Yer sabit uydularda ısıl kontrol sistemi ön tasarımı ve sonlu elemanlar metodunda ağ yapısı/simülasyon parametrelerinin optimizasyonu
A numerical work for the optimization of mesh sizes and simulation parameters regarding with the preliminary thermal design of geo-satellites
Yazar: YUNUS MURAT
Danışman: PROF. DR. AHMET SELİM DALKILIÇ ; PROF. DR. NEDİM SÖZBİR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı Proses Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Isı geçişi = Heat transfer ; Isıl işlem = Heat treatment ; Sonlu elemanlar yöntemi = Finite element method ; Uydu = Satellite ; Yörünge = Orbit

Özet:
Son yıllarda uydu tasarım ve üretim çalışmaları giderek artan bir öneme sahip olmaktadır. Uydular yörüngede görev yaptıkları süre boyunca uzay ortamının aşırı ısıl koşullarına maruz kalırlar. Uydularda yapısal panellerde yer alan ekipmanların görevlerini sorunsuz olarak sürdürebilmesini sağlamak amacıyla izin verilen uçuş sıcaklık limitleri aralığında kalması için ısıl kontrol sistem tasarımı çok önemli bir rol oynamaktadır. Bu nedenle olası en kötü senaryolar dikkate alınarak modellenmesi, simülasyonunun yapılması ve doğru bir şekilde test edilmesi gerekmektedir. Bu çalışma kapsamında, konsept bir yer sabit haberleşme uydusunun genel ısıl tasarım adımları, ısıl modelleme ve simülasyon çalışmaları yapılmıştır. Çalışmada aynı zamanda uzay koşullarında görev yapan uyduların ısıl modelleme ve analizinin temel anlayışına da yer verilmiştir.

Çalışmanın ilk aşamasında, faydalı yük panellerinin ısı atım kabiliyetlerinin belirlenmesi için bazı analitik hesaplamalar yapılmıştır. Bir sonraki adımda, sonlu elemanlar yöntemine dayalı ticari bir yazılım (NX-Space Systems Thermal) kullanılarak, farklı eleman boyutlarına sahip beş adet ısıl model oluşturulmuştur. Bu modellerin simülasyonları koşturulduktan sonra, modellerin yeterliliğinin değerlendirilmesi için sıcaklık sonuçları, simülasyon süreleri ve sonuç dosyalarının boyutundan oluşan bir karşılaştırma yapılmıştır. Ayrıca yörünge hesaplama noktaları, Monte-Carlo ışın sayıları gibi bazı simülasyon parametrelerinin değişiminin etkileri de araştırılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, genel uydu projelerinin farklı aşamalarında kullanmak üzere farklı ağ yapısı yoğunluğundaki modellerin yeterliliği hakkında önerilerde bulunulmuştur.

Abstract:
In recent years, satellite design and manufacturing studies have an increasing importance. During their mission period in orbit, satellites are exposed to extreme thermal conditions of the space environment. In order to keep equipment that is accommodated on the structural panels of satellites within their allowable flight temperature limits, thermal control system design plays a crucial role. For this reason, it should be modeled, simulated, and tested accurately considering possible worst-case scenarios. Within the scope of this study, the general design steps, modeling, and simulation studies of a concept geostationary communication satellite have been performed. The study also includes the basic understanding of the thermal modeling and analysis of satellites under space conditions.

In the early stage of the study, some analytical calculations are performed for the determination of heat rejection capabilities of payload panels. In the next step, by using a commercial software (NX-Space Systems Thermal) based on the finite element method, five thermal models that have different element sizes are created. After running simulations of these models, a comparison that consists of temperatures results, simulation times, and size of result files is made for evaluations of the sufficiency of the models. In addition, the effects of changing some simulation parameters such as orbital calculation points, Monte-Carlo ray numbers, etc. have been investigated. According to the obtained results, suggestions are given on the mesh density of models which will be sufficient to use in different phases of the satellite project.