LEE- Savunma Teknolojileri-Yüksek Lisans
Bu koleksiyon için kalıcı URI
Gözat
Yayın Türü "Master Thesis" ile LEE- Savunma Teknolojileri-Yüksek Lisans'a göz atma
Sayfa başına sonuç
Sıralama Seçenekleri
-
ÖgeAI-based visual odometry implementation on an embedded system(Graduate School, 2023-06-12) Büyüksolak, Oğuzhan ; Güneş, Ece Olcay ; 514201027 ; Defence TechnologiesNavigation technology has always been a critical sub-field for defence technologies. The roots of navigation technology extend to early as 3000 BC year. The early examples of navigation technology were the observation of stars, bird following, etc. In modern days, Global Navigation Satellite Systems(GNSS) and Inertial Navigation System(INS) are widely used in defence technologies. The GNSS and INS systems are included nearly all the modern military platforms and smart munitions. However, they have also practical limitations. Therefore, a companion or alternative to these systems may provide flexibility in the navigational technology for military platforms. Visual odometry is an emerging technique for navigation technologies. The visual odometry technique is a dead reckoning technique, and it is the process of relative pose change estimation from camera images. Processing camera images for visual odometry is a computationally heavy operation. As the military platforms vary between a large scale of different sizes, their power and computational requirements also vary. Also, for expendable platforms like smart munitions, the cost is another important requirement. Embedded visual odometry(VO) implementation may provide a low-power, low cost and small-size alternative or companion positioning system to GNSS and INS. Hence the embedded systems are memory scarce, in this work, a new low-memory footprint neural network-based visual odometry method that is implementable on embedded systems is introduced and evaluated. In this work, firstly, the existing literature for geometry-based and deep learning-based methods was examined. Due to robustness and energy efficiency advantages, it was decided to realize a deep learning-based method, which can be further classified as supervised and unsupervised methods. The supervised learning methods generally require the involvement of other sensors than images and recurrent neural networks. These requirements come with additional computational and power consumption. As a very low-power and real-time system was targeted for this work, an unsupervised learning approach was selected as a training framework. With the ideas from the lightweight convolutional neural networks literature, a neural network namely TinyVO was designed. As monocular techniques provide more robustness and cost advantage than binocular ones, it was decided to use a monocular visual odometry technique in this work. The TinyVO network was trained with a well-known scale consistent unsupervised learning framework. After the training, TinyVO's performance on the KITTI dataset was evaluated. To deploy the neural network, MAX78002 artificial intelligence microcontroller has been chosen as the embedded platform. As MAX78002 supports 8 bits weights, the TinyVO was quantized to 8 bits using the provided MAX78002 software toolset. Also, the toolset supports the known answer test functionality. The known answer test was realized by using a sample from the KITTI dataset. Then, the energy and time consumption per inference values was measured. The resulting neural network, TinyVO enables a monocular visual odometry solution with a low-memory footprint, low power, and reasonable accuracy. To the best of found knowledge, this is the first study that provides a microcontroller-based visual odometry solution.
-
ÖgeAn artificial neural network approach to predict the results of strain gauge measurements in the tensile testing of unidirectional laminated composites(Graduate School, 2023) Karalar, Anıl Burak ; Balkan, Demet ; 831180 ; Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı / Savunma Teknolojileri Bilim DalıIn the area of material science, obtaining material properties by using test methods is an exhausting and an expensive process. Especially in tensile testing, The specimen preparation is time-consuming, and buying specimens is also costly. In order to obtain reliable outcomes, a significant number of test samples incur damage. Therefore, the cost of testing systems is hardly affordable for many researchers, especially in the composite material development process for defense technologies area. New methods in the material testing area are necessary to avoid the economic burden of testing. The main idea of this thesis is to introduce an Artificial Neural Network (ANN) model for predicting a correlation between the device used for testing, and the strain gauges. Furthermore, the strain data obtained from the strain gauges is employed to derive the stress-strain curves essential for determining the material properties. In this thesis, the ANN model predicts the stress-strain curve. Thus, the different algorithms are modeled, and compared to select best algorithm for predicting a stress-strain curve obtained from different tests. Tensile testing is a crucial method for evaluating the mechanical properties of laminated composites. In this study, Artificial Neural Networks (ANN) were employed to analyze and summarize the tensile test results of laminated composites. The ANN models were trained using a dataset consisting of input variables such as displacement (mm), axial force (N), thickness (mm), length (mm), stress (MPa), and strain calculated from the displacement measured by the extensometer, when the output parameter is strain gauge readings. The objective was to develop a predictive model that could accurately estimate these mechanical properties based on the given input variables. Through an iterative training process, the ANN models were able to learn the complex relationships between the input variables and the tensile test results. Once trained, the models could make predictions for unseen laminated composite samples, providing valuable insights into their mechanical behavior without requiring for extensive physical testing. The accuracy and reliability of the ANN models were assessed through various statistical measures such as relative error, mean absolute error, root mean square error, and coefficient of determination and correlation. The results indicated that the developed ANN models were capable of accurately predicting the tensile properties of laminated composites based on the provided input variables. The use of ANN in this study offers several advantages. It provides a faster and more cost-effective alternative to traditional experimental testing, as the models can quickly analyze large amounts of data and provide predictions in real-time. Additionally, ANN models can capture complex nonlinear relationships between the input variables and the tensile properties, which may be challenging to identify using traditional analytical methods.
