Hyperloop altyapı kapsülü geliştirilmesi
Hyperloop infrastructure capsule development
Yazar: YEKTA YEŞİLYURT
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ HİKMET ARSLAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Otomotiv Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Ulaşım, insanlık tarihi boyunca toplumların gelişiminde ve kültürler arası etkileşimde önemli bir rol oynamıştır. Ulaşımın gelişmesi toplumların yaşam tarzlarını, sosyal ilişkilerini ve ekonomik yapılarını derinden etkilemiştir. Günümüzde, teknolojik gelişmeler sayesinde küresel bir ulaşım ağı mevcuttur. Karayolu ulaşımı, havayolu ulaşımı, denizyolu ulaşımı ve demiryolu ulaşımı yolcu ve yük taşımacılığında yaygın olarak kullanılmaktadır.  
Demiryolu ulaşımı, şehir içi ulaşımdan kıtalar arası ulaşıma kadar çok geniş ölçekte kullanılabilmektedir. Seyahat hızlarının arttırılması amacıyla yapılan teknolojik çalışmalar maglev teknolojisinin ortaya çıkmasını sağlamıştır. Maglev teknolojisinde mıknatısların çekme ve itme ilkelerine dayanan manyetik kaldırma ve itme kuvvetleri kullanılmaktadır. Hyperloop ulaşım sistemi ise maglev teknolojisinin bir türevi olarak değerlendirilebilir. Manyetik kaldırma ve itki kuvvetleri hyperloop teknolojisinde de kullanılmakla beraber hava direncinin azaltılması için bir vakum ortamı oluşturulması düşünülmüştür.
Hyperloop ulaşım sisteminde, vakumlu tünel ortamı sayesinde kapsüle etki eden hava direnci ciddi oranda azalır. Ayrıca manyetik askılama ve manyetik itki sayesinde seyahat sırasında tekerlere ihtiyaç duyulmayacağından yuvarlanma direnci de oluşmayacaktır. Sistem teorik olarak 1220 km/sa hızlara ulaşabilir. Ayrıca kapsüllerin ekonomik sebeplerle yolcu taşıma kapasiteleri sınırlı tutulsa dahi sık sefer aralıklarıyla seyahat kapasitesi arttırılabilir.
Hyperloop ulaşım sisteminde, çözüme ihtiyaç duyulan mühendislik problemleri de bulunmaktadır. Mühendislik ve temel bilimler konularında yaşanacak ilerlemeler sayesinde sistemin seyahat hızları, seyahat süresi, maliyet, kapasite, enerji tüketimi ve güvenlik gibi başlıklar altında çeşitli avantajlar sunabileceği değerlendirilmektedir. Teknik alanda yapılacak çalışmalar sistemin verimliliğine, güvenliğine, ekonomik açıdan uygulanabilir hale getirilmesine ve verimli bir şekilde işletilmesine katkı sağlayacaktır.
Hyperloop ulaşım sisteminin gelecekte ulaşım ağının bir parçası olması durumunda, bu sistem için de özel altyapı araçlarına ihtiyaç duyulacaktır. Günümüzde demiryolu altyapısının denetimi için kullanılan ölçüm trenleri ve cihazlar, Hyperloop sistemine uyarlanarak benzer amaçlarla kullanılabilir. Ayrıca, arızalanan araçların sahadan çekilmesi ve bakım onarım atölyelerine götürülmesi için gerekli olan kurtarma ve manevra araçları da Hyperloop sistemine özgü şekilde tasarlanmalıdır. Tezin amacı, 2022 yılında TÜBİTAK Gebze Yerleşkesinde kurulan hyperloop altyapısının ihtiyaçlarını karşılamak üzere bir altyapı kapsülü geliştirilmesini kapsamaktadır. Hyperloop altyapı kapsülü; manyetik askılama plakaları ve yatay denge rayının konum ve ölçü kontrollerinin gerçekleştirilmesi, hyperloop tüneli içerisinde arızalanan kapsüllerin tünelden çıkarılması ve tünel içerisinde yer alan ekipman alanının bakım faaliyetleri sırasında personele destek verilmesi amacıyla geliştirilmiştir.
