Beeaglesat Küp Uydusu Görev Analizleri

Abstract

İlk insan yapımı uydu olan Sputnik uydusunun fırlatılması uzay araştırmaları alanında bir kilometre taşı olmuştur. 1950’li yılların sonlarında ulaşılan bu teknolojik üstünlük ile birlikte ileri bilim ve teknoloji konularında muazzam çalışmalar elde edilmiştir. Sputnik fırlatıldıktan sonra çok sayıda insanlı ve insansız uzay aracı Dünya’dan fırlatılmış ve fırlatılmaya da devam edilmektir. Bu fırlatmalar insanlığa teknoloji, bilim ve eğitim alanında tahmin edilebileceğinden fazla şey katmıştır. Günümüzde uzay teknolojisi ile bir kuyruklu yıldıza iniş yapılabilmekte, gezegenler arası yörüngeler kullanılarak Mars’a insansız iniş gerçekleştirilebilmekte, insanlı inişler için yeni uzay araçları denenmektedir. Uzay görevleri önceleri büyük ve pahalı uydular ile yapılırken günümüzde bu boyut küçültülmüş ve boyutun küçültülmesi ile bu uydulara harcanan miktarlar da azalmıştır. Bu yeni küçük uydular kütlelerine göre çeşitli isimler almaktadır. Nano boyutta uydular da bunlara bir örnektir. Dünya’da bu olgu 2000’li yıllarda oluşmaya başlamış ve ilk denemeler de aynı senelerde gerçekleşmiştir. Günümüzde genellikle Uluslararası Uzay İstasyonu’ndan yörüngeye bırakılan küçük uydular olduğu gibi birden fazla küçük uydu bir fırlatma aracı ile istenilen yörüngeye bırakılabilmektedir. Küp uydular nano uydu ailesinin bir üyesi olarak ortaya çıkmış ve bu aile içerisinde oldukça popüler olan bir uydu türüdür. Genel mantığı ile eğitimsel, teknolojik gösterim ve teknoloji hazırlık seviyesini artırma amaçlı alt sistemlerin ve yüksek teknoloji ürünü görev yüklerinin denendiği küp uydular düşük maliyetlilerdir. Ülkemiz küp uydu yapımı ve fırlatılması durumuna entegre olmuş ve İstanbul Teknik Üniversitesi ile birlikte 2014 yılı itibarı ile tasarlamış ve fırlatılmış 2 küp uydusu ile küp uydu teknolojisine ülkemizde öncülük etmektedir. Avrupa 7.Çerçeve programı kapsamında QB50 isimli uluslararası küp uydu ağı projesine İstanbul Teknik Üniversitesi, Hava Harp Okulu ile birlikte geliştirmekte oldukları BeEagleSat küp uydusu ile katılacaklardır. Toplamda 40’a yakın iki birimlik ve 10 adet üç birimlik küp uydular ile projenin gerçekleştirilmesi planlanmaktadır. Projenin amacı alçak yörüngede atmosferik ölçümlerin yerinde yapılması ve yapılan ölçümlerin tüm dünya genelindeki yer istasyonları tarafından toplanmasıdır. Genel olarak QB50 projesi 50 küp uydunun aynı anda ve birlikte 380 km’lik, dairesel, 98 derece eğikliğe sahip bir yörüngeye bırakılarak eş zamanlı termosferin alt tabakalarında ölçümlerin yapılmasını amaçlamaktadır. BeEagleSat küp uydusu içerisinde Langmuir cihazı ve Sabancı Üniversitesi ve ˙İstanbul Teknik Üniversitesi iş birliğinde geliştirilen X-Ray algılayıcı görev yükleri ile projede yer alacaktır. Küp uydu içerisinde bu görev yükleri ile birlikte ülkenin uydu projeleri ve alt sistem tasarım kabiliyetinin geliştirilmesi açısından kabiliyet ve tecrübe kazanması amaçlanarak bazı alt sistem parçaları ülke içerisinde tasarlanıp geliştirilecektir. Uydunun bazı alt sistemleri ise daha önce uzayda denenmiş, uydunun güvenilirliğini artıracak olan ticari ürünler ile tamamlanacaktır. Uydu, yönelim belirleme ve kontrol sistemi, uçuş bilgisayarı, haberleşme alt sistemi, elektrik güç, yapı ve ısıl kontrol alt sistemlerini barındırmaktadır. Uydunun fırlatılması olayı ele alınırken birçok belirsizlik de beraberinde gelmektedir. Bu belirsizliklerin nedenleri birbirine bağlı birçok parametre ile anlaşılabilir, fakat modellenmesi ve ön kestirim yapılması hesaplama yükü bakımından ağırdır. Yapılan varsayımlar ile belirsizliklerin bazıları kısmen azaltılarak ya da yok edilerek çeşitli analizler gerçekleştirilebilir ve uyduların yörüngedeki durumları gözlemlenebilir. Yapılan analizler ile önerilen belirsizliklere bağlı olarak sonuçlar çeşitlilik gösterebilmektedir. Temel amaç mertebe türünden uygun ve güvenilir