-
ÖgeBir insansız hava aracına ait kompozit kanadın tasarımı ve yapısal optimizasyonu(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2024-05-21) Yılmaz, Muhammed Atıf ; İrez, Alaeddin Burak ; 514201069 ; Savunma TeknolojileriHava araçları, kısa mesafelerden uzun mesafelere kadar farklı uçuş gereksinimlerini karşılamak üzere kullanılmaktadır. Bu çeşitlilik, havacılık endüstrisinin sürekli olarak gelişmesine ve hava araçlarının çeşitli alanlarda etkili bir şekilde kullanılmasına olanak tanımaktadır. Teknolojik ilerlemeler, hava araçlarının yakıt verimliliği, güvenlik ve çevresel etkiler gibi alanlarda sürekli olarak geliştirilmesine olanak tanır. Elektronik sistemlerin ve uçuş kontrol teknolojilerinin ilerlemesi, hava araçlarının daha güvenli ve etkili bir şekilde uçmasına yardımcı olur. İnsansız Hava Araçları da (İHA'ları da) bu çeşitlilik içinde önemli bir yer tutmaktadır. İHA'lar, uzaktan kumanda veya önceden belirlenmiş programlar doğrultusunda otonom olarak uçabilen araçlardır. Bu araçlar, askeri operasyonlardan güvenlik gözetimine, tarımsal faaliyetlerden bilimsel araştırmalara kadar geniş bir yelpazede görevleri yerine getirmektedirler. İHA'ların tasarımında öne çıkan faktörlerden biri, hafif ve dayanıklı malzemelerin kullanımıdır. Bu bağlamda, genellikle karbon fiber, cam fiber ve epoksi reçine gibi bileşenlerden oluşan kompozit yapısal hafif malzemeler tercih edilmektedir. Hafif malzemelerin kullanımı, İHA'ların daha az enerji harcayarak uzun uçuş süreleri elde etmelerine yardımcı olur. Bu özellikler, İHA'ların uzun süreli ve maliyetinin düşük olması gereken görevlerde diğer hava araçlarına göre avantajlı olmalarını sağlar. Bu çalışma kapsamında bir insansız hava aracına ait kompozit kanadın uçuşa elverişli olacak şekilde tasarımı yapılmıştır ve bu tasarımın yapısal optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Uçuşa elverişli olabilmesi için öncelikle İHA görev profiline uygun olacak iki boyutlu bir kanat profili seçilmiştir. Bu kanat profilinin ilgili kaldırma kuvvetini karşılayabilecek şekilde 8 metre uzunluk, 1.2 metre kök genişliği olan üç boyutlu kanat tasarlanmıştır. Tasarlanan bu üç boyutlu kanadın Ansys Fluent yazılımı yardımı ile akışkanlar mekaniği analizi yapılmıştır. Bu nümerik çalışma sonucunda oluşan basınç dağılımı kanat kabuğu uzunluk yönünde 10 eşit parçaya bölünerek yüzeylerin belirlenen noktalarda oluşturduğu yük ve momentler elde edilmiştir. Bu yükler yapısal olarak iki kiriş ve iki kabuktan oluşan kanat geometrisine Abaqus yazılımında yayılı yük ve moment olarak tanımlanmıştır. Kanat yapısı kiriş uçlarından 6 serbestlik derecesinde tutularak sınır koşulu analiz modeline tanımlanmıştır. 40 bölgeye bölünmüş kanat geometrisine tek yönlü fiber takviyeli polimer matrisli kompozit malzeme ile serim yapılmış ve analiz Hashin hasar kriterine bağlı olarak çözdürülmüştür. Hasar kriterleri sınır değerinde altında kalmış ve dayanımı sağlamıştır. Kanat yapısı uçuşa el verişli ve dayanımlı olarak tasarlanmış ve yapısal optimizasyon çalışmasına geçilmiştir. Bu aşamada oluşturulan analiz modeli Python programlama dilinde hazırlanmış olan kod yardımı ile Abaqus yazılımı bir alt yazılım halinde çalıştırılarak optimize edilmiştir. Bu optimizasyon çalışmasında kanat yapısal ağırlığı, 45 analiz adımı sonunda %34.7 oranında hafiflemiştir. Yapılmış olan bu analiz çalışmalarında oluşan en kalın kompozit serimi, plaka halinde el ile serim metodu kullanılarak üretilmiştir. Üretilen bu plakadan çekme ve basma numuneleri kesilerek testlere tabii tutulmuştur. Çıkan sonuçlar doğrultusunda çalışmanın deneysel doğrulanması yapılmıştır.
