerde oluşan maksimum asal gerilmeler açısından değerlendirilmiş ve her iki konfigürasyonun da genel olarak yapısal bütünlük ve hizalama gereksinimlerini sağladığı sonucuna ulaşılmıştır. Alt hücre konfigürasyonu, özellikle bazı termoelastik ve sanki-statik yükleme durumlarında, maksimum asal gerilmelerin daha düşük seviyelerde kaldığı bir davranış sergilemiştir. Bu durum, daha fazla sayıda mekanik bileşenin yük paylaşımına katılması ve yerel rijitlik farklılıklarının gerilme dağılımını yeniden şekillendirmesi ile ilişkilendirilebilir. Buna karşılık, doğrudan yerleşim konfigürasyonu daha az parça sayısı ve daha kısa yük aktarım yolları sayesinde daha kompakt bir yapı sunmuş; bu yapısal bütünlük sayesinde analizlerin genelinde daha düşük yer değiştirme seviyeleri ile elde edilmiştir. Analiz çıktıları yalnızca yapısal limitler açısından değil, optik performans üzerindeki etkileriyle birlikte ele alınmıştır. Bu amaçla, analizlerden elde edilen yer değiştirme verileri üzerinden mercek yüzeylerindeki form değişimleri MATLAB ortamında oluşturulan kodlar aracılığıyla hesaplanmış; özellikle optik performansı belirleyen merceklerin eğrilik yarıçapındaki (RoC) değişim ve dalga cephesi hatası metrikleri değerlendirilmiştir. Dalga cephesi hatası, Zernike polinomları tabanlı bir temsil üzerinden PV ve RMS değerleri ile raporlanmış; böylece mekanik yüklerin optik kaliteye etkisi nicel olarak karşılaştırılabilir hale getirilmiştir. Bu yaklaşım, tasarım kararlarının yalnızca dayanım odaklı değil, görüntü performansı odaklı olarak da gerekçelendirilmesini sağlamıştır. Tasarım çözümlerinden ideal bir seçim yapmak adına konfigürasyonlar; sonlu elemanlar analiz çıktıları, optik performans değerleri, modellerin fiziksel özellikleri ile, tasarımların üretilebilirliği, hizalanabilirliği ve toplam maliyet açısından değerlendirilmiştir. Optik yüzeylerin yer değiştirme verileri dikkate alındığında doğrudan yerleşim konfigürasyonu üstün gelirken, analiz sonucunda merceklerde gözlemlenen maksimum gerilme değerleri açısından alt hücre konfigürasyonunun daha avantajlı olduğu belirlenmiştir. Optik performans değerlendirmesinde incelenen eğrilik yarıçapı değişimleri ve yüzey form hataları açısından iki konfigürasyon arasında belirgin farkla gözlenmemekle birlikte, doğrudan yerleşim çözümünün bir miktar daha avantajlı olduğu görülmüştür. Buna ek olarak, modal analiz sonuçlarında doğrudan yerleşim tasarımının ilk doğal frekansı alt hücre tasarımının ilk doğal frekansına göre daha yüksek seviyelerde elde edildiğinden, doğrudan yerleşim mimarisinin daha iyi global rijitlik sunduğu görülmüştür. Bununla beraber doğrudan yerleşim konfigürasyonu, az parça sayısıyla kompakt bir yapı oluşturmakta; kütle ve model boyutları açısından avantaj sağlamaktadır. Sonuç olarak, üretim ve hizalama süreçlerinde sağladığı kolaylıklar ile görece daha düşük maliyetli olması da dikkate alınarak, çalışmanın doğrudan yerleşim konfigürasyonu ile sürdürülmesine karar verilmiştir. Mercek grubu tasarımının nihai bir ürüne dönüştürülmesinde üretim planlaması kritik bir rol oynadığından, çalışmada üretim süreçleri ve teknik detaylar da ele alınmıştır. Sürecin ilk aşamasında, optik ve yapısal bileşenlerin üretime aktarılmasından önce boyut ve form toleransları belirlenmiş, kabul şartları teknik resimlere detaylıca işlenmiştir. Üretilen bileşenlerin işlevsel bir opto-mekanik alt sistem haline getirilmesi ise ancak kontrollü ve hatasız bir montaj ve hassas hizalama süreciyle mümkündür. Tez kapsamında gerçekleştirilen doğrulama faaliyetleri, tasarımın analiz tabanlı olgunluğunu ortaya koymakla birlikte, kalifikasyon seviyesinde uygulanması öngörülen test adımları da gelecekte yapılacak çalışmalar kapsamında tartışılmıştır. Böylece, titreşim testleri ile fırlatma ortamının dinamik etkilerinin fiziksel olarak doğrulanması; termal vakum (TVAC) ortamında gerçekleştirilen testler ile de yörünge koşullarının benzetilmesi önerilmektedir. Sonuç olarak bu tez, uzay tabanlı bir E/O kameranın düzeltici mercek grubunun atermal opto-mekanik tasarımını; gereksinimlerin tanımlanmasından kavramsal tasarıma, sonlu eleman tabanlı doğrulamadan optik performans etkisinin yorumlanmasına kadar uçtan uca bir çerçevede ele almıştır. İki alternatif mekanik mimari arasında gerçekleştirilen çok ölçütlü değerlendirme sonucunda, mekanik dayanım ve hizalama gereksinimlerini karşılamakla birlikte üretim ve entegrasyon açısından daha güçlü avantajlar sunan doğrudan yerleşim konfigürasyonu, nihai tasarım çözümü olarak seçilmiştir. Çalışma, özellikle dişli sıkma halkaları tarafından uygulanan montaj ön yükünün gerçekçi biçimde modellenmesine yönelik yaklaşımı ve mekanik analiz çıktılarının optik performans metrikleri ile ilişkilendirilerek tasarım kararlarının temellendirilmesi açısından, benzer uzay optiği alt sistemlerinin geliştirilmesinde uygulanabilir ve aktarılabilir bir yöntem seti sunmaktadır.

