Güneş yelkeni teknolojisinin teorik olarak incelenmesi
Theoretical investigation of solar sail technology
Yazar: KENAN ANIL KILIÇ
Danışman: PROF. DR. SÜLEYMAN ÖZÇELİK
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fotonik Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Astronomi ve Uzay Bilimleri = Astronomy and Space Sciences ; Havacılık ve Uzay Mühendisliği = Aeronautical Engineering

Özet:
Bu tez çalışması kapsamında, uzay araçlarına yakıtsız hareket edebilme yeteneği sağlayan Güneş yelkeni teknolojisi teorik olarak incelendi. Güneş yelkenleri, itiş gücünün yelkenin yüzeyinden yansıyan fotonların momentumlarındaki değişim ile sağlandığı ve itiş gücü için herhangi bir yakıtın kullanılmadığı sistemlerdir. Bu sistemler hafif ve yüksek oranda yansıtıcılığa sahip, açılabilir yelken yüzeylerini kullanarak fotonların momentumunu itici bir kuvvete dönüştürür. Güneş yelkenlerinin ortaya çıkışı Alman astronom ve matematikçi Johannes Kepler'in gelecek vizyonlarından birisi ile bağdaştırılabilir. Güneş yelkenine itiş gücü sağlayan fiziksel nicelik ışınım basıncı kuvvetidir. Güneş ışınlarının paralel olduğu varsayımına dayanarak Güneş ışınımı basıncı modelleri oluşturmak için birçok çalışma yapılmıştır. Bu modeller, ideal Güneş ışınımı basıncı kuvvet modeli (I-SRP) ve optik Güneş ışınımı basıncı kuvvet modeli (O-SRP) olarak ikiye ayrılabilir. Güneş yelkeni üzerindeki en büyük kuvveti Güneş ışınımı basıncı oluştursa da Güneş rüzgârı gibi başka ikincil kuvvetler de bulunmaktadır. Güneş yelkeni türleri genellikle yansıtıcı ve kırınımlı Güneş yelkeni olmak üzere ikiye ayrılır. Bu tez çalışmasında IKAROS, NanoSail-D2 ve LightSail 2 Güneş yelkeni projelerine de yer verildi. Geleneksel uzay araçları için zor olan bir dizi yörünge görevi Güneş yelkenleri kullanılarak gerçekleştirilebilir. Güneş yelkeninin tasarım parametreleriyle birlikte üzerinde çalışılması gereken birçok ikincil tasarım konusu bulunmaktadır. İlk önce yelkenin alt tabakası için uygun bir malzeme seçilmelidir. Bir Güneş yelkeninin yönü, doğrudan itme vektörünü belirler. Bu nedenle yelkenli aracı yönlendirmek için konum kontrolü gereklidir. Bu çalışmalar ve ilerlemeler ile birlikte; malzeme, üretim, test gibi teknik zorluklar henüz tam olarak giderilememiştir. Tüm bu bilgiler ışığında, Güneş yelkeni teknolojisinin uzay çalışmalarının geleceğinde önemli bir yerde olacağı ve bununla birlikte teknik zorlukların aşılması için daha fazla sayıda çalışma yapılması gerektiği sonucuna varıldı.

Abstract:
In this thesis, the solar sail technology, which provides spacecraft with the ability to move without fuel, has been theoretically examined. Solar sails are systems where the thrust is provided by the change in momentum of photons reflected from the surface of the sail, and no fuel is used for thrust. These systems convert the momentum of photons into propulsive force using deployable sail surfaces that are lightweight and highly reflective. The emergence of solar sails can be associated with one of the future visions of the German astronomer and mathematician Johannes Kepler. The physical quantity that provides thrust for the solar sail is radiation pressure force. Many studies have been conducted to create solar radiation pressure models based on the assumption that solar rays are parallel. These models can be divided into two categories: the ideal solar radiation pressure force model (I-SRP) and the optical solar radiation pressure force model (O-SRP). Although the largest force on a solar sail is created by solar radiation pressure, there are other secondary forces such as solar wind. Types of solar sails are generally divided into reflective and diffractive solar sails. This thesis also includes the IKAROS, NanoSail-D2, and LightSail 2 solar sail projects. A series of orbital missions, which are difficult for traditional spacecraft, can be accomplished using solar sails. There are many secondary design issues that need to be addressed along with the design parameters of the solar sail. First, a suitable material must be selected for the substrate of the sail. The direction of a solar sail directly determines the thrust vector. Therefore, attitude control is required to maneuver the sailcraft. Despite these studies and advancements, technical challenges such as material, manufacturing, and testing have not yet been fully resolved. In light of all this information, it is concluded that solar sail technology will have an important place in the future of space exploration, and more studies need to be conducted to overcome the technical challenges.