حامل‌های فضایی به روش‌های مختلفی طراحی می‌شوند. نوع مأموریت و رویکرد طراحان از مهم‌ترین عوامل تأثیرگذار بر انتخاب روش طراحی هستند. در این پایان‌نامه نگاه نویسنده، استفاده از روش‌های نوین طراحی حامل و همچنین طراحی یک حامل قابل‌اعتماد در مقابل عدم قطعیت‌ها است. بنابراین قصد داریم به کمک روش طراحی بهینه چند موضوعی و ساختار مشارکتی و همچنین روش طراحی مقاوم یک حامل فضایی طراحی نماییم.
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))
بدین منظور در این فصل ابتدا مروری بر فعالیت‌های صورت گرفته در این زمینه خواهیم داشت و در ادامه به معرفی حامل‌ها و انواع آن‌ها می‌پردازیم. سپس توضیحاتی در خصوص طراحی سیستمی بیان می‌شود.
مروری بر فعالیت‌های انجام‌گرفته
با توجه به اینکه در این پایان‌نامه، طراحی حامل با روش طراحی بهینه چند موضوعی با ساختار مشارکتی و ترکیب آن با روش طراحی مقاوم انجام می‌شود، در این بخش سعی شده است فعالیت‌های مرتبط با این حوزه مرور گردد.
اولین بار آقای سیوز بحث بهینه‌سازی چند موضوعی اتفاقی را در سال ۱۹۹۵ مطرح کرد. این مقوله در سال ۱۹۹۸ توسط آقای جیو[۱] مجدداً مطرح شد و ایشان در سال ۱۹۹۹ حل یک مسئله چند موضوعی را ازنظر مقاومت از روش بدترین وضعیت بهبود داد[۱] .به دنبال آن در سال۲۰۰۰ و ۲۰۰۱ مقالاتی در زمینه مسئله چند موضوعی مقاوم توسط کخ [۲]و ماوریس[۳] منتشر شدند[۲, ۳]. چن و همکارانش در سال ۲۰۰۰ [۴]کارهای قبلی خود و سایر پژوهشگران قبلی را در زمینه تلفیق طراحی بهینه چند موضوعی با طراحی مقاوم تکمیل کردند و روشی به نام تحلیل عدم قطعیت یکپارچه زیرسیستم اصلاح‌شده[۴] (MCSSUA) را معرفی کردند که بهبودیافته کارهای قبلی یعنی تحلیل عدم قطعیت یکپارچه زیرسیستم[۵] (CUSSA) بود. چن و همکارانش در سال ۲۰۰۱ [۵] طراحی مقاوم را وارد ساختار بهینه‌سازی مشارکتی کردند و یک ساختار سلسه‌مراتبی[۶] ابداع نمودند که شامل سه سطح سیستم، زیرسیستم، و سطح تحلیل عدم قطعیت می‌شد. آن‌ها گزارش کردند که اگرچه این روش کارآمد است، ولی به دلیل وجود مشکل همگرایی بهینه‌سازی مشارکتی و حساسیت به نقطه شروع در بهینه‌سازی زیرسیستم، در برخی از مسائل با مشکل مواجه می‌شود[۶].
