Nano uydu ile konsept derin uzay görevi tasarımı
Concept deep space mission with nano satellites
Yazar: ENES ERDOĞAN
Danışman: PROF. DR. ALİM RÜSTEM ASLAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Astronomi ve Uzay Bilimleri = Astronomy and Space Sciences ; Biyoloji = Biology ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Her geçen gün daha da gelişen teknolojik imkanlar ile birlikte insanoğlunun keşfetme arzusu güçlenmiş ve evrenin işleyişini anlamaya yönelik yapılan çalışmalar artış trendine girmiştir. Uzay araştırmaları ile öncelikle Dünya ve atmosferini keşfetmek amacıyla duyulan meraktan yola çıkılarak yapılan çalışmaların sonucu olarak birçok uzay aracı geliştirilmiş ve bu doğrultuda yapılan çalışmalar zamanla bütün evreni anlamaya evrilen merak duygusu ile birlikte derin uzay araştırmaları başlamıştır. 

Derin uzay araştırmaları için planlanan görevler oldukça kapsamlı çalışma yapmayı, ileri teknoloji ürünleri kullanmayı gerektirmekte ve yüksek bütçeler ile gerçekleştirilebilmektedir. Gelecek yıllar içerisinde insanoğlu, evrenin keşfi için insanlı uzay laboratuvarları kuracak, bu laboratuvarlarda, gelecek görevlere hazırlık için deneyler gerçekleştirecek ve bu laboratuvarları dış gezegenlere daha kısa sürede, düşük maliyet ile ulaşmak için sıçrama tahtası olarak kullanacaktır. 
Bu çalışmada, derin uzay görevi araştırmalarında kullanılacak insanlı laboratuvarların kurulacağı ortam uzay şartlarının canlılar üzerinde yaratacağı etkilerin tespit edilmesi ve insanların yaşayabilmesi için ihtiyaç duyulan ortamın oluşturulması adına yapılacak çalışmalara katkıda bulunacak, nano ölçekli uydular ile gerçekleştirilecek, düşük maliyetli bir uzay görevi önerisi hazırlanmıştır. 

Bu konsept görev önerisinde, piyasada hazır olarak bulunan ürünler arasından uygun olanların seçilerek sistem mimarisinin oluşturulması, gerek duyulan sistemler için yeni konsept sistem tasarımlarının gerçekleştirilmesi ve faydalı olabilecek yeni fikirler sunulması amaçlanmıştır. 
Görev, son yıllarda oldukça popüler olan küp uydular ile uzaya taşınacak ve belirlenen süre zarfında hiçbir ek kaynağa ihtiyaç duymayan, canlı mikroorganizmaların bir arada yaşadığı tamamen kapalı bir mikro biyolojik ekosistem görev yükü ile icra edilecek şekilde tasarlanmıştır. Bu görev ile, ileride gerçekleştirilecek insanlı derin uzay görevlerinde uzay yolculuğu yapacak insanların maruz kalacağı uzay ortamı etkilerinin belirlenmesi ve bu etkilere yönelik önlemler alınabilmesinin mümkün kılınması hedeflenmiştir. Bu doğrultuda, 6U'luk bir küp uydunun görev ömrü boyunca bulunacağı uzay ortamının, görev yükü içerisinde yer alan mikroorganizmaların yaşamsal fonksiyonları üzerindeki etkilerinin çeşitli sensörler aracılığı ile ölçülmesi ve Dünya'da bulunacak yer istasyonuna dolaylı olarak veya doğrudan aktarılmasına yönelik konsept bir derin uzay görevi planlanmıştır. 
Bu çalışmanın konusunu oluşturan, derin uzay görevi araştırmalarına ve uzayda kolonileşme çalışmalarına katkıda bulunmak amacı ile tasarlanan bu görev ile daha önce hayata geçirilen ve halihazırda planlama aşamasında olan derin uzay görevlerine farklı bir boyut kazandırılarak, canlı organizmalardan oluşan ve kendi kendine yetebilen bir ekosistem görev yükü olarak kullanılacaktır. Büyük ölçekli uydu görevlerine kıyasla çok daha düşük bir maliyetle ve küp uydu görevlerine kıyasla Dünya'dan çok daha uzakta icra edilmek üzere tasarlanan bu görev ile derin uzay ortamının canlılar üzerindeki bilinmeyen etkilerinin tespit edilmesi hedeflenmiştir. Bu çalışma kapsamında oluşturulan konsept görev önerisi ile gelecek yıllarda icra edilecek insanlı derin uzay görevleri ve Türkiye uzay araştırmaları için kaynak, literatür ve motivasyon sağlanması hedeflenmiştir. 

