Uydu güç kontrol biriminin güvenilirlik tahmin analizi ve güvenilirlik iyileştirmesine yönelik çözümler
Reliability prediction analysis and reliability improvement of the satellite power control unit
Yazar: NAZIM YAMAN
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA BURUNKAYA
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Sistem güvenilirliği = System reliability ; İletişim uyduları = Communication satellites

Özet:
Uzay ortamının radyasyon ve sıcaklık gibi zorlu çevre koşullarında, görev kesintisine uğramadan çalışabilecek yüksek maliyetli ve kritik birimlerin, bakım zorlukları sebebiyle, yüksek güvenilirlikli ve yedekli şekilde tasarlanmaları gerekmektedir. Ekipman arızalarından dolayı uydu kaybını önlemek için tasarımın belli aşamalarında nitel ve nicel güvenilirlik analizleri yapılarak tasarım güvenilirlik açısından güçlendirilmelidir. Böylelikle ürünün ömrünü olumsuz etkileyebilecek riskler en aza indirilerek, kavramsal tasarım aşamasından başlanıp güvenilirlik hedefleri teminat altına alınır. Bu tez çalışmasında uzay sistemlerinde mevcut güvenilirlik yaklaşımları incelenmiş olup yeni güvenilirlik iyileştirme çözümleri sunulmuştur. PTC-WQS programı kullanılarak tasarıma paralel yürütülen güvenilirlik analizleri sayesinde, uydunun hayati birimlerden biri olan Güç Kontrol Birimi (GKB)'nin uzay kalifiye olarak geliştirilmesi sağlanmıştır. Sayısal güvenilirlik iyileştirmelerinin yanı sıra tekil nokta hatası ve hata yayılımının engellenmesi gibi niteliksel gereksinimler de göz önünde bulundurulmuştur. Önerilen üç güvenilirlik iyileştirme yönteminin detayları, DC/DC buck dönüştürücü topolojisiyle kurulan devre kartı üzerinde uygulamalı olarak gösterilmiş ve zorlu güvenilirlik hedeflerini sağlayan yedekli GKB tasarımı sunulmuştur. İlk olarak elektronik bileşenlerin ömrünü uzatmak ve ömür sonu performansını teminat altına almak için elektriksel ve ısıl streslerin kontrol altına alındığı Parça Stres Analizi uygulanmıştır. İkinci olarak maliyet etkin bir çözüm sunmak amacıyla, güvenilirlik blok diyagramları çizilerek yedeklilik yapısı belirlenmiş ve Güvenilirlik Tahmini Analizi ile tasarımın nicel güvenilirlik hedefini karşılaması sağlanmıştır. Son olarak potansiyel arızaları etkileriyle birlikte en aza indirmek, hataların tespit edilebilme oranını artırmak, tekil nokta hatalarını ve hata yayılımlarını önlemek için GKB tasarım sürecine paralel Hata Türü Etkileri ve Kritiklik Analizi (HTEKA) gerçekleştirilmiştir. Bunu sağlamak için çözünürlüğü ayarlanabilen, öznellikten arındırılmış, hem fonksiyonel hem donanımsal ve hem de ara yüz özelliklerine sahip yeni bir yaklaşım olan hibrit HTEKA modeli önerilmiş ve uygulamalı gösterilmiştir.

Abstract:
Costly and critical equipment that can operate in harsh space condition such as radiation and temperature should be designed with high reliability and redundancy because of the maintenance difficulties. To prevent satellite loss due to equipment failure, the design should be developed by considering the results of qualitative and quantitative reliability analysis performed at design phases. In this way, the risks that will adversely effect the product life are eliminated or minimized and the reliability targets determined at the conceptual design phases are ensured. In this thesis, the current reliability approaches in space systems were researched and new reliability improvement solutions were presented. The space-qualified Power Control Unit (PCU), one of the most vital units in a satellite, was developed with reliability analysis parallel to the design by means of PTC-WQS software. In addition to numerical reliability improvements, qualitative requirements such as prevention of single point failure and failure propagation were also considered. The details of the three proposed reliability improvement methods have been demonstrated in practice on the circuit board based on the DC/DC buck converter topology and GKB design with internal redundancy is presented meeting rigorous reliability targets. First of all, part stress analysis, which controls the electrical and thermal stress levels on the electronic components, was performed to extend component life, increase reliability and enhance the end-of-life performance of equipment. Secondly, to provide a cost-effective solution, the structure of redundancy was determined by drawing reliability block diagrams and the design was ensured to meet the quantitative reliability target thanks to Reliability Prediction Analysis. Finally, Failure Mode, Effects and Criticality Analysis (FMECA) was carried out parallel with the PCU design process to eliminate or minimize potential failures and their effects, increase the rate of failure detection, and prevent single point failure and failure propagation. To achieve this, a new hybrid FMECA approach which is free from subjectivity and has functional, hardware and interface features with adjustable resolution, has been proposed and demonstrated in practice.