Yüksek irtifa haberleşme balonlarının taşınım olayları, malzeme ve yakıt hücresi ile kontrolü
Control of high altitude telecommunication balloons via transport phenomena, material and fuel cell
Yazar: ÖZNUR KAYHAN
Danışman: PROF. DR. MEHMET ALAİTTİN HASTAOĞLU
Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü / Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Yüksek irtifalı gaz balonları haberleşme platformu ve atmosfer için gözlem platformu ya da araştırma görevleri için daha ucuz bir yöntem sunmaktadır. Balon görevinin başarıyla tamamlanması için doğru ve güvenilir uçuş performans tahmin yöntemi gerekmektedir. Balon ve hava araçları ile ilgili çalışmalar yıllardır kontrol, uçuş testi ve yapısı üzerine devam etmektedir. Ancak, bugüne kadar safra kullanılmaksızın büyük yük taşıyan hiçbir balon sistemi yapılamamıştır. Ayrıca balon sisteminin uzun süre çalışması ve teknik servis için yere iniş ve tekrar uçuş için kontrol sistemi geliştirilmemiştir.
Bu çalışmada, daha önce çalışılmamış olan balon dinamiği, ısı ve kütle transferine dayalı yüksek irtifalı sıfır basınçlı balonlar için model geliştirilmiştir. Bu model hız kontrol mekanizmasıyla birleştirilmiştir. Balon performansı, özellikle hafif gaz kütle transfer mekanizması, ilk kez incelenmiştir. Model NASA test uçuşu datası kullanılarak doğrulanmıştır. Uçuş zamanının başlangıç ve depo gaz miktarı, balonun toplam ağırlığı ve taşıdığı yükle değişimi analiz edilmiştir. Güneş radyasyonu absorptivitesi, infrared emissivite ve diğer termofiziksel özelliklerin etkisi ayrıntılı olarak gösterilmiştir. Kütle transfer katsayısının kütle transfer hızına ve uçuş zamanına etkisi incelenmiştir. Yedek uçuş gazı Gaz-Sıkıştırma-Serbest-Bırakma modeliyle balonun safra kullanılmadan yörüngesine ulaştırılması ve uçuş zamanının şu an elde edilebilenden daha uzun olması sağlanmıştır.
Geliştirilen balon modeli üzerine temellendirilmiş balon sistemine müdahale için güvenilir iniş davranışı nümerik olarak ilk kez incelenmiştir. Kompres hızının yeryüzüne iniş hızına ve iniş zamanına etkisi ayrıntılı olarak gösterilmiştir. Gaz-Sıkıştırma-Serbest-Bırakma sistemiyle balona istenildiğinde müdahale edilmesinin mümkün olduğu bulunmuştur. Sonuçlar aynı zamanda güçlü ve güvenilir, servis edilebilir yüksek irtifalı stratosferik balonların dizaynı ve çalışması için de faydalı olacaktır.

Abstract:
High altitude gas balloons provide a cheaper way as communication/ observation platform for atmospheric studies or research mission than is currently available. A successful balloon mission requires an accurate and reliable prediction of flight performance. Although there are studies on balloon and airship systems focusing on flight test, control, structure, etc; up to now there is not a serviceable, ballast-free balloon system that can carry large payloads at constant altitude for long periods.
In this work, for high altitude zero pressure balloons, a model has been developed based on balloon dynamics and transport phenomena which have not been studied together before. A velocity-control mechanism has also been introduced. The behavior of the balloon and mass transfer mechanism for the lift gas have been investigated for the first time. The model was validated using NASA test flight data. The variation of the flight time with the amounts of initial and stored gas, total balloon and payload weight is analyzed. The effects of thermophysical and transfer properties are discussed in detail. It was found that with the sacrificial Flight-Gas-Compress-Release model it is possible to place the balloon at its orbit without using ballast, and extend the flight time more than currently available.
The effect of compression rate on descent velocity and flight time is discussed. With Flight-Gas-Compress-Release model it is possible to service the balloon technicallly whenever needed via safe landing. These results would help the design and operation of safe and serviceable high altitude stratospheric balloons.