Hyperloop altyapısına uygun olarak 3 boyutlu bir tasarım programı kullanılarak tasarlanan hyperloop altyapı kapsülünün uzunluğu 1750 mm, genişliği 680 mm ve yüksekliği ise 635 mm'dir. Hyperloop tüneli içerisindeki ölçüsel kısıtlamalar dikkate alınarak tasarlanan kapsülün toplam ağırlığı ise 130 kg olarak ölçülmüştür. Kapsülün tahrik sistemi, elektrikli motor montajı yapılmış olan 4 adet tahrik tekerleğinden oluşmaktadır. Kapsül 10 km/sa hızda etkin şekilde çalışabilmektedir ve çalışma süresi koşullara bağlı olarak değişmekle birlikte ortalama olarak 2 saatin üzerindedir. Kapsülün altyapı üzerinde doğrusal hareketin bozulmaması amacıyla rayın iki tarafında yer alacak şekilde konumlandırılmış 4 adet referanslama tekeri mevcuttur. Fren sistemi için ise ön ve arka kısımda ikişer adet olmak üzere toplamda 4 adet piston kullanılmıştır ve frenleme kuvveti 800 N olarak ölçülmüştür.
Kapsülün şasi bölümü, ağır seri alüminyum profillerin çeşitli bağlantı parçaları ile montajlanması ile oluşturulmuştur ve kapsülün ihtiyaç halinde kolay bir şekilde taşınabilmesi için şasinin dış kısımlarına toplamda 8 adet taşıma kulpu yerleştirilmiştir. Şasi kısmının alt ve üst yüzeyleri paslanmaz sac ile kapatılmıştır. Ortada kalan bölüm ise elektronik ekipmanların yerleşimi için ayrılmıştır. Şasi bölümünün üst yüzeyine bakım personelinin tünel içerisindeki ekipman alanında yer alan elektronik ekipmanların bakımını yapabilmesi amacıyla plakalar ve ayaklıklar yerleştirilmiştir. Boru çapının ergonomik çalışmaya izin vermediği düşünüldüğünde altyapı kapsülünün personele daha ergonomik bir çalışma ortamı sunması ve bakım faaliyetlerini kolaylaştırıcı etkisi önemli bir özelliktir.
Kurtarma sistemi bölümü, kurtarılacak kapsüle yakın olabilmesi amacıyla altyapı kapsülünün ön bölümünde konumlandırılmıştır. Kurtarma sistemi içerisinde yer alan lineer aktuatör mekanizması sayesinde kurtarma kapsülü, arızalanan ve tünel içerisinden çıkarılması gereken hyperloop kapsülüne kilitlenerek çekiş görevini yerine getirmektedir. Kilit mekanizmasının statik yapısal analizleri Ansys Static Structural programı kullanılarak yapılmıştır. Paslanmaz çelikten yapılmış mil bölümünün tasarımı değiştirilerek kurtarma sisteminde meydana gelen yer değiştirmeler ve gerilmeler incelenmiştir. Diğer parçaların tasarımında, ağ yapısında ve sistemin sınır koşullarında herhangi bir değişiklik yapılmamıştır. Yapılan analizlerin değerlendirilmesi sonucunda bükümlü mil çapının 10 mm olarak tasarlanmasına karar verilmiştir.
2023 yılında gerçekleştirilen TEKNOFEST Hyperloop Geliştirme Yarışması'nda altyapı kapsülü kullanılmıştır. Tünel içerisinde bozulan yarışmacı kapsüllerinin altyapı kapsülü kullanılarak başlangıç noktasına çekilmesi sağlanmıştır.