Bu çalışmanın içeriğinde, küp uydu konsepti ve tarihçesi hakkında bilgiler verilmiş, literatürde yer alan ve bu görev için temel teşkil eden uydu görevleri hakkında yapılan araştırma sonuçları sonuçları ve görev için belirlenen hedeflere ilişkin bilgiler verilmiştir. Verilen bilgiler ve sunulan konsept doğrultusunda planlanan görevi icra etmek üzere 6U formundaki bir küp uydu konsept tasarımı gerçekleştirilmiştir. MASTERSAT adı verilen 6U formundaki uydu tasarımını oluşturan alt sistemler için piyasada hazır bulunan ürünler arasından getir götür analizi ile en uygun olanları seçilmiş, uydu bütçeleri, haberleşme yöntemleri, fırlatma ve muhtemel yörüngelere ilişkin bilgiler ile tahmini bütçe projeksiyonu verilmiştir. Son olarak, sunulan bu konsept görev önerisinin geliştirilmesi için ileride yapılması planlanan çalışmalar hakkında bilgiler verilmiştir.

Abstract:
The ever-evolving technological opportunities day by day, the desire of the discovery of human beings has been strengthened and there has been a great increase in the works to understand the running of the universe. As a result of the studies, which are powered by the curiosity to discover the Earth and its atmosphere, many spacecraft have been developed and studies conducted in this direction have begun to investigate deep space with the development of the sense of curiosity to understand the whole universe.

For the discovery of the universe, mankind will establish manned space labs outside the world in the coming years, conduct experiments in these laboratories and use these laboratories as a big step to reach the outer planets in a shorter time and with low cost. Accordingly, a lot of pre-space mission and experiment was performed in recent years. One of the greatest steps for these studies was the International Space Station. Many nations were involved in the construction and operation phase of International Space Station since the program has been started. The first module of International Space Station has launched in 1998 and numerous experiments were held since the first crewed mission.

Although International Space Station hosts many kinds of living organisms onboard and provides experiment environment, all these studies remain limited with only Low Earth Orbit. To carry living organisms from Earth to other planets like Mars and to deep space requires more works and experiments. After the research and planning phase, pioneer space missions are designed to gain knowledge and get the answers for reaching more. These pre-works and pioneer missions are important for planning more complex and critical manned space missions to the deep space for determining possible problems and for finding the best solutions.  

The missions planned for deep space exploration require extensive work, high technology, and huge mass satellites due to the needs like communication, attitude control, thrust and supplies then it causes an increase on development and launch costs. In this study, a low-cost deep space mission proposal is prepared to contribute to the further studies, which are going to determine the effects of the space environment on living organisms to be used in deep space mission research and to create the environment needed for people to live.   

In recent years, CubeSats are frequently used for low-cost scientific missions. In this conceptual mission proposal, it is planned to use CubeSats for the mission. Related to this, aimed to select the appropriate ones among the systems available in the CubeSat market and also to present new conceptual system designs and new ideas that may be useful for this project. Accordingly, a detailed literature search is performed and the CubeSat subsystem database is created. Regarding project needs, appropriate products are filtered and selected products are implemented into the analysis table. After that, appropriate subsystem candidates are selected applying trade study analyses.
In this study, general information about the concept and history of the CubeSats is provided. Moreover, a literature survey about the satellite missions which is the basis for this mission and the objectives for the mission information is explained in detail. A CubeSat conceptual design in 6U form was carried out to perform the planned mission in line with the information provided and the concept presented. This conceptual design study consists of appropriate subsystem selection from the market and creating usable subsystem and payload concepts for 6U CubeSat called MASTERSAT. Furthermore, initial design architecture is given covering information on satellite budgets, communication methods, launch, and possible trajectories and estimated budget projection. Finally, brief information is provided about the studies planned for the future in order to develop this conceptual mission proposal. 