یکی از کارهای ارائه‌شده و قابل دسترس در زمینه طراحی ماهواره‌بر در یک پایان‌نامه دکتری توسط آقای مک کورمیک[۷] در سال ۲۰۰۱ [۷] انجام شده است. در این کار که برای مرکز تحقیقاتی لانگلی انجام شده است، عدم قطعیت با روش احتمالات در طراحی یک ماهواره‌بر چند بار مصرف با روش بهینه‌سازی مشارکتی اعمال شده است. در این پژوهش کار نسبتاً کاملی ازلحاظ مباحث طراحی بهینه چند موضوعی با توجه به نرم‌افزارهای قوی در دسترس محقق انجام شده است. در سال ۲۰۰۶ آقای لینشو[۸] و همکارش بهینه‌سازی مقاوم یک ماهواره‌بر چندمرحله‌ای را انجام دادند. هدف اصلی این مقاله این است که روش تکاملی را برای طراحی مفهومی مقاوم یک ماهواره‌بر با در نظر گرفتن بهینه‌سازی مسیر به کار ببرند. در این روش بهینه‌سازی مقاوم تکاملی، ایده اساسی تعریف یک همسایگی برای یک حل و بنابراین تعیین میانگین و واریانس موضعی یک حل می‌باشد. بنابراین به کمک بهینه‌سازی چند هدفی تکاملی می‌تواند تعاملی بین بهینگی و مقاومت برقرار شود. ساختار مدل‌سازی طراحی بهینه چند موضوعی به‌صورت همه در یک مرحله است و از روش الگوریتم ژنتیک برای بهینه‌سازی استفاده‌شده است. به‌علاوه مدل‌های به‌کاررفته بسیار ساده می‌باشند. به‌عنوان‌مثال برای شبیه‌سازی مسیر از روابط دو درجه آزادی، آیرودینامیک روابط تجربی ساده، وزن روابط آماری و پیشران روابط تحلیلی ساده استفاده‌شده است[۸]. در سال ۲۰۰۷ آقای ماهادوان[۹] و همکارش روشی مجزا[۱۰] برای بهینه‌سازی طراحی چند موضوعی تحت عدم قطعیت ارائه دادند[۹]. در سال ۲۰۰۸ آقای لینشو و همکارانش مقاله‌ای تحت عنوان روش طراحی مقاوم ممکن بر مبنای شبیه‌سازی[۱۱] برای طراحی یک ماهواره‌بر چندمرحله‌ای ارائه کردند. در این مقاله ذکر شده است که در سال‌های اخیر، در مقالات روش‌هایی برای دست یافتن به طراحی مقاوم ارائه شده است اما یا این روش‌ها ازنظر محاسباتی هزینه‌بر هستند یا نیاز به اطلاعات مشتق‌گیری دارند، درحالی‌که اکثر توابع به‌کاررفته در کارهای مختلف شدیداً غیرخطی هستند و یا پیچیده‌اند و دارای ناپیوستگی و نقاط نوک‌تیزند که غیرقابل مشتق‌گیری می‌باشند. در این مقاله، یک روش طراحی مقاوم کارآمد ارائه شده است که حضور عدم قطعیت‌ها را نسبت به سطح مطلوبی از مقاومت مدیریت می‌کند و آن را طراحی مقاوم ممکن[۱۲] نامیده‌اند. از روش بدترین وضعیت سازگاری[۱۳] برای تخمین عدم قطعیت تولیدشده در پیشگویی عملکرد استفاده‌شده است و به‌منظور به دست آوردن تخمین بدترین وضعیت، ماتریس طراحی متعامد مرتبه اول به‌صورت یکپارچه‌شده با الگوریتم ژنتیک به کار گرفته‌شده است. برعکس کارهای انجام‌شده در مقالات قبل، روش ارائه‌شده از اطلاعات مشتق‌گیری استفاده نمی‌کند. در این مقاله نیز از همان مدل‌های ساده به‌کاررفته در مقاله سال ۲۰۰۶ استفاده‌شده است[۱۰]. در سال ۲۰۱۱، آقای زمن[۱۴] و همکارانش مقاله‌ای با عنوان بهینه‌سازی طراحی بر مبنای مقاومت تحت عدم قطعیت در اطلاعات ارائه کرده‌اند[۱۱]. این مقاله فرمول‌بندی و الگوریتمی برای بهینه‌سازی طراحی تحت هر دو نوع عدم قطعیت، شانسی[۱۵] (یعنی تغییرپذیری فیزیکی یا طبیعی) و شناختی[۱۶] (یعنی اطلاعات احتمالی غیردقیق)، از منظر مقاومت سیستم پیشنهاد می‌کند. در این مقاله یک روش مجزا ارائه شده تا طراحی بر مبنای مقاومت را از آنالیز متغیرهای شناختی غیر طراحی برای رسیدن به کارایی محاسباتی جدا کند. روش پیشنهادشده برای مسئله طراحی مرحله فوقانی[۱۷] یک ماهواره‌بر دومرحله‌ای به کار رفته است، که در آن اطلاعات درباره ورودی‌های تصادفی طراحی فقط به‌صورت داده‌هایی پراکنده[۱۸] یا بازه‌ای[۱۹] در دسترس هستند. نظر به اینکه جمع آوری اطلاعات بیشتر عدم قطعیت را کاهش اما هزینه را افزایش می‌دهد، اثر اندازه نمونه روی بهینگی و مقاومت راه‌حل نیز مطالعه شده است. در این مقاله روشی توسعه داده شده است تا اندازه نمونه بهینه را برای تعداد داده‌های پراکنده‌ای که منجر به حلی از مسئله طراحی می‌شوند که کمترین حساسیت به تغییرات در متغیرهای ورودی تصادفی را داشته باشد تعیین کند[۶].