sonuçların elde edilmesidir. Bu görevleri yerine getirebilmek için BeEagleSat uydusunun özellikleri verilmiş ve QB50 projesi dâhilinde önerilen başlangıç koşulları ile birlikte yörünge elemanları açıklanmıştır. Literatür çalışmaları ve önerilen başlangıç koşulları ile yapılan tahminler ile edilen parametreler sayesinde BeEagleSat uydusu için önemli ve kritik görülen yörünge analizleri yapılarak uydunun yörüngesel kısıtları belirlenmiştir. Bu analizler uydunun ömrü, gerçekleştirebileceği haberleşme süreleri, kütle ve alanının yörünge ömrüne etkileri, ne kadar süre Güneş göreceği ve buna benzer durumlar için yapılmıştır. Bu analizlerin sonuçlarını doğrudan etkileyen faktörler ise irtifa etkileri, fırlatma zamanı etkileri, fırlatma yönleri ve uydunun kontrol edilebilmesidir. İrtifa etkileri ve fırlatma zamanı etkileri küp uyduların ömürlerini incelemek için yapılmıştır. Balistik katsayı, atmosferik sürüklenme ve yerçekimsel etkiler ışığında ele alınarak incelenmiş ve analizleri gerçekleştirilmiştir. Küp uyduların tanımı, etkileri ve günümüzdeki yeri ile birlikte QB50 projesinin ve BeEagleSat uydusunun görev tanımı bu çalışmanın giriş kısmını oluşturmaktadır. Ardından BeEagleSat uydusunun mimarisi tanımlanmıştır. Bu mimari içerisinde görev yükler olan Langmuir cihazı ve X-Ray algılayıcısı anlatılmıştır. Alt sistemler ise uydu yapısı, yönelim belirleme ve kontrol sistemi, elektrik güç sistemi, uçuş bilgisayarı ve veri kotarma alt sistemleri ile açıklanmıştır. Uydular Cyclone-4 fırlatma aracı yörüngeye yerleştirilecektir. Fırlatma aracı içerisinde bulunan fırlatma mekanizması ile roketin üçüncü kademesinden ayrılması ile birlikte başlayan görev fazları ise fırlatma ve ön yörünge analizleri adı altında açıklanmıştır. Uydunun fırlatma mekanizmasından çıkması ile oluşacak açısal hız bozuntuları ile birlikte uydu, önceden ön görülemeyen bir şekilde kendi etrafında dönmeye ve takla atmaya başlayacaktır. Bu fazı açıklayan takladan kurtulma durumu, 1960’lı yıllarda ortaya koyduğu öngörülebilen takla modeli ile bilinen Thompson’ın kendi adını taşıyan Y-Thompson ara fazının detaylı açıklanması ile görev fazlarına devam edilmiştir. Uydunun öngörülen takla modunun ardından geçerli ön şartları sağlaması ve yörünge hız vektörüne paralel bir ¸şekilde devam etmesini öngören Y-momentum fazı akabinde detaylandırılmaya çalışılmış ve en son olarak uydunun operasyonel fazında neler yapması gerektiğine değinilmiştir. Bir sonraki yörünge dinamiği-mekaniği bölümünde okuyucuya yapılan analizlerin daha iyi anlaşılabilmesi için yörünge elemanları bilgisi ve görselleri, yörünge bozuntuları ve hesaplamalarının yanı sıra bu bozuntuların bazıları hesaplamalı olarak verilmiştir. Ön bilgilerin devamında ise yapılan modelleme ve analiz sonuçlarından bahsedilmiştir. Uydunun yörünge ömrü boyunca ne kadar gün ışığından yararlanabileceği, yörünge ömrü tahmin hesaplamaları ve uydunun ˙İstanbul Teknik Üniversitesi yer istasyonu ile ne kadar süre haberleşebileceği tartışılmış ve detaylıca açıklanmıştır. Göreceli olarak daha karmaşık ve diğer analizlere göre hesap yükü ve süresi daha fazla olacak ¸şekilde BeEagleSat uydusunun fırlatma anından, atmosfere giriş yaparak yanma aşamasına kadar kullanılan programın izin verdiği sınırlar dâhilinde olabildiğince gerçeğe yakın hesaplamalar içeren bir görev analizi de gerçekleştirilmiş ve sonuçları sunulmuştur. Son olarak ise elde edilen sonuçlar ve öneriler sunulmuştur. Bu tezde sözü geçen analizler 2012 yılına kadar ismi Satellite Tool Kit olan ancak onuncu versiyonunda Systems Tool Kit olarak değiştirilen STK programı ve MATLAB programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. STK programı içerisinde çeşitli yörünge denklemleri çözücüleri bulunmakta ayrıca yörünge ömür tayini yapabilmektedir. Bunlara ek olarak bu program sayesinde uyduların birbirleri ile çarpışma riskleri de incelenebilmektedir. Daha birçok özelliği olan