-
ÖgeGüneş enerjisiyle desteklenen İnsansız Hava Aracı tasarım ve üretimi(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-06-28) Baykal, Fatih ; Aslan, Ali Rüstem ; 514191044 ; Savunma Teknolojileriİnsanlar eski dönemlerden beri gökyüzünde uçabilmek için birçok farklı deneme yapmıştır. Bunlardan birçoğu akamete uğramış, ilk başarılı uçuşlar günümüzden yaklaşık 2 asır kadar önce gerçekleşmiştir. O zamandan bugüne geliştirilen teknolojiler ile ses hızını aşan uçaklar üretmek mümkün olmuştur. Üretilen hava araçları kimi zaman sivil amaçlı kimi zaman askeri faaliyetlerde kullanılmaktadır. Güvenlik ve savunma görevleri icra edilirken pilotlar için farklı risklerin var olması, insansız hava araçlarının geliştirilmesine kapı aralamıştır. Önceleri ufak gözetleme görevlerini yerine getirilebilen İHA'lar günümüzde savaş uçaklarının görev yüklerini önemli ölçüde azaltabilecek stratejik araçlar haline gelmiştir. Birçok ülke kendi kaynaklarıyla veya dışardan insansız hava araçları temin edip, güvenlik personellerini tehlikeli ortamlardan uzak tutarak, planlanan görevlerin gerçekleştirilmesi için çabalamaktadır. Böylece insanın içinde olduğu uçuşlardan daha farklı konseptlerdeki savaş senaryolarını ortaya koymak mümkün olmaktadır. Ayrıca günümüz İHA'ları düşman hava savunma sistemlerine sahte hedef olarak saldırıp veya doğrudan kamikaze hücumlar ile onları etkisiz hale getirme kabiliyetlerine sahiptir. Böylece savaş alanında hava üstünlüğü kurmak mümkün olmakta, hava üstünlüğünü kuran taraf kara ve deniz birimleri üzerinde de baskı oluşturabilmektedir. Genel olarak bu yönleriyle değerlendirildiğinde günümüz silahlı insansız hava araçları oyun bozucu özellikleriyle çatışma alanlarında boy göstermektedir. Sivil amaçlı kullanıma bakıldığında özellikle doğa afetleri sonrasında yaşanan arama kurtarma çalışmalarında havadan görüntü almak kritik öneme sahip olduğundan, İHA'lar bu ihtiyacı karşılamaktadır. Karadan ulaşılamayan noktalara havadan gıda ve tıbbı malzeme ikmali yapılmasını mümkün kılarak yine afet bölgeleri veya acil durumlarda insan hayatlarının kurtarılmasına yardımcı olmaktadırlar. Bunun yanında orman yangınları gibi müdahale etmenin veya erken uyarının önem arz ettiği durumlarda İHA'lardan alınan yeryüzü görüntüleri afetle mücadele için büyük önem taşımaktadır. Bunların haricinde haritalama sektöründe, özel bilimsel araştırmalarda, büyük yapı veya tarım projelerinin havadan takibinde de farklı boyutlardaki insansız hava araçları kullanılmaktadır. Orta ve büyük ölçekli insansız hava araçları taşıdıkları faydalı yükler ve görev menzilleri sebebiyle enerji yoğunluğu yüksek yakıtlara ihtitaç duyarlar. Bu sebeple birçoğu karbon temelli yakıtları tüketen güç gruplarına sahiptir. Haliyle uçuş sırasında belli miktarlarda karbon emisyonu ortaya çıkmaktadır. Dünyadaki karbon salınımını azaltmak için politikaların izlendiği günümüzde hava araçlarından çıkan emisyonları en aza indirmek de belirli bir hedef haline getirilebilir. Öte yandan sadece araştırma amaçlı olarak da insansız hava araçlarında hidrojen ve elektrik gibi alternatif enerjilerin kullanılabilmesi için çalışmalar yürütülmektedir. Elektriğin doğrudan enerji kaynağı olarak kullanılmasıysa bataryaların gelişimine bağlıdır. Ticari bataryalar yakın zamanlara kadar 100-250 Ws enerjiyi 1 kg'da depolayabiliyordu. Günümüzde ise bu değer 400 Ws'lere kadar çıkmıştır. Böylece insansız hava araçlarının planlanan görevlerini daha uzun süreyle icra edebilmelerine imkan sağlanmaktadır. Bataryalara daha çok elektrik enerjisi depolayarak uçuş süresini artırabilmenin yanında uçuş için gerekli enerjiyi pv güneş hücrelerinden sağlamak da mümkündür. Pv güneş hücrelerinin tarihte ilk görünümü 20. yüzyılın ortalarına uzanmaktadır. Bu zamandan sonra geçen yaklaşık 20 yılda, tarihler 1974'ü gösterirken pv güneş hücreleriyle desteklenen bir model uçak ABD'de ilk uçuşunu yapmıştır. Sonrasında dünyanın farklı bölgelerindeki kurum ve kuruluşlar mikrodan makroya çok sayıda çalışmaya imza atmışlardır. Elde edilen bu birikimler ile günümüzde güneş enerjisiyle çalışan insansız hava araçları ve insanlı planör uçakları üretkmek mümkün olmuştur. Böylelikle fosil yakıtlara alternatif olan elektrik enerjisiyle uzun süreli uçuşları yapmak mümkün olmaktadır. Ülkemizde üretilen İHA sistemlerine baktığımızda birçoğu fosil yakıtları kullanmaktadır. Elektrik enerjisini kullanan ufak platformlar ise uçuş sürelerinin azlığı sebebiyle uzun süreli gözetleme görevlerini icra edememektedirler. Çoğunlukla sınır karakollarında kullanılan bu elektrikli mini İHA'lar ancak bir güvenlik problemi olduğu takdirde uçurulabilmekte ve kısıtlı süre gözetleme yaparak batarya değişim ihtiyacı duymaktadır. Bu yüzden karakol birlikleri bu batarya değişimleri sırasında görüntü ihtiyacı duyarlarsa daha büyük ölçekli SİHA veya İHA'lar devreye girmektedir. Bu durumda hem gözetleme için harcanan maliyet daha fazla olmakta hemde büyük ölçekli İHA'lar sadece kendilerinin yapabileceği daha stratejik görevleri yerine getirememektedirler. Bu tez çalışması kapsamında güneş enerjisiyle çalışan mini İHA tasarlanıp üretilmesi hedeflenmektedir. İlk etapta güneşli günlerde uçuş için gerekli elektrik enerjisini üzerindeki