Özet (Çeviri)

The thesis presents a comprehensive opto-mechanical design of a corrector lens assembly for a spaceborne electro-optic (E/O) imaging system based on a Ritchey-Chrétien telescope configuration. The primary design objective is the realization of an athermalized lens assembly that preserves optical performance by maintaining submicron alignment stability throughout serious orbital thermal cycles, while simultaneously ensuring structural integrity in the microgravity environment after enduring severe launch loads. A particular emphasis is placed on mitigating contact stresses at the mounting interfaces of optical elements to prevent significant degradation of the surface figure error. The study proposes and comparatively evaluates two distinct mechanical architectures for an athermal design of lens assembly: a subcell configuration and a drop-in configuration. Material selection and interface geometries are optimized through analytical stress formulations to ensure a robust design. A methodological contribution of this research is the development of a high-fidelity finite element modeling approach for threaded retainer ring preloads implemented in HyperWorks. The assembly preload is decomposed into distinct tensile and compressive load paths, enabling a realistic and physically representative assessment of stress distributions at the lens-mechanical interfaces. Validation is carried out through a comprehensive set of finite element analysis (FEA), comprising modal, quasi-static acceleration, and thermoelastic distortion analyses to systematically evaluate the dynamic, structural, and thermal behaviour of the assembly. A dedicated MATLAB-based framework is used to link the structural responses to optical performance by transforming FEA displacement data into the Zernike polynomials, thereby quantifying surface figure errors and variations in radius of curvature. Comparative evaluation demonstrates that the drop-in configuration exhibits superior global stiffness and enhanced optical stability, while also offering advantages in terms of the compactness and simplicity of the integration and alignment procedures. The research further details the manufacturing and realization aspects of the lens assembly, with particular focus on the determination of the critical dimensions and form tolerances. In order to advance the numerically validated design toward flight readiness, future work is planned as environmental qualification testing, including vibration and thermal vacuum (TVAC) campaigns. To sum up, the research establishes a detailed and transferable design methodology for a high-precision optical system, including quantitatively driven opto-mechanical performance evaluation and proposing physically representative preload modeling.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    946760

    Termal optik sistemlerde optik montaj süreçleri ve metalurjisi

    Optical assembly processes and metallurgy in thermal optical systems

    UFUK SAZAKLI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Mühendislik BilimleriSivas Cumhuriyet Üniversitesi

    Optik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATİH UNGAN

  2. Tez No

    743505

    Termal görüntüleme dedektörleri için, yüksek performanslı atermal yarı iletken objektif optik tasarımı

    High performance athermal semiconductor objective optical design for thermal imaging detectors

    FERHAT BÖLÜKBAŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Fizik ve Fizik MühendisliğiKocaeli Üniversitesi

    Elektro-Optik Sistem Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ERHAN AKMAN

  3. Tez No

    606331

    Endüstriyel amaçlı bir yoğunlaştırıcı güneş kolektörünün tasarımı, imalatı ve deneysel incelenmesi

    Design, manufacturing and experimental investigation of a concentrating solar collector for industrial purposes

    AHMET ERSAVAŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Makine MühendisliğiHarran Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BÜLENT YEŞİLATA

  4. Tez No

    425855

    Design and performance analysis of a compact solar energy panel

    Kompakt güneş enerjisi paneli tasarımı ve performans analizi

    SAMİR NAGHİYEV

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Makine MühendisliğiMarmara Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ABDÜLKERİM KAR

  5. Tez No

    131077

    Fresnel merceklerle yoğunlaştırılmış güneş enerjisinin ısıya dönüştürülmesi ve depolanması

    Design and built of solar thermal conversion system that converts and stores concentrated solar energy by fresnel lenses

    LÜTFİ ERDEM GÖLALMIŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2003

    Fizik ve Fizik MühendisliğiHacettepe Üniversitesi

    Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. DEMİR İNAN

Geri Dön