bu programın, bir takım araçları sayesinde yapılan bu senaryolar ve bazı çizimler öğrencilere sunduğu eğitim lisansı ile gerçekleştirilmiştir. Bu senaryolar yörünge dinamiği senaryoları adı baslığında tanıtılan çözücüler ve ara programlar ile gerçekleştirilmiştir. Genel olarak hata payı en aza indirgenmiş modüller kullanılmıştır. Bunun yanı sıra kullanılan modüllerde bulunan bilgi dosyaları en güncel formatta kullanılmıştır. Tüm senaryolar için yönler ve 3 boyutlu görüntüler mümkün olduğu kadar verilmiş ve bu sonuçlara bağlı olarak detaylı tablolar, grafikler ve sonuçlar her senaryonun sonunda verilmiştir. Bununla beraber, STK isimli program kullanılarak küp uydular, başlangıç şartları ile oluşturulan çeşitli senaryolar içerisinde analizler gerçekleştirilmiştir. Fırlatma zamanı etkileri de aynı ¸şekilde küp uyduların ömürlerine fırlatma zamanlarının nasıl etkiyeceğini araştırmak için yapılmıştır. Küp uydu ömür tayini için STK isimli programın Lifetime adlı alt programı kullanılmıştır.

Nowadays, humankind have the technology of landing to a comet and develop the capabilities needed to organize a manned mission to Mars. Space missions in the past were focused on traditional larger high-cost satellites, but are now transitioning to smaller satellites. These satellites include nano-satellites that are becoming one of the most exciting, diverse and fast paced satellites of today. CubeSat is one of a type of nano satellites. 1U Cubesat is traditionally 10x10x10 cm cubic satellite that weighs no more than 1.33 kg. They are currently used in many countries especially in educational institutions. The ability to access space is a vital strategic capability for all countries but there is not an easy way to do it with large-scale satellites. The high cost of reaching orbit is the major factor preventing the exploration and utilization of space. CubeSat technology is an affordable way to access to space. The QB50 project is an initiative of the von Karman Institute to operate a network of 50 CubeSats to conduct in-situ, multi-point and long duration measurements in the lower thermosphere between 90 and 380 km. In this study, one of the participant of QB50 project, double unit CubeSat of Istanbul Technical University and Turkish Air Force Academy, namely BeEagleSat was investigated, focusing on orbital mission analysis. Starting with the known values and restrictions of the project, simulations have been carried out in order to obtain the orbital analysis of the satellite. Additionally, perturbations in the orbit, comparisons with other models and simulations with different parameters were studied. There are also some uncertainties for orbit perturbations such as atmospheric drag, Earth gravity and solar radiation pressure were briefly clarified. Before launch the first thing to do would be the orbital analyses of the satellite. In this way, the STK (Systems Tool Kit) software is used to perform these analyses. Deployment altitude, velocity and direction effects were explored with taking ballistic coefficient, atmospheric drag, and gravity effects into account. By using STK Lifetime Tool, lifetime for the CubeSat was calculated. Solar activity effects are also considered and explained briefly. Definition of CubeSat, QB50 project and mission characteristics of BeEagleSat is the introduction part of this work. Afterwards, the architecture of BeEagleSat with the payloads and individual subsystems are briefly explained. Then, mission phases of the CubeSat which are mostly related to the ADCS subsystem are shown. In order to give an information of surveyed analyses, orbital elements and orbital perturbations are shown with necessary calculations. Finally, simulations are done by predicting lifetime, calculating sunlight and coverage ability of BeEagleSat. This thesis proposes knowledge of the orbital limits and forecasted results of BeEagleSat.