MASTERSAT is planned to have following subsystems; structure, thermal control and mechanisms subsystem, electrical power subsystem, command and data handling subsystem, attitude determination and control subsystem, propulsion subsystem and scientific payload. 

The conceptual mission is planned with a 6U CubeSat that will consist of a fully enclosed micro-biological ecosystem where microorganisms live together. This system will be transported into space by CubeSats that are quite popular in recent years and will not need any additional supplies during the specified period. Hence, it will be possible to determine the effects of space environment on astronauts before manned deep space missions to be carried out in the future. The impact of the space environment on the vital functions of these microorganisms over the life of the mission will be measured by various sensors and will be transferred directly or indirectly to the ground station to be located on Earth. To make this possible, an exclusive mission payload is designed. This payload hosts some living organisms that are evaluated to resist the harsh space environment and demonstrated that in practice in space like tardigrades. Tardigrades are going to be supported with algae and cyanobacteria in the manner life support systems. Vital activities of the living organisms and the system are going to be monitored using biosensors and optical sensors. In addition, space environment effects like radiation dose and temperature are planned to measure with related sensors and radiation dosimeters.

This study briefly includes literature search on CubeSat technology, deep space and biological CubeSat missions, a conceptual mission proposal, CubeSat architecture design and selection of CubeSat subsystem configuration, payload conceptual design, study on possible ground station solutions, system engineering applications like technical budgets, launch vehicle and trajectory alternatives, project budget projection, conclusion and future work. 

In the section of payload design, a brief summary of the scientific payload is given. The payload is divided into subsections and product designs are presented. The main part of the payload is enclosed ecosystem including living organisms like tardigrades, lichens, cyanobacteria and other stuff like sea water, glass and chips. The ecosystem is surrounded by a kind of transparent, reinforced, multi layer panes. A sensor complex is located around the ecosystem to measure and monitor vital functions of the organisms. The payload is designed to host other units like radiation dosimeter and various sensors to detect space environment effects on the satellite. A camera will be used to monitor the ecosystem and living organisms during the mission phase. The payload will have integrated systems like heaters and pressure release valves to balance the system.

Ground station and support systems part discusses the best ground station option for this project. Deep Space Network facility and antenna properties are given in this section as the optimal solution for this project.  

Systems engineering part briefly summarizes MASTERSAT's subsystem architecture and properties, provides initial power, link, mass and volume technical budgets, introduction and initial plans for reliability analysis and risk management process for CubeSat project. 

In the launch part, initial trajectory design issues are given for a two years lifetime, current and incoming possible alternatives for launch vehicle are reviewed. Mission trajectory is proposed as two parts. The first part is going to be around Earth-Moon L4 or L5 points for 6 months and the second part is to the deep space for 18 months. 

In the project budget projection table, regarding the mission proposal, project budget outline is summarized except labor cost. Cost budget includes satellite hardware, testing services, launch services, application/license fees and some other fees. As a result of cost budget shows that total cost for hardware as a protoflight model of 6U CubeSat is around $ 430 k and other engineering services like testing, launch and ground station, etc. are around $ 2 M and final cost is going to be around $ 2.5 M. 

The final part summarizes the works have done in this study and mentions about future works.

This study is prepared for designing a mission which is going to contribute to manned deep space missions and space exploration. In this study, it is aimed to perform experiments in deep space and to contribute to understanding the unknown effects of deep space environment on living organisms.  MASTERSAT provides a mini space laboratory simulation in deep space using a miniature ecosystem consisting of living organisms as payload. Thus, a biological deep space mission is designed to perform using CubeSats with low cost rather than other missions using expensive, complex satellites and payloads. Consequently, scientific payload concept is designed to assist possible future space colonies on orbit around planets and surfaces on celestial bodies. On the other hand, this study is planned to contribute Turkish space research in manner of resources, literature and motivation. Accordingly, initial design parameters are given and mentioned about future works and plans to finalize the study.