Gözlem Uydusunun Yapısal ve Doğal Frekans Analizleri

Gözlem Uydusu Yapısal Analizi
Bir parçanın üretimine geçilmeden önce tasarım sürecinden geçmesi gerekir. Bu süreçte parçanın çizimi ve analizi olmak üzere iki
önemli aşama gerçekleştirilir. Parçanın çizim aşamasında kullanılacağı yerdeki görevine uygun bir tasarım gerçekleştirilir. Bu
tasarımda fonksiyon, estetik gibi hususlar göz önünde bulundurulur. Fakat gerçekleştirilen tasarımın işletme koşulları başladığında
buradaki görevi yerine getirip getiremeyeceği belli değildir. Bu konuya cevap verilebilmesi için gerekli mühendislik hesaplarının ve
analizlerinin yapılması gerekir. [21]
Sonlu elemanlar yöntemi fizik ve mühendislikte karşılasılan bir çok problemin çözümünde kullanılan en yaygın ve etkin sayısal
yöntemlerden biridir. Yöntem karmaşık yapıların, üzerinde hesaplama yapılabilecek daha küçük yapılar ile modelleme esasına
dayanır.
Catia katı modelleme programında uydu tasarımı yapıldı. Tasarımı yapılan bu model Ansys programına aktarıldı. Uydu yapısında (iskelette) ve dış gövde panellerinde meydana gelen zorlanmalar ve yer değiştirmeler incelenmiştir.
3.1.1 Malzemeler
Dayanım, hafiflik, uzay şartlarında dayanıklı ve maliyeti düşük olması nedeniyle yapay uydu yapısında ve dış gövde panellerinde
kullanılacak malzeme olarak Al 6061 ve Güneş panellerinde kullanılacak malzeme olarak Honeycomb seçilmiştir. Ansys
programında malzeme kataloğuna eklenmişlerdir.
Şekil 3-1 Ansys programında seçilen malzemeler
Şekil 3-2 Ansys programında Alüminyum 6061 malzemesi özellikleri
Şekil 3-3 Ansys programında Honeycomb malzemesi özellikleri
3.1.2 Ağırlık Merkezi
Ağırlık merkezi G, parçacıklar sisteminde ağırlığın bileşkesinin olduğu noktadır. Parçacıların ağırlıklarının paralel kuvvet
sistemleri olduğu düşünülür. Ağırlıklar sistemi ağırlık sistemine konacak tek bir ağırlıkla değiştirilebilir. Uydunun yapı ve paneller
dışında kalan kütlesi modele dahil edilecektir. Uydu kütlesinin, literatür çalışması sonucu 450 kg olması hedeflenmiştir.
Şekil 3-4 Ansys programında uydu yapısının ağırlık merkezi
Şekil 3-5 Ansys programında bütün uydunun ağırlık merkezi
Şekil 3-6 Ansys programında uydu modelinin ağırlık merkezi, point mass’in konumu ve etki ettiği yüzeyler
Şekil 3-7 Ansys programında uydu modelinin ağırlık merkezi ve point mass’in konumu
Sonlu Elemanlar yöntemi ile parça modellenirken, model küçük parçalardan oluşan temel elemanlara ayrılır. Buna mesh işlemi denir. Her elemanın köşelerinde düğümler (node) vardır. Hesaplamalar bu düğüm noktaları üzerinde gerçekleştirilir. Dolayası ile fiziksel ortam önce elemanlara (element) bölünür ve elemanların köşe noktaları ise fiziksel ortamı temsil eden noktalar uzayı olmuş olur. Elde edilen sonuçlar bu noktaların üzerindeki değerlerdir.
Hesaplamalar nodlar üzerinde gerçekleştirilirken, bu nodlar üzerindeki denklemler oluşturulur. Problemin büyüklüğüne göre
binlerce denklem elde edilir. Bu denklem takımının çözümü ise bilgisayar ile mümkün olmaktadır. Hesaplama sonucunda
bulunan değerler sonuçta nodlar üzerinde bulunan değerlerdir. Bu nedenle iyi bir hesaplama için öncelikle iyi bir element yapısı
ve ona bağlı olarak nod yapısı önem arzeder.
Sonlu elemanlar modelinin oluşturulabilmesi için önceklike geometrik modeli oluşturmak gerekir. Ardından mesh işlemi ile eleman
(element) ve düğüm noktaları (node) oluşturulur.[21]
3.1.3 Mesh
Sonlu elemanlarda gerçeğe yakın bir sonuç elde edebilmek için uygun element tipinin seçimi ve gerekli sayıda kullanılması önemli
bir husustur. Kullanılan elementlerin büyüklüğü hesaplama alanı içindeki değişimleri yansıtacak kadar küçük olması istenir.