Hyperloop altyapı kapsülünün arka kısmında konumlandırılmış ölçüm sisteminin amacı ise, TÜBİTAK Gebze yerleşkesinde bulunan hyperloop altyapısının manyetik askılama plakaları ve yatay denge rayı ölçümlerinin yapılabilmesini sağlamaktır. Ölçüm sistemi bölümü; talaşlı imalat yöntemleri kullanılarak üretilmiş parçalar, ağır seri alüminyum profiller, bağlantı ekipmanları, yaylar, eğim sensörü, odometre sensörü, INS cihazı ve lazer profil sensöründen oluşmaktadır. Odometre mekanizması ve INS cihazı sayesinde kapsülün ölçüm aldığı konum bilgisinin hassas olarak belirlenmesi sağlanmaktadır. Lazer profil sensörü sayesinde ise manyetik askılama plakaları ve rayın kesit kontrolü yapılabilmekte ve geçiş bölgelerindeki kot farkı değerlendirilebilmektedir.
Yapılan kesit kontrollerinde yarışma şartnamesinde bulunan tünel kesitinin teknik resmine göre herhangi bir uygunsuzluk tespit edilmemiştir. Geçiş bölgelerinin uygunluğunun kontrolünde ise ani bir değişimi ifade ettiğinden tünel kesitinin teknik resminden daha sıkı bir ölçüsel sınır belirlenmiştir. 0.3 mm kot farkı değerinin üzerinde yer alan geçiş bölgelerinde düzeltme işlemi uygulanmıştır.
Hyperloop tünelinin gelecek yıllarda vakumlanması ihtimali düşünüldüğünde altyapı kapsülünün en kritik bölümünün elektronik ekipmanların yer aldığı bölüm olacağı değerlendirilmektedir. Bu bölümde yer alan batarya hücrelerinin ve elektronik kartların vakum ortamından etkilenme olasılığı bulunmaktadır. Bu bölümün tasarımı, sızdırmazlığı sağlayacak şekilde tekrardan değerlendirilip bilgisayar destekli basınç ve sızdırmazlık analizleri yapılabilir. Böylece altyapı kapsülü vakum ortamında çalışma açısından daha az riskli hale getirilebilir. Yazılım ve sinyal işleme disiplinlerinde yapılacak çalışmalar ile altyapının 3 boyutlu dataları elde edilip bu datalar program aracılığıyla işlenerek bir raporlama yazılımı oluşturulabilir. Ayrıca ölçüm sistemine yeni lazer sensörler ve kameralar eklenerek borunun iç yüzeyinin ölçümlerinin yapılması da sağlanabilir. Bu şekilde boruda herhangi bir ovalite bozukluğu olup olmadığı tespit edilebilir ve boru yüzeyinde oluşabilecek çukur ve tümsek gibi yapılar da belirlenebilir. Kapsüle sensörler yerleştirilerek tünelin sıcaklık, nem ve basınç gibi değerlerinin ölçülmesi de sağlanabilir.

Abstract:
Transportation has played a crucial role in the development of societies and in intercultural interactions throughout human history. The advancement of transportation has deeply influenced the lifestyles, social relationships, and economic structures of societies. For example, trade routes like the Silk Road and the Spice Route during the Middle Ages contributed significantly to establishing a comprehensive transportation network between the continents of Asia and Europe, impacting all societies in the region politically, economically, culturally, and religiously. Today, there exists a global transportation network continuously supported by technological advancements. Regional, national, and intercontinental transportation is largely facilitated by road transport, railway transport, maritime transport, and air transport.
Railway transportation can be used on a very wide scale, from urban to intercontinental transportation. Traditional rail transportation is based on old technologies and provides low speeds (90-120 km/h), while traditional high-speed rail transportation provides medium speeds (250-350 km/h). Considering the importance of speed in transportation, technological developments have led to the emergence of maglev technology. Maglev technology utilizes magnetic levitation and repulsion forces based on the attraction and repulsion principles of magnets. Thanks to the magnetic levitation force, the need for wheels and consequently rolling resistance is eliminated. This makes it possible to reach higher speeds.  Maglev trains are already in use in countries such as Japan, the People's Republic of China and South Korea. The Hyperloop transportation system can be considered as a derivative of maglev technology. Although magnetic levitation and propulsion forces are also used in hyperloop technology, a vacuum environment has been created to reduce air resistance. In this way, air resistance will be reduced without the need to rise thousands of meters high as in airplanes.