pv hücrelerden karşılayarak bataryalarından sağlanacak enerjiden daha fazlasıyla uçuşu gerçekleştirip havada kalma süresinin artırılması planlanmaktadır. Böylelikle uzun süreli gözetleme veya takip görevi için icra edilen uçuşları mini elektrikli İHA'lar ile yapmak da mümkün olacaktır. Bahsi geçen konsepteki ticari veya ar-ge İHA projeleri dünyanın birçok bölgesinde çalışılmaktadır. Ülkemiz İHA alanında dünya çapında firmalara ev sahipliği yapmasına rağmen güneş enerjili uçuşlarla ilgili somut çalışmaları görmek pek mümkün olmamıştır. Bundan dolayı aynı zamanda bu çalışmayla Türkiye'deki havacılık ve enerji ar-ge ekosisteminin dikkatinin güneş enerjisiyle uçuş konusuna çekilmesi ve Türkçe literatüre katkı sağlanması amaçlanmaktadır. Çünkü dünya ölçeğindeki birçok projede güneş enerjisiyle uçuş ile günlerce aylarca uçabilecek araçların tasarlanması için çalışmalar yürütülmektedir. Dahası bu çalışmalar neticesinde sanki-uydu araçların üretilmesi ve bunlarla yakın uzaya ulaşılması hedeflenmektedir. Günümüz uydu fırlatma maliyetleri düşünüldüğünde bu araçlar kullanılarak uyduları tamamlayıcı mahiyette bazı görevlerin icra edilebilmesi faydalı olacaktır.
-
ÖgeLaser induced graphene based flexible gas sensor for wearable electronics(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2020-07-21) Büyükturgay, Mehmet Mert ; Solak, Nuri ; 514181008 ; Defence Technologies ; Savunma TeknolojileriFrom the past to the present, the most important thing to consider when developing defense systems is the production of original technology. The industrial power of a country is dependent on its technology. In this sense, it is important for countries to improve their original technologies. Technology is also important in the means of the privacy, reliability, and foreign dependency of defense systems. Production and development of high technology defense systems open a country's way to the domination of the world market, hence increasing the living standards of its citizens. This situation causes competitiveness in the field and in order to establish military domination, it is essential for countries to be able to produce and improve high-technology defense systems. Electronic technologies are also important in the defense systems industry. Since electronic technologies are widely used, engineers usually spend more shift hours designing and developing these products. There are lots of parameters in order to make these products ideal to be used in the defense systems industry. It is important and necessary for defense systems to be smaller in size, lightweight, with less effort and power required, practical, and faster in data transmitting. However, it may not always be easy to meet these necessities. In designing a product, just meeting one of these necessities may require a million dollars. The widespread use of electronic technologies results in the formation of new systems that are smaller, lightweight, and microchip controlled. In a changing and developing world, software updates of defense systems are also very important to function effectively. At the same time, the textile industry has recently begun to shift from traditional textile products to intelligent new textiles that process information to meet the demands and requirements of the defense industry. This situation resulted in engineering fields such as material science, electronics, and chemistry leading the textile industry and in the formation of a new multidisciplinary working area. Sensors compose almost the entire range of the smart textile field and unlike traditional textiles, it is a field open to new technological developments. Smart textiles are usually designed and developed for military technologies and the health sector. Wearable technologies complete duties such as obtaining and processing important data from the environment and simultaneously sending and visualizing these data to different sources. Smart clothing developed for area scanning and search and rescue teams may provide life safety for both search and rescue and military staff. They may also make any intervention more effective. Furthermore, information such as hazardous toxic gasses, amount of oxygen, and temperature of the potential risk zone and accident area may be obtained through this technology. This information is sent to different sources simultaneously and necessary measures are taken immediately. With the development of this system, risk analysis may be carried out in more detail, based on the information obtained from risky regions. The smart sensors may also be used in the exploration of the risky area; hence making the planning and application of the required intervention safer. Gas sensors play a major role in war fields and accident areas. Nowadays many countries are producing various chemical and biological weapons, so it is a necessity for every country to develop its own defense systems and take necessary precautions. New smart gas sensors are being developed as protection systems in case of the usage of these weapons. Gas sensors are not only used in the field of military defense systems; they are also used in companies where chemicals are frequently used