Kompozit 3U küp uyduların yapısal analiz ve tasarımları

Bu tez çalışmasında, aynı boyutlarda ancak; birbirinden farklı malzemelere ve tasarımsal yapılandırmalara sahip nano uyduların, üretimlerinden yörüngedeki görev ömürlerinin sonuna kadar geçen sürede karşılaşabilecekleri yükler altında yapısal analizleri yapılmış ve elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Tez çalışmasıyla, farklı malzemeler kullanılarak tasarlanan uyduların maruz kalacakları zorlanmalara karşı gösterecekleri yapısal davranışın belirlenmesi amaçlanmıştır. Öncelikle, tezde incelenen nano uyduların boyutsal sınırlandırılmalarından bahsedilmiştir. Uyduların üretim aşamalarından nakliyelerine, fırlatılmalarından görevlerini gerçekleştirdikleri uzay koşullarına kadar bulundukları tüm ortamların özellikleri; uyduların yapısal alt sistemleri üzerinde oluşturdukları etkileriyle açıklanmıştır. Uydu yapılarının, görev öncesinde ve görev sırasında kırıma uğramadan dayanmaları gereken yükler tanımlanmıştır. Daha sonra CATIA V5R21 yazılımı kullanılarak nano uyduların katı model çizimleri yapılmıştır. Uyduların tasarım ve boyutlandırılmalarında; temel yapısal özellikleri California Polytechnic State University (Cal Poly) ve Stanford University tarafından belirlenen "küp uydu (CubeSat)" standartları dikkate alınmıştır. Yapısal dayanım analizlerinden gerçekçi sonuçların elde edilebilmesi için nano uyduların, yapı alt sistemleri de dâhil olmak üzere bütün alt sistemleri ile birlikte modellenmeleri gerekmektedir. Modelleme sırasında bu alt sistemleri oluşturan parçaların kütleleri önem kazanmaktadır. Bu sebeple; nano uydular için bir görev tanımı belirlenmiş ve gerekli alt sistemler için örnek parçalar seçilmiştir. Uydu tasarımında kritik aşamalardan bir tanesi de malzeme seçimidir. Uyduların taşıyıcı yapılarında kullanılacak alüminyum ve karbon kompozit malzemeler seçenekler arasından belirlenmiştir. Malzemeleri fırlatma esnasında ve uzay ortamında karşılaşacakları yıpratıcı etkilere karşı korumaya yönelik geliştirilen işlemlerden bahsedilmiştir. Malzeme seçimlerinden sonra, uyduların temel yapısını oluşturan dış panellerin şekilleri kararlaştırılmıştır. Karbon kompozit uydularda, sandviç ve monolitik yapıların kullanılacağı kısımlarla, bu yapıların katmanlama biçimleri ve katman sayısı gibi özellikleri belirlenmiştir. Yapısal tasarım aşamasından sonra, uyduların özellikle fırlatma sırasında maruz kaldıkları yapısal yüklerin belirlenmesi gerekmektedir. Bu sebeple; ortaya çıkan sanki-statik ve rasgele titreşim yük faktörlerini hesaplarken kullanılan yöntemler açıklanmıştır. Statik analizler gerçekleştirilirken uygulanan bileşke yüklerin elde edilmesi sırasında izlenen yoldan bahsedilmiştir. Tez kapsamında incelenen nano uyduların oluşturulan katı modelleri, MSC Software Patran 2010 sonlu elemanlar yazılımına aktarılarak gerekli analizler yapılmıştır. Bunun için öncelikle dört uydunun çözüm ağları, ANSA yazılımı kullanılarak ayrı ayrı oluşturulmuş ve yapılarında kullanılan malzemelere göre, malzeme özellikleri Patran yazılımına tanımlanmıştır. Uydulara öncelikle fırlatma koşulları için daha sonra ise uzay ortamı koşulları için yapısal analizler gerçekleştirilmiştir. Yapısal analizler MSC Software Nastran 2010 yazılımı ile yapılmıştır. Her iki durumda da öncelikli olarak sınır koşulları ve yükler tanımlanmıştır. Daha sonra fırlatma anında P-POD içindeki uyduların direngenlik değerlerinin hesaplanması için modal analizler yapılmıştır. Bunun sonucunda uyduların doğal frekans verileri ve bu frekanslardaki mod şekilleri elde edilmiştir. Uyduların bulunan doğal frekans değerlerinin fırlatma aracı tarafından istenen direngenlik değerini sağladıkları görülmüştür. Fırlatma koşullarında ortaya çıkan rasgele titreşim yükleri, uydunun farklı modlarındaki doğal frekans değerlerinde hesaplanan g yüküne dönüştürülmüş ve fırlatma aracı kullanım kılavuzundan elde edilen sanki-statik yük faktörleriyle birleştirilerek, oluşturulan sonlu eleman modellerine uygulanmıştır. Tüm sınır koşullarının ve yüklemelerin model üzerinde tanımlanması ile her bir uydu için statik analizler yapılmış ve alüminyum uydu için elde edilen sonuçlar sunulmuştur. Karbon kompozit yapılı uydularda göçmenin yaşanıp yaşanmadığının daha iyi değerlendirilebilmesi için uydu yapısını oluşturan parçalara ardıl işlemler uygulanmış ve fırlatma koşullarında hiçbir uydunun göçmeye (failure) uğramadığı gösterilmiştir. Uzay ortamı koşulları için yapılan analizlerde de benzer yöntem izlenmiştir. Fırlatma ortamından farklı olarak uydular, yörüngede oldukları şekilde herhangi bir yere tutturulmamış ve fırlatma kaynaklı yükler olmaması sebebiyle sadece sıcaklık farkından oluşan ısıl yüklere maruz bırakılarak statik analizler gerçekleştirilmiştir. Analizler sonucunda alüminyum yapılı uydunun göçmeye uğradığı görülmüştür. Karbon kompozit uydular ise ardıl işlemlere tabi tutulmuş ve hiçbir göçme moduna göre yapısal bir hasar ile karşılaşılmamıştır. Bu tez çalışması ile küp uydu standartlarında tasarlanan karbon kompozit yapılı uyduların fırlatılmaları ve görevleri sırasında maruz kaldıkları mekanik ve ısıl yükler altında kırıma uğramadan çalışabildikleri ve de aynı boyutlarda tasarlanan alüminyum yapılı uyduya göre %6, %26 ve %27 oranlarında kütlesel azalma sağladıkları gösterilmiştir.