Thanks to the magnetic suspension in the Hyperloop transportation system, there is no rolling resistance acting on the capsule. In addition, thanks to the vacuum environment, the air resistance acting on the capsule is significantly reduced. The system can theoretically reach speeds of 1220 km/h. The passenger carrying capacity of Hyperloop capsules will be limited for economic reasons, but it is thought that the travel capacity can be balanced with more frequent trips. It is assessed that the passenger capacity of the Hyperloop transportation system can reach levels that can compete with its competitors.
The Hyperloop transportation system involves engineering problems that need solutions. Today, there is no commercially available hyperloop line. When technological problems are solved within the framework of engineering, it is evaluated that the system can offer various advantages in terms of travel speeds, travel time, cost, capacity, energy consumption, distance and safety. The technical challenges include route planning in terms of infrastructure, selection of construction materials to be used, communication system, vacuum issue and the difficulties related to the transition zones that will arise accordingly. For the capsule, the technical challenges related to the technologies planned to be used focus on the propulsion and braking system, suspension system, energy system, mechanical design and analysis studies, heat transfer and sealing evaluations. Technical studies will contribute to the efficiency, safety, economic viability and efficient operation of the system. Many companies, institutions and associations around the world are already working on the Hyperloop transportation system. With the increase in the level of technology readiness, the hyperloop transportation system can be made a part of the transportation network in the future.
If the Hyperloop transportation system becomes part of the transportation network in the future, infrastructure tools will be needed to be used in the system. Today, measurement trains and devices are used to inspect railway infrastructure. In addition, rescue and maneuvering vehicles are available to tow the broken down vehicles from the field and take them to maintenance and repair workshops. The aim of this thesis is to develop an infrastructure capsule to meet the needs of the hyperloop infrastructure consisting of hyperloop tunnel, capsule vacuum test area and technical control area established in TÜBİTAK Gebze Campus in 2022. The hyperloop infrastructure capsule was developed to perform the position and measurement controls of the magnetic suspension plates and horizontal balance rail, to remove the capsules that fail in the hyperloop tunnel, and to support the personnel during the maintenance activities of the equipment area in the tunnel.
The hyperloop infrastructure capsule, which was designed using SolidWorks, a computer-aided 3D design program, is 1750 mm long, 680 mm wide and 635 mm high. The total weight of the capsule was measured as 130 kg. Hyperloop infrastructure capsule consists of propulsion system, braking system, chassis section, electronic equipment section, recovery system and measurement system sections.
The propulsion system of the capsule consists of 4 drive wheels to which an electric motor is mounted. The capsule can operate effectively at a speed of 10 km/h and the operating time varies depending on the conditions, but on average it is over 2 hours. There are a total of 4 referencing wheels positioned at the front and rear of the capsule on both sides of the rail to ensure that the linear movement of the capsule on the infrastructure is not disturbed. For the braking system, mechanical braking was preferred and a total of 4 pistons were used, two at the front and two at the rear. In the mechanical braking system, the brakes were placed symmetrically in order not to damage the rail and a unidirectional braking system layout was not made. In the tests, the braking force was measured approximately 800 N.
The chassis section of the capsule is formed by assembling heavy series aluminum profiles with various fittings. A total of 8 carrying handles are placed on the outer parts of the chassis for easy transportation of the capsule in case of need. The upper and lower surfaces of the chassis are covered with stainless steel sheet. The middle section is reserved for the placement of electronic equipment such as IMU card, processor card, communication card, motor driver cards, brake cards and batteries. Plates and stands were placed on the upper surface of the chassis section to allow maintenance personnel to maintain the electronic equipment in the equipment area inside the tunnel. Considering that the tunnel length is 208 meters and the pipe diameter does not allow ergonomic working, the infrastructure capsule provides a more ergonomic working environment for the personnel and facilitates maintenance activities.