and in highly populated regions in order to protect the health of workers and individuals by distinguishing hazardous and non-hazardous gasses in the air. Today, although many types and functions of commercial products are produced, problems in detecting hazardous gasses have not been solved completely. The problems that usually vary according to the type of sensor and need to be solved are as follows; the size of the sensor may not be small enough, low sensitivity and selectivity, long response time, not being suitable for long-term use, easy abrasion, sensitivity to movement, measurement errors due to environmental factors, high energy consumption, and difficulties in production and high costs. Briefly, more advanced and smart devices are needed, in order to detect what type of gasses are in the air. In this study, different sensor technologies and systems were studied to detect toxic or hazardous gasses. A major part of this study consists of research that accounts for precision, selectivity, response intervals, flexibility, resistance, size, and portability of the sensors. Even in their applications in daily life, sensors should be able to obtain data while they are in motion and transmit this data to distant sources. Therefore, in order to prevent the limitation of motion, the sensors should be portable and flexible enough to wrap the body easily. Wearable sensors that are designed compatible with clothing are more effective and useful than handheld sensors. The aim of this study is to determine whether the environment is dangerous or not in terms of gas type and to ensure that this information is transmitted to the source. Since this study is designed in the means of wearable technology, the disadvantage of carrying any device is eliminated. In addition, with the help of the sensor and resistance meter on the clothing, instant toxic gas contact can be detected. Therefore, staff on duty are able to obtain data from the environment simultaneously and can act more precautious to the current situation. First, a 3D graphene sensor was produced on the polyimide PI film using laser direct writing to create direct ammonia gas sensors. At this stage, first, the CO2 laser to be used has been optimized, the focus of the laser has been determined and the optimum parameters that will affect the final product have been determined. Then, carbonization and graphitization processes were applied according to these parameters. However, the necessary software was previously installed on the CO2 laser to implement this phase. With the help of the "Inkspace" application, sensors are designed and drawn. Then, with the help of the "K40 Whisperer" driver, the previously drawn sensors were transferred to the memory of the laser. The laser system was controlled with this driver, the predetermined parameters were entered into the system and the laser engraving process was started. As a result of this process, the desired laser-induced graphene products were obtained. The bending test was applied to the graphene sensors obtained. The products that were successful in this test were tested again for resistance with the help of a digital multimeter. The samples obtained after these tests were used in the specially designed NH3 gas sensor system. After the LIG sensor specimens were obtained, the chamber was ready to be installed. NH3 gas sensor mainly consists of a bottle of ammonia gas (25%), a micro syringe, control switches, a jar for the gas mixing system, a jar for the chamber, 1 air fan, 2 pneumatic pipes (1 for gas inlet and 1 for gas outlet), a digital multi-meter and pre-produced graphene sensors. This test was done at room temperature and room atmosphere. First, a micro syringe was filled with a certain volume of NH3(25%); then it was injected into a gas mixing system. A certain concentration of ammonia gas(100ppm-1000ppm) was obtained by mixing with ambient air in the mixing system. After that, the first switch was turned on and the mixing gas vapor was transferred to the test chamber near the LIG sensor. The LIG specimen was placed inside the chamber. In this system, one of the control switches was used to transfer a certain concentration of ammonia gas to the chamber and the other switch was used to release the gas from the chamber. Thus, a certain concentration of ammonia gas was circulated in the chamber homogenously with the help of the air fan. The digital multimeter that was used in this chamber is able to show the resistance of the sensor when it was exposed to ammonia gas and the atmosphere. As a result of the changing ambient atmosphere, the resistance meter connected to the graphene sensor showed a resistance change due to NH3 gas contact. Therefore, ammonia gas sensing was carried out. As a result, a flexible graphene-based gas sensor was produced, which detects whether there is any ammonia gas as a warfare gas simulant in the atmosphere. The produced graphene-based gas sensors can operate at room temperature with high selectivity and low power consumption. Thus, this study can be an important candidate for today and future applications of wearable detectors in both military and many other fields.