Gereksiz çok sayıda eleman kullanılmasıda istenilmez. Bu durumda hem fazla hesaplama zamanı harcanır, hem de sayısal
hesaplamalarda oluşabilecek bir hatanı artmasına neden olacaktır. Gerilmelerin yoğun olduğu bölgeler gibi sonucu daha fazla
etkiliyen kısımlarda element boyutları düşürülmelidir. Elementlerde müsaade edilecek biçim bozukluklarına dikkat
edilmelidir.Geometrik şekil elementlerle örülürken şeklin karmaşık olması durumlarında yada uygun element ağının
oluşturulamadığı durumlarda bazı bölgelerde elementler aşırı derecede şekil bozukluğuna uğrar. Bu gibi yerlerde elementlerin
şekil bozukluğunun kabul edilebilir sınırlar içinde olmasına dikkat edilmelidir. Mesh yaparken (element ağı örülürken) kontrolü
tamamen programa bırakmak bazen bu sonucu verebilir. Bu nedenle mesh yapmadan önce hangi kenarların ne kadar parçaya
bölüneceği, ya da o bölgelerde kullanılacak element boyutlarının ne olacağı gibi bazı kararların kullanıcının alması gerekir.[21]
Şekil 3-8 Mesh yaparken bazı dikkat edilecek hususlar
Şekil 3-9 Ansys programında uydu yapısına yapılan mesh
Şekil 3-10 Ansys programında yüzeye yapılan mesh
Şekil 3-11 Ansys programında bütün uyduya yapılan mesh
Bilgisayarın kapasitesine bağlı olarak mesh kalitesi arttırılabilir.
3.1.4 Uyduyu Etkileyen Yüklemeler ve Kısıtlamalar
Uzay araçları fırlatma ve görev sırasında maruz kalacağı mekanik ve ısıl yüklere karşı dayanıklılığını test etmek için uydu üretim
ve montaj sırasında mekanik testlere tabii tutularak bu yüklerin yapısal ve elektriksel olarak herhangi bir performans ve işlevsellik
kaybına sebep olup olmadığı tespit edilerek uzay aracının göreve uygunluğu teyit edilir.Uzay araçları ve özellikle haberleşme
uyduları en büyük sanki-statik ve dinamik yüklere fırlatma sırasında fırlatıcı üzerinde ve ayrılma sırasında maruz kalırlar. Bu
yüklerin süresi, şiddeti, frekans aralığı gibi değerler kuvvet zarfları şeklinde fırlatıcı kullanıcı klavuzlarında belirtilmiştir.Titreşim
testleri için seçilen fırlatıcı veya potansiyel fırlatıcıların azami yük değerleri baz alınır. Bu değerlerin yanısıra yine uzay aracının
yanal ve dik yönde sağlaması gereken frekans değerleride vardır. Bu isterlerin karşılanıp karşılanmadığı yine titreşim testlerinde
belirlenir ve uygunluğu teyid edilir. Haberleşme uydularında titreşim ve akustik testlerinde uydu üzerinde belli kritik noktalardaki
ivme dolaysıyla kuvvet ile gerilim değerleri ölçülürek dayanım değerleri ile karşılaştırılır. Yine ivme ölçerlerdeki gerilim değerleri
ve yönlerine göre ana yatay ve düşey frekansları tespit edilir. Titreşim testleri süreç ve uydunun tümünü ilgilendirmesi açısından
önemli mekanik testlerdir. Testler x, y ve z üç dik yönlerde ayrı ayrı yapılır. Sürecin uzun olması, test öncesi hazırlıkların
yapılması yatayda x ve y yönünde iki ve düşeyde bir test için uzay aracının sarsma yönünde sarsıcı üzerine yerleştirilmesi gibi
işleri kapsar.
Uzay araçları genellikle en büyük statik ve dinamik yüklemelere fırlatma sırasında maruz kalırlar. İlk fırlatma anlarında ve kademe
ayrılma ve ateşlemeleri sırasında ani yüklemeler sanki-statik ivmelere sebep olurlar. Bu tür etkileri gösteren zaman-dikey ivme
grafiği Şekil 2 de gösterilmiştir.[10]
Şekil 3-12 Roketlerde uyduyu etkileyen yüklemeler ve kısıtlamaları gösteren zaman-dikey ivme grafiği
Çizelge 3-1 Ariane-6 ve Ariane-5 roketlerindeki yükleme limitleri[10]
Ariane-6 Ariane-5
Kritik Uçuş Safhaları İvme İvme
Yatay Dikey Yatay Dikey
Statik Dinamik Statik +
Dinamik
Statik Dinamik Statik +
Dinamik
Kalkış -2 ±1,5 ±2 -1,8 ±1,5 ±2
Aerodinamik
Etkiler
-2,8 ±0,8 ±2 -2,7 ±0,5 ±2
Basınç
Salınımları
-4,6 ±1,4 ±1 -4,4 ±1,6 ±1
Katı Yakıtlı
İticilerin
Ayrılması
-0,9 ±3,1 ±0,9 -0,7 ±3,2 ±0,9
Çizelge 3-2 Long March 3B roketindeki yükleme limitleri[2]
Uçuş Şartları Transonic Faz
& MDP
Stage-1 Engins
Shutdown
1st/2nd Stage
Seperation
Dikey Yük Faktörü
[g]
Statik +2,2 +5,3 +1,0
Dinamik ±0,8 +0,8 -3,6 +2,7 -3,6
Statik+Dinamik +3,0 +6,1 +3,7 -2,6
Yatay Yük
Faktörü [g] /
1,5* 1,0 1,0
Long Marc 3B roketinin değerleri kullanılmıştır. Kullanım kılavuzunda güvenlik faktörü
1.25’ten büyük olması şartı istenmektedir.