البته درزمینه طراحی مشارکتی با رویکرد چند هدفی آقای ولف[۲۰] در سال ۲۰۰۵ [۱۲] پژوهش‌هایی داشته است. همچنین آقای بالسدنت[۲۱] نیز درزمینه طراحی بهینه چند موضوعی یک حامل در سال ۲۰۱۱ تز دکترای خود را ارائه نموده است[۱۳]. حسینی و همکاران نیز در سال ۲۰۱۱ توانستند یک حامل فضایی دومرحله‌ای را به روش مشارکتی و باهدف کاهش جرم اولیه پرتاب طراحی نمایند[۱۴]. آقای بطالبلو در سال ۲۰۱۳ [۶] نیز عملیات طراحی مقاوم یک ماهواره‌بر سوخت مایع را با احتساب عدم قطعیت انجام داده است.
بنابراین با نگاهی به مراجع مرور شده می توان دریافت که اعمال عدم قطعیت ها در بدو مسیر طراحی مدنظر طراحان قرار گرفته است. همچنین مطالعاتی در زمینه ترکیب طراحی بهینه چند موضوعی و طراحی مقاوم انجام شده است. اما به طور خاص حضور عدم قطعیت ها در ساختار مشارکتی منجر به پیچیده شدن مسیر همگرایی می گردد. در این پایان نامه سعی کردیم با ترفندهایی مسیر همگرایی را بهبود بخشیم.
در ادامه به معرفی موشک حامل و ساختار و نحوه تقسیم‌بندی آن می‌پردازیم.
تعریف موشک حامل
موشکهای حامل عبارتنداز موشک‌هایی که برای حمل یک محموله یا بار مفید از روی زمین به مدار اطراف زمین مورد استفاده قرار می‌گیرند. موشکهای حامل بکار گرفته‌شده تا به امروز از دو مرحله یا بیشتر تشکیل‌شده‌اند. این موشک‌ها برای انجام مأموریت خود به‌صورت عمودی از زمین جداشده و با زاویه صفر درجه نسبت به افق محلی بار محموله خود را در مدار اطراف زمین قرار می‌دهند. شکل۱-۱ شمای موشک حامل سفیر را نشان می‌دهد.
شمای موشک حامل سفیر
تقسیم‌بندی موشکهای حامل
موشکهای حامل در دسته‌ه ای مختلفی تقسیم‌بندی می‌شوند. همان‌طور که از شکل۱-۲ پیداست، موشکهای حامل بر اساس نحوه طراحی، نحوه ترکیب ساختاری، تعداد دفعات استفاده، نوع محموله، محدوده کاربرد و کلاس وزنی به دسته‌ه ای مختلفی تقسیم می‌گردند که هرکدام را به‌اختصار توضیح می‌دهیم.
تقسیم‌بندی موشک حامل[۱۵]
کلاس وزنی موشکهای حامل
موشکهای حامل ازنظر کلاس وزنی به چهار گروه سبک، متوسط، سنگین و فوق سنگین تقسیم می‌شوند. موشکهای حامل کلاس سبک، موشک‌هایی هستند که قابلیت حمل جرم بار محموله آن‌ها به مدار ارتفاع پایین زمین (LEO) کمتر از ۱ تن و موشکهای حامل کلاس متوسط، موشک‌هایی هستند که جرم بار محموله قابلیت حمل جرم بار محموله آن‌ها به مدار ارتفاع پایین زمین بیشتر از ۱ تن و کمتر از ۱۰ تن و موشکهای حامل کلاس سنگین، موشک‌هایی هستند که قابلیت حمل جرم بار محموله آن‌ها به مدار ارتفاع پایین زمین بیشتر از ۱۰ تن و کمتر از ۲۰ تن و موشکهای حامل کلاس فوق سنگین، موشک‌هایی هستند که جرم بار محموله آن‌ها بیشتر از ۲۰ تن باشد.