-
ÖgeMiniature electrical propulsion system design for cube satellites(Graduate School, 2022-08-11) Çatal, Egemen ; Aslan, Alim Rüstem ; 514191041 ; Defense TechnologiesCube satellites, also known as cubesats, are compact spacecraft that are made up from 10x10x10cm sized cubes. Each one of these cubes are named units or U for short. Based on mission requirements the size of the cubesat can range from 1U to 27Us. Ever since their establishment in 1999 they have been used for academic and educational purposes. Advancements in the miniature electronic now enables these cubesats to perform at a higher grade and be used for commercial and scientific missions. Their compact nature make them affordable and easy to access. This compactness also means that the power and mass budget is very limited compared to the bigger satellite classes. Thanks to these restraints very few cubesats with propulsion systems have been launched into space to date. A propulsion system has the potential to provide greater missions envelope, extended lifespan, precise control for close formation flying and space debris reduction. Propulsion systems are grouped under two main categories as chemical and electric propulsion systems. Compared to the electrical propulsion systems chemical systems provide greater thrust at the cost of reduced efficiency. Since greater efficiency is vital due to compact nature of the cubesat, electric propulsion systems constitute a tempting solution as a propulsion systems. Among them, RF ion thrusters are viable candidates due to their scalability and simple design. Ion thrusters provide greatest propellant consumption efficiency among electric propulsion systems which makes them very preferable. This study presents the design of an RF ion thruster fit to be used in a cubesat. Theoretical knowledge and calculations are presented and the system is calculated to provide 550 µN of maximum thrust and up to 3000 s of specific imoulse. Design and experimental details are provided and based on these designs the actual model of the thruster is manufactured. Manufactured model was then tested at the Space Technologies Laboratory of Bogazici University (BUSTLab). During the tests it was observed that the ions are successfully accelerated and thrust is generated. Measurements of actual thrust levels and ion beam characteristics are left as future work.
-
ÖgeOnline loss of control prevention of an agile aircraft: Lyapunov-based dynamic command saturation approach(Graduate School, 2023-05-17) Altunkaya, Çağrı Ege ; Özkol, İbrahim ; 514211003 ; Savunma TeknolojileriOver the past few decades, the combat arena has witnessed the updating of military doctrines. In particular, air combat paradigms have been renewed in terms of pioneering air vehicles and air combat tactics. Ancient air-to-air combat maneuvers have been replaced by new, astonishing maneuvers that require more pilot skill and state-of-the-art fighter aircraft in terms of both aerodynamics and flight control. Consequently, advancing maneuvering capability seems to be one of the key features in increasing the survivability of fighter aircraft during dogfights. However, this request brings several prerequisites, including struggling with generated uncertainties because of highly nonlinear aerodynamic characteristics, besides flight dynamics. Another prerequisite is ensuring flight safety throughout the mission, even during the most agile maneuvers, which is the main issue of this study. An agile maneuvering aircraft is inherently expected to perform its mission in the most effective and safe manner, especially a fighter aircraft that carries out outstanding and challenging operations. During these operations, the aircraft is exposed to extremely nonlinear effects sourced from aerodynamics and flight dynamics. As is commonly known, classical linear flight control methods are not capable of dealing with these nonlinear effects because linear flight controllers are designed around an equilibrium point. As the states of the aircraft get far away from that designed equilibrium point, the controller's performance degrades dramatically. Therefore, many nonlinear control methods have been adopted for agile aircraft in the literature and even in the real world. In this study, the incremental nonlinear dynamic inversion technique is adopted for the baseline aircraft, which is the F-16. Moreover, contrary to what is mostly done in the literature, the aircraft control surfaces are treated as independent from each other, as they are in the real world. This means that the system is handled as an over-actuated aircraft, and the six degrees of freedom nonlinear flight dynamic model is constructed as an over-actuated system. Over-actuated systems have control effector distribution such that one specific degree of freedom can be stimulated by more than one control surface. As a consequence, such systems require a control allocation approach to distribute control commands over the control effectors. There are several methods in the literature, but an optimization-based control allocation scheme is utilized to satisfy more than one objective: satisfying control moments required with minimum control effort and minimum drag to increase maneuver performance and avoid control surface saturation. However, the main contribution of the study is loss of control prevention. Operating within the flight envelope does not guarantee flight stability. This means that the aircraft may perform a maneuver within the flight envelope, but the corresponding maneuver may stimulate an unstable behavior. Therefore, the aircraft should perform a maneuver inside the dynamic envelope, not the flight envelope, to ensure flight stability. Consequently, the Lyapunov stability theorem-based control moment redesign and dynamic pilot command saturation methods are proposed to ensure flight stability. Furthermore, an incremental attainable moment set method is proposed to generate controllability boundaries of the aircraft in the next step by using the actuator rate and position limits. The aircraft is allowed to use 90\% of its control authority, and an excessive control moment demand is detected using an incremental attainable moment set. After detecting the control authority violation, Lyapunov-based moment regeneration is activated to obtain the maximum possible control inputs, including the angle of attack, velocity vector bank angle and roll rate. Finally, the recalculated maximum possible angle of attack, velocity vector bank angle and roll rate are fed into the pilot demand saturation. In this way, the pilot is restricted from violating the maximum reachable commands in-flight and dynamically, preventing the loss of control and sustaining the safe and stable maneuver. The paramount importance of this study is to prevent the loss of control without intensive computation or \emph{a priori} knowledge of the aircraft. A broad and high-fidelity aerodynamic model alone is sufficient to achieve each step of the proposal as aforementioned. According to the conclusions presented, the proposed method is quite promising. The aircraft's stable behavior can be maintained even under harsh, excessive, and abrupt maneuver requests.