3.1.5 Uydunun Yerleştirilmesi ve Sabitlenmesi
Şekil 3-13 Uydunun yerleştirilmesi ve sabitlenmesi
Uydu, roket kapsülüne yerleştirilir ve sabitlenir.
Şekil 3-14 Ansys programında uydunun sabitlendiği yüzey
3.1.6 Analiz Sonuçları
Long March 3B roketinin yükleme limitlerine uygun yapay uydu analizleri yapılmıştır. Uydu; 6,1 g uzunlamasına ve 1 g
yataylamasına yüklemelere maruz kalmaktadır. Yer değiştirme sonucu, gerilme ve güvenlik faktörü sonucu Ansys programı
kullanılarak analizi yapıldı.
Şekil 3-15 Ansys programında, uydunun yükleme limitleri sonucu yer değiştirme analiz sonuçları, genel görünüş
Şekil 3-16 Ansys programında, uydunun yükleme limitleri sonucu yer değiştirme analiz sonuçları, yan görünüş
Şekil 3-17 Ansys programında, uydu yapısının yükleme limitleri sonucu yer değiştirme analiz sonuçları, iç yapı
Şekil 3-18 Ansys programında, uydu yapısının yükleme limitleri sonucu gerilme analiz sonuçları, genel görünüş
Şekil 3-19 Ansys programında, uydu yapısının yükleme limitleri sonucu gerilme analiz sonuçları, iç yapı
Şekil 3-20 Ansys programında, uydu yapısının yükleme limitleri sonucu güvenlik faktörü analiz sonuçları, genel görünüş
Şekil 3-21Ansys programında, uydu yapısının yükleme limitleri sonucu güvenlik faktörü analiz sonuçları, iç yapı
3.1.7 Analiz Sonuçlarının Değerlendirilmesi
Uydu gövdesi ve yapıda meydana gelen en büyük yer değiştirme 0,1 mm’dir. Uydu modelinde oluşan en büyük gerilmenin
miktarı 20,76 MPa’dır. Roket üreticileri tarafından verilen yüklemeler uyduya etki ettirildiğinde güvenlik faktörünün 1,25’ten büyük
olması şartı aranmaktadır. Uydu modelinin güvenlik faktörünün bu değer üzerinde olduğu görülmektedir. Model, roket üreticileri
tarafından istenen şartı sağlamaktadır ve uydu modelinin güvenli olduğu görülmektedir.
3.2 Gözlem Uydusunun Doğal Frekans Analizleri
Doğadaki her cisim, "Doğal Titreşim Frekansı" olarak adlandırılan, sonsuz sayıda titreşim frekansı ve şekline sahiptir. Bir cismin
sadece esnekliğine ve kütlesine bağlı olan ve cismin o frekansta uyarılırsa yüksek genlikle ve sürekli olarak titreşeceği frekansa
“Doğal Frekans” denir. Her cismin kendine özgü doğal frekansı vardır. Cisim o frekansta bir kere uyarıldıktan sonra uyarı kesilse
bile titreşmeye devam eder.
Doğal frekansların hesaplanması ve şeklinin bilinmesi, titreşim kaynaklı mühendislik problemlerinin çözülmesinde temel önemi
taşımaktadır. Basit cisimlerin doğal frekans ve şekillerini analitik olarak hesaplamak mümkündür. Ancak karmaşık şekillerin
hesabı nümerik yöntemlerle mümkündür. Sonlu elemanlar yöntemi ve bilgisayar hesap kapasitelerindeki gelişmeler, karmaşık
yapıların, ancak idealleştirme yapılarak hesaplanabilen doğal frekans ve şekillerini daha doğru ve anlaşılır hesaplanmasına
imkân tanımışlardır. Doğal titreşim analizinin yapılması ile yapının doğal titreşim frekansları bulunmuş olur. Yapıya uygulanan
periyodik bir kuvvetin frekansı, bu doğal frekanslardan herhangi birisi civarında ise, bu frekans uyarılmış olur ve yapı bu doğal
frekans ve şekli ile titreşmeye başlar. Eğer uyarıcı kuvvetin frekansı ile yapının doğal frekansı çakışır ise "rezonans" olayı
meydana gelir. Rezonans yapay uyduda istemeyen bir durumdur. [22]
3.2.1 Uyduyu Etkileyen Yüklemeler ve Kısıtlamalar
Roket üreticileri tarafından belirtilen katılık (rijitlik) gereksiniminin sağlanması gerekmektedir. Ansys programı kullanılarak uydu
modelinin doğal frekansları bulunacaktır.
Uydu modelinin bu katılık şartlarını sağlanması beklenmektedir.