محدوده کاربردی موشکهای حامل
موشکهای حامل ازنظر محدوده کاربردی به سه دسته طبقه‌بندی می‌شوند. دسته اول دارای محدوده کاربردی نزدیک زمین، دسته دوم دارای محدوده کاربردی بین سیاره‌ای و دسته سوم نیز دارای محدوده کاربردی خارج منظومه شمسی می‌باشند.
بار محموله موشکهای حامل
موشکهای حامل ازنظر نوع بار محموله به دو دسته سرنشین دار و بدون سرنشین تقسیم‌بندی می‌شوند. موشکهای حامل سرنشین دار موشک‌هایی هستند که برای حمل سفاین فضایی باسرنشین از آن‌ها استفاده می‌گردد و در مقابل موشکهای حامل بدون سرنشین برای حمل انواع محموله‌های فضایی بدون سرنشین مورداستفاده قرار می‌گیرند. معمولاً کلاس این نوع موشک‌ها از نوع سنگین و فوق سنگین می‌باشند.
تعداد دفعات مصرف
ازنظر تعداد دفعات مصرف موشکهای حامل به دو دسته یک‌بارمصرف و چند بار مصرف تقسیم‌بندی می‌شوند. معمولاً موشکهای حامل چند بار مصرف دارای این قابلیت هستند که پس از بازیابی به‌صورت کلی یا جزئی دوباره مورداستفاده قرار گیرند. برای مثال موشک حامل سفیر یک‌بارمصرف و شاتل فضایی چند بار مصرف می‌باشد.
نحوه ترکیب ساختاری موشکهای حامل
ترکیب ساختاری موشکهای حامل به تعداد مراحل، نحوه چیدمان مراحل و ساختار مقاومتی سازه موشک حامل برمی‌گردد.
تعداد مراحل
موشکهای حامل امروزی جزء حامل‌های چندمرحله‌ای هستند؛ به‌عبارت‌دیگر تاکنون حداقل مراحل لازم برای رسیدن به‌سرعت و ارتفاع مداری و قرار دادن محموله در مدار، از دو مرحله به بالا بوده است؛ اما تحقیقات برای ساخت حامل‌های تک‌مرحله‌ای انجام‌شده تا شاید بشر بتواند در آینده به فناوری ساخت حامل تک‌مرحله‌ای دست پیدا کند. شکل۱-۳ تأثیر پارامترها بر انتخاب تعداد مراحل حامل فضایی را نشان می‌دهد.
تأثیر پارامترها بر انتخاب تعداد مراحل حامل فضایی
در شکل۱-۴ شمای مأموریتی یک حامل سه مرحله‌ای را می‌بینید.
بلوک های حامل فضایی ساترن
نوع ترکیب موشکهای حامل
ترکیب ساختاری موشک حامل به دو بخش ساختار سری و ساختار خورجینی طبقه‌بندی می‌شود. موشکهای سبک‌تر ساختار سری دارند. در این نوع ساختار باک‌های پیشران روی یکدیگر قرار می‌گیرند و همین مسئله منجر به افزایش طول حامل می‌گردد که مشکلات سازه‌ای را به همراه خواهد داشت. درعین‌حال سادگی، سبکی و کوچک بودن عملگرهای کنترلی از محاسن ساختار سری می‌باشد. در ساختار خورجینی باک‌های پیشران در کنار یکدیگر قرار می‌گیرند به همین دلیل طول موشک کوتاه‌تر می‌گردد. اما مشکلات کنترلی و افزایش قطر موشک را در پی خواهد داشت. در شکل۱-۵ دو موشک با ساختار سری و خورجینی مشاهده می‌شود.