-
ÖgeSavunma sanayii uygulamalarına yönelik grafen takviyeli bor karbür yapıların sps yöntemi ile üretimi ve karakterizasyonu(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023-06-06) Aydoğan, Yiğit Orkun ; Göller, Gültekin ; 514191083 ; Savunma TeknolojileriYüksek balistik özellikliğe ve yüksek kırılma tokluğuna sahip kompozit yapılar uzay ve havacılık gibi kritik uygulamalarda aday malzemeler olarak ön plana çıkmaktadır. Bu alanlara yönelik olarak yeni kompozit yapıların üretilmesi ve özelliklerinin geliştirilmesine yönelik dünya genelinde çok sayıda araştırmalar yapılmıştır ve günümüzde halen bu çalışmalar devam etmektedir. Proje kapsamında elde edilecek olan yeni bileşimler ve üretilecek olan numuneler ile bu alana önemli bir katkı sağlanacağı düşünülmektedir. Malzemeler üzerine yapılan çalışmaların teknolojik gelişmelere katkısı göz ardı edilemeyecek kadar çok olmuştur. Özellikle endüstride ve teknolojide meydana gelen hızlı bir ilerleme arzusu üstün mekanik özelliklere sahip malzemelere duyulan ihtiyacı her geçen gün artırmaktadır. Bu çerçevede dünya üzerindeki bor rezervlerinin % 75'inin ülkemizde olması ve yeni nesil teknoloji malzemesi olarak ilham verici olması, bor ve bileşiklerini önemli kılmaktadır. Dünya bor rezervinin lideri konumunda bulunan Türkiye bor mineralinin dünyadaki en büyük ihracatçısıdır. Stratejik bir değere sahip olan bor minerali Türkiye için geleceğin savunma sanayisine, yüksek teknoloji projelerine, ekonomik olarak kalkınmaya ışık tuttuğu düşünülmektedir. Bor karbür, yüksek pazar hacmine sahip önemli bir bor uç ürünüdür. İleri teknoloji seramik malzemeler arasında bor karbürün vaz geçilmez bir yeri vardır. Bor karbür düşük yoğunluğu, yüksek sertliği, kimyasallara karşı direnci, yüksek nötron absorblama ve ısıya dayanımı gibi özelliklerinden dolayı bir çok sivil ve askeri uygulama alanında kullanılmaktadır. Sert ve hafif olması, muharebe araçlarında zırh olarak, askeri helikopter ve uçaklarda yakıt tankı çevresinde ve pilot kabininde kullanılmaktadır. Sanayi faaliyetlerinde ve üretiminde çok yaygın olarak kullanılan önemli hammaddelere "stratejik maden veya maddeler "adı verilir. Bugün tüm dünyada savunma sanayii alanında teknolojik gelişmelere bağlı olarak ihtiyaç duyulan zırh sistemleri için en çok talep gören malzemelerin başında bor karbür gelmektedir. Bu nedenle bor karbürün özelliklerinin geliştirilmesi adına birçok çalışmalar yapılmıştır. Bor karbür seramiklerinin sahip oldukları yüksek ergime sıcaklıkları sebebiyle döküm yöntemi ile şekillendirilmleri mümkün değildir. Döküm yöntemi ile şekillendirilemeyen bu tür seramik malzemeler sinterleme işlemi ile şekillendirilirler. Sinterleme ön şekillendirmeye tabi tutulan ve yüksek oranda porozite içeren tozların aktif yüzey alanının küçülmesi, partekül temas noktalarının büyümesi ve gözenek şeklinin değişmesi ve porozite hacminin azalması gibi olayları içeren, ısıl olarak aktive edilmiş bir malzeme taşınım olayıdır. Kısacası aktif yüzey alanının difüzyonla beraber küçültülmesi işlemidir. Sinterleme işleminde ana etmen tane yoğunlaşması ve büyümesidir. B4C'nin sinterlemesi ile ilgili literatürde basınçsız, basınçlı ve spark plazma sinterleme yöntemleri mevcuttur. Spark plazma sinterleme (SPS) göreceli olarak yeni bir sentezleme ve sinterleme sistemidir. Spark plazma sinterleme yönteminde iki elektrot arasına yerleştirilen numune, grafit punch vasıtasıyla sıkıştırılıp, numune üzerinden ark geçirilmesiyle yüksek sıcaklıkta yarı ergiyik halde sinterlenir. Spark plazma sinterleme sistemi yüksek darbeli doğru akım ve düşük voltaj ile çalışır. Sıcak presleme, proses, atmosferik sinterleme, ve sıcak izostatik presleme sistemlerine göre düşük sinterleme sıcaklığı, yüksek sinterleme hızı, sinterleme sırasında tane büyümesinin engellenmesi gibi önemli avantajlara sahiptir. Dolayısıyla kısa sürede yüksek teorik yoğunluğa sahip numne üretimine imkan sağlamaktadır. Bu avantajlarından dolayı bu projede B4C'nin sinterlenmesinde SPS yöntemi kullanılmıştır. Üstün fiziksel ve kimyasal özellikleri ile grafen, teknoloji ve bilimin bir çok alanında araştırma faliyetlerinde kullanılmaktadır. Üstün termal, elektronik ve mekanik özelliklerinin kombinasyonu temel bilim ve araştırmaları için geniş bir uygulama alanı sunmaktadır. Özellikle kompozit malzemelerde dolgu malzemesi olarak kullanılabilmesi ve benzersiz özellik kombinasyonu imkanı sunması bir çok araştırmacının dikkatini çekmiştir. Grafen malzemesinin bu üstün özellikleri monolitik seramiklerde ideal bir katkı malzemesi olarak ön görümüştür. Monolitik seramik yapılar yüksek sıcaklık stabilitesi, yüksek