The rescue system section is positioned in the front section of the Hyperloop infrastructure capsule in order to be close to the capsule to be rescued. The rescue system section consists of various aluminum parts produced using machining methods, a shaft made of stainless steel and bent approximately 90 degrees, an INSTA 360 model camera, a housing produced in a 3D printer using PLA material and a linear actuator. Thanks to the linear actuator mechanism in the rescue system, the rescue capsule performs the traction task by locking to the Hyperloop capsule that needs to be rescued. Static structural analysis of the locking mechanism was performed using Ansys Static Structural program. The design was simplified in order to complete the analysis in a short time using finite element software. The step data created as a result of simplification consists of 19 pieces in total. During the meshing process, local mesh settings were utilized and appropriate mesh types and dimensions were used according to the condition of the parts. The design of the twisted shaft section was changed and the displacements and stresses occurring in the recovery system were analyzed. No changes were made in the design of other parts and boundary conditions of the system. When the twisted shaft diameter is designed as 4 mm and 6 mm, the safety coefficient of the system is below 1 value due to the increase in equivalent stresses and exceeding the yield strength limit. When the twisted shaft diameter is designed as 8 mm and 10 mm, the safety coefficient of the system is above 1. As a result of the evaluation of the analyzes, it was decided to design the twisted shaft diameter as 10 mm.
In the 2023 TEKNOFEST Hyperloop Development Competition, the infrastructure capsule was used. The competitor capsules that broke down in the tunnel were towed to the starting point using the infrastructure capsule.
The purpose of the measurement system is to enable the measurements of the magnetic suspension plates and horizontal balance rail of the hyperloop infrastructure located in TÜBİTAK Gebze campus. Thanks to the measurement system, the positions of the rails and plates relative to each other can be controlled axially. In addition, since rails and plates were not used throughout the 208-meter-long tunnel, the transitions between rails and plates were also checked. The measurement system section is located at the rear of the Hyperloop infrastructure capsule and consists of aluminum and delrin parts manufactured using machining methods, heavy series aluminum profiles, connection equipment, springs, tilt sensor, odometer sensor, INS device and laser profile sensor. The odometer sensor and the INS device enable precise determination of the position of the capsule. The laser profile measurement sensor works on the principle of laser triangulation, a non-contact measurement method. It was preferred because it enables measurement at high speeds and long distances without damaging the infrastructure. With the laser profile measurement sensor, the cross-sectional control of the magnetic suspension plates and the rail can be performed and the elevation difference in the transition zones can be evaluated.
No nonconformity was detected in the section controls according to the technical drawing of the tunnel section in the competition specifications. In the control of the conformity of the transition zones, a more stringent dimensional limit was determined than the technical drawing of the tunnel section since it expresses an abrupt change. Above 0.3 mm elevation difference value, the transition zones were corrected.
Considering the possibility that the Hyperloop tunnel will be vacuumized in the coming years, it is considered that the most critical part of the infrastructure capsule will be the section where the electronic equipment is located. The battery cells and electronic cards in this section are likely to be affected by the vacuum environment. The design of this section can be re-evaluated to ensure tightness and computer-aided pressure and tightness analysis can be performed. Thanks to the new design, the electronic equipment section, which is considered risky to be in a vacuum environment, will be isolated and the infrastructure capsule can be made less risky in terms of working in a vacuum environment.
With the studies to be carried out in software and signal processing disciplines, 3D data of the infrastructure can be obtained and these data can be processed through the program and a reporting software can be created. In addition, new laser sensors and cameras can be added to the measurement system to measure the inner surface of the pipe. In this way, it can be determined whether there are any ovality distortions in the pipe and structures such as pits and bumps that may form on the pipe surface can also be determined. In addition, sensors can be placed in the capsule to measure the temperature, humidity and pressure of the tunnel. This data can be used to support tunnel safety.