ساختار سری و ساختار خورجینی در موشک حامل
صنایع تولید بخش‌های مختلف حامل فضایی
با توجه به پیچیدگی و گستردگی طراحی و ساخت یک حامل فضایی، متخصصین و مهندسان زیادی در بخش‌های مختلف عملیات طراحی و ساخت را به عهده می‌گیرند. در ادامه به معرفی تعدادی از این بخش‌ها می‌پردازیم.
بخش طراحی و تحقیقات
پس از تعیین مأموریت و ارسال سفارش به صنعت از سوی کارفرما، کار طراحی آغاز می‌گردد. در فاز طراحی مهندسان سیستم، با توجه به محدودیت‌ها و قیود موجود، سعی می‌کنند مناسب‌ترین طرح را استخراج کنند. طراحی به دو صورت امکان‌پذیر است. طراحان در حالت اول بر اساس حامل‌های موجود، حامل متناسب با مأموریت را طراحی می‌نمایند و یا در حالت دوم یک طرح جدید را ارائه می‌کنند. البته حالت اول مرسوم‌تر است و بسیاری از حامل‌های موجود، بر اساس حامل‌های سابق طراحی شده‌اند. پس‌ازاین که طراحی مفهومی انجام شد، طرح کلی اولیه به صنایع مرتبط ارسال شده و هر صنعت موظف است طرح دقیق زیرسیستم مربوطه را ارائه نماید. با توجه به اینکه چهارچوب اصلی حامل در فاز طراحی مفهومی شکل می‌گیرد، انتخاب روش طراحی برای دستیابی به بهینه‌ترین طرح بسیار مهم است. بر این اساس طراحان با توجه به آزادی عملی که در این فاز دارند، متناسب باهدف اصلی و مدنظر کارفرما مثل کاهش هزینه، کاهش جرم اولیه حامل و یا افزایش قابلیت اطمینان روش طراحی را انتخاب می‌کنند.
صنایع موتور
در این بخش با توجه به تراست موردنیاز و ابعاد به‌دست‌آمده از فاز طراحی مفهومی، موتور یا موتورهای متناسب برای حامل طراحی و ساخته می‌شوند و یا از میان موتورهای موجود انتخاب می‌گردند. آنچه در طراحی و یا انتخاب موتورها باید به آن توجه داشت مقدار ضربه ویژه[۲۲] موتور می‌باشد. ضربه ویژه یکی از مشخصات موتور بوده و برابر است با مدت زمانی که یک نیوتون پیشران در موتور مورد نظر بتواند با احتراق خود نیرویی معادل یک نیوتون تولید کند. معمولاً موتورهایی که از پیشران مایع استفاده می‌کنند ضربه ویژه بالاتری نسبت به موتورهای با پیشران جامد دارند.
صنایع سازه
سازه حامل‌های فضایی باید سبک و درعین‌حال مقاوم باشد. در برخی حامل‌ها با توجه به اینکه باک پیشران دراز بوده و قسمت زیادی از حجم حامل را به خود اختصاص می‌دهد، بدنه باک را طوری می‌سازند که دیگر نیازی به استفاده از پوسته نبوده و پوشش باک همان پوشش خارجی حامل است. البته بدیهی است که ابعاد و ضخامت سازه حامل باید به‌گونه‌ای انتخاب شود که در مقابل تنش‌ها و فشارها و همچنین خیز موشک مقاومت کرده و از هم نپاشد.
صنایع پیشران
وظیفه صنایع پیشران تولید پیشران متناسب با نوع سیستم پیشرانش می‌باشد. پیشران‌ها به انواع مختلفی تقسیم‌بندی می‌شوند. پیشران‌های جامد، مایع، هیبرید و هیبرید معکوس از نمونه دسته‌بندی پیشران‌ها هستند.
صنایع هدایت و کنترل
مجموعه قطعات الکتریکی و الکترونیکی و همچنین عملگرهای کنترلی در این قسمت ساخته می‌شوند. کامپیوتر پرواز، ژیروسکوپ‌ها، شتاب سنج‌ها و تجهیزات ناوبری که وظیفه تشخیص موقعیت دقیق موشک را بر عهده دارند، از خروجی‌های این قسمت می‌باشند.
فرم در حال بارگذاری ...