mukavemet ve yüksek sertlik gibi fiziksel özellikleriyle yapısal malzeme olarak umut vadediyorken, düşük kırılma tokluğu ve zayıf elektrik iletkenliğine sahiptirler. Bu durumda seramik matrisli kompozit yapıların önemini ortaya çıkarmaktadır. Grafen malzemesinin yüksek mekanik özelllikleri, monolitik seramik yapılar için ideal bir takviye malzemesi yapmaktadır. Tez çalışması kapsamında monolitik bor karbür yapısına hacimce % 0,5, %1, %2, %3 oranlarında grafen takviyesi yapılarak kırılma tokluğu ve sertlik değerlerinin artırılması hedeflenmiştir. Tüm numune üretimleri İTÜ Metalurji ve Malzeme Mühendisliği bölümüne ait 20.000 Amper kapasiteli SPS 7.40 MK VII, SPS Syntex cihazı ile vakum altında 1600oC sıcaklıkta 40 MPa basınç altında 100oC/dk ısıtma hızında 5 dakika boyunca sinterlenerek gerçekleştirilmiştir. Karakterizasyon çalışmaları kapsamında üretilen numuneler için yoğunluk ölçümü, faz analizi (XRD), raman analizi, mikro yapı incelemesi (SEM), ve mekanik özelliklerin tayin edilmesi (sertlik ve kırılma tokluğu) işlemleri yapılmıştır. Yapılan karakterizasyon işlemleri sonucunda monolitik numune için sertlik ve kırılma tokluğu değerleri sırasıyla 29,66 GPa ve 5,27 MPa‧m1/2 olarak tespit edilmiştir. Grafen ilavesi ile en yüksek sertlik hacimce %2 GNP ilave edilen yapıda 38,44 GPa olarak, en yüksek kırılma tokluğu ise 6,83 MPa‧m1/2 olarak belirlenmiştir. Mevcut çalışmada elde edilen 38,4 GPa lık sertlik değeri, savunma sanayii uygulamalarında kullanılan bor karbür seramikleri üzerine yapılan benzer çalışmalardaki sertlik değerleri ile uyumlu/birbirine yakın olduğu gözlemlenmiştir. Düşük yoğunluk, yüksek sertlik ve yüksek kırılma tokluğu özellikleri ile grafen takviyeli bor karbür yapıların savunma sanayii uygulamalarında kullanılma potansiyelinin olduğu değerlendirilmiştir.
-
ÖgeStudy of turbomachinery flows using open source analysis software(Graduate School, 2022-12-19) Çetin, Büşra ; Edis, Fırat Oğuz ; 514191037 ; Defense TechnologiesConstruction of a proper mesh is a crucial stage of computational studies to obtain acceptable results as the quality of the mesh specifies accuracy, convergence and computational time. Solution is mainly restricted by imperfections on the geometry definition, low mesh quality and relatively coarse mesh structure. OpenFOAM as an open source software, which offers tools to generate grids for the solution domain in addition to execute CFD analysis. For complex geometries, mesh can be constructed by snappyHexMesh utility of OpenFOAM. snappyHexMesh creates an unstructured mesh over a structured state that is generated by blockMesh utility thus it presents an automatic mesh construction tool for engineering applications. In this study, NASA Rotor 37 that is an axial flow, transonic compressor delivering a pressure ratio of 2.1 at design conditions, is analyzed. OpenFOAM was used for both mesh construction and CFD analysis. An unstructured mesh was generated by snappyHexMesh. Since the solution domain contains periodic boundaries, cyclic boundary condition was used. Generation of cyclic BCs on an unstructured mesh are a difficult process by an open source tool as two periodic boundaries must be identical in order to overlap grids on these boundaries. The cyclic surfaces were produced as circular patterns of each other. Quality of the geometry file is also an important factor for mesh construction. Because of unstructured results of snappyHexMesh with non conformal grids, cyclic boundary condition option could not be used solitarily. Non conformal periodic boundaries are matched by cyclicAMI boundary condition options of OpenFOAM that states Arbitrary Mesh Interface and contructs the mesh matching for non overlapping grids. Integration of cyclicAMI was applied by an exclusive OpenFOAM dictionary, createPatchDict. Thus, for obtaining a mesh automatically, geometry files must have high quality, and periodic boundaries must be geometrically identical. Flow field of the rotor was evaluated in terms of total pressure and temperature ratios, and Mach number distributions. Spalart-Allmaras turbulence model was used. Computational results were compared with experimental measurements and other computational results. According to the results, method of preparation of the geometry and construction of the mesh affect accuracy considerably. Total temperature and pressure under predicted in comparison to experiment and other computational studies. It may be caused by rhoSimpleFoam that cannot capture shock, or by low quality geometry. Hence a proper solver and high quality geometry can give satisfying results.