Küp uydu uyumlu kuantum haberleşme modülünün mekanik tasarımı, analizi ve optimizasyonu

Abstract

Bu tez, Qubitrium A.Ş. tarafından yürütülen ve TÜBİTAK tarafından desteklenen Kuant-Üs (Küp Uydu Uyumlu Kuantum Anahtar Dağıtımı Faydalı Yük Tasarımı) projesi kapsamında gerçekleştirilmiştir. Tezde, küp uyduların yapıları, avantajları ve kullanım alanları hakkında detaylı bilgiler verilmiş, ayrıca küp uyduların uzay araştırmaları ve kuantum deneyleri için önemi vurgulanarak Kuant-Üs projesinin temel hedefleri açıklanmıştır. Kuantum haberleşme gerçekleştirecek küp uydu uyumlu kuantum haberleşme modülünün içindeki kritik parçalardan biri olan optik hizalama ünitesinin esnek tutucu ayak tasarımı için gerçekçi bir model oluşturulmuştur. Bu parçanın fırlatma ve yörünge koşullarındaki tepkisini öngörmek amacıyla sonlu elemanlar analizi gerçekleştirilmiştir. Üretilen parçalar laboratuvar ortamında deneysel testlere tabi tutulmuş ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. Esnek tutucu ayak, uzay ortamında güvenli ve etkin haberleşme sağlama hedefi için kritik bir öneme sahiptir. Sistemin düşük Dünya yörüngesinde sıcaklık döngüleri ve vakum ortamında çalışması için esnek tutucu ayağın tasarım incelemesi gerçekleştirilmiştir. İdeal tasarıma ulaşabilmek için parçanın statik ve titreşim analizleri yapılmış, doğal frekans sonuçları elde edilmiştir. Termal analizler gerçekleştirilmiş ve parçanın göreve uygunluğu incelenmiştir. Malzeme seçimi, mesh oluşturma, sınır koşulları ve kontak tanımlama gibi sonlu elemanlar analiziyle ilgili tüm aşamalar detaylı bir şekilde aktarılmıştır. Tasarımın doğruluğunu ve uygulanabilirliğini test etmek amacıyla parçanın üretimi gerçekleştirilmiş ve üretim yöntemi hakkında bilgiler verilmiştir. Tasarım sonrası sonlu elemanlar analizleri yapılan esnek tutucu ayağın, akma noktası ve rezonans frekans ölçümleri için iki ayrı ölçüm düzeneği geliştirilmiş ve bu değerler deneysel olarak da belirlenmiştir. Bilgisayar ortamında gerçekleştirilen sonlu elemanlar analiz sonuçlarıyla deneysel test sonuçları karşılaştırılarak parçanın uygunluğu hakkında çıkarımlar yapılmıştır. Gerçekleştirilen çalışmalarla, uydu tabanlı kuantum optik araştırmalarının yanı sıra, hassas açı kontrolü ve yüksek stabilite gerektiren benzer hassas uygulamalar için de katkı sağlanmıştır.This thesis was conducted as part of the Kuant-Üs (CubeSat-Compatible Quantum Key Distribution Payload Design) project, carried out by Qubitrium Inc. and supported by TÜBİTAK. The thesis provides detailed information about the structure, advantages, and applications of CubeSats, highlighting their significance for space research and quantum experiments, and outlining the primary objectives of the Kuant-Üs project. A realistic model was created for the flexible holder feet of the optical alignment unit, a critical component of the CubeSat-compatible quantum communication module. Finite element analysis was performed to predict the response of this part under launch and orbital conditions. The manufactured parts were subjected to experimental tests in a laboratory setting, and the results were compared. The flexible holder feet are crucial for ensuring safe and effective communication in the space environment. The design review of the flexible holder feet was conducted to ensure the system's operation in low Earth orbit temperature cycles and vacuum conditions. Static and vibration analyses were performed to achieve an optimal design, and the natural frequency results were obtained. Thermal analyses were conducted to assess the suitability of the part for the mission. All stages of the finite element analysis, including material selection, mesh creation, boundary conditions, and contact definitions, were detailed comprehensively. To verify the accuracy and feasibility of the design, the parts were manufactured, and information about the production method was provided. Post-design finite element analyses were conducted on the flexible holder feet, and two separate measurement setups were developed for yield point and resonance frequency measurements. These values were also determined experimentally. The finite element analysis results obtained through computer simulations were compared with the experimental test results, and conclusions regarding the suitability of the part were drawn. The conducted studies contribute not only to satellite-based quantum optical research but also to similar precise applications requiring sensitive angle control and high stability.