بخشی از مقاله
خلاصه
طراحی سازه میکروماهواره پروسه پیچیده ای است که شامل انتخاب مواد، شکل سازه و تحلیل سازه و تست های مربوطه میباشد. مهمترین مرحله طراحی سازه میکروماهوارهها در مرحله اول پایداری و استقامت آن در برابر بارهای احتمالی و نیروهای احتمالی ناشی از محیط پرتاب از قبیل شتاب و نیروهای صوتی و تغییرات دمایی شدید و ... میباشد. در این پژوهش پس از انتخاب جنس مناسب مواد، آنالیز المان محدود مکانیکی شامل تحلیلهای استاتیک، دینامیک و مودال بر روی چارچوبهای معتبر پیشنهادی برای سازه میکروماهواره اجرا شده و مصالحه بین طرحهای پیشنهادی انجام شده است. نتایج نشان میدهند که در اکثر بارگذاریها تنش ها در قطعات اصلی بسیار کمتر از حد تسلیم مواد آنها می باشد.
.1 مقدمه
طراحی سازه میکروماهواره پروسه پیچیده ای است که شامل انتخاب مواد، شکل سازه و تحلیل سازه و تست های مربوطه می باشد. قسمت های اصلی میکروماهواره ها از دو بخش تشکیل می گردند: سیستمهای الکتریکی و مکانیکی. از طرف دیگر در طراحی سازه باید طراحی قطعات و تجهیزات زیر سیستم ها نیز در نظر گرفته شود. مهمترین مرحله طراحی سازه میکروماهواره ها در مرحله اول پایداری و استقامت آن در برابر بارها و نیروهای احتمالی ناشی از محیط پرتاب از قبیل شتاب و نیروهای صوتی و تغییرات دمایی شدید می باشد. البته طراحی زیر سیستم ها از قبیل کنترل دما، ترکیبات و اجزای بصری و تجهیزات تصویری، تجهیزات الکترونیکی و قطعات مکانیکی را نیز باید درنظر گرفت.
بطورکلی سازه میکرو ماهواره ها به دو قسمت تقسیم می شود: -1 سازه اولیه یا اصلی که شامل سازه خرپا شکل است که بارهای اصلی برروی آنها انتقال پیدا می کند. اگر این قسمت از سازه از بین رود در واقع تمامی سازه از بین رفته و دیگر کارایی خودرا ازدست می دهد. -2 سازه ثانویه که شامل صفحه جاذب انرژی خورشیدی و متعلقات دیگر که دراثر از بین رفتن سازه اصلی از بین نمی رود، ولی اختلال در روند ماموریت میکروماهواره ایجاد می کنند. ذکر این نکته مهم است که نوع ماموریت ماهواره و زمان و عملکرد و هدف آن نقشی تعیین کننده در طراحی سازه میکروماهواره دارد.
بطور کلی طراحی سازه باید بگونه ای باشد که کمترین هزینه و بیشترین بهره وروی و کمترین وزن و دسترسی آسان به قطعات و تجهیزات را داشته باشیم. به عبارتی تعویض و جانمایی قطعات بایستی در دسترس و به آسانی صورت پذیرد. جهت طراحی خوب و با دقت بالا موارد زیر بایستی در نظر گرفته شود: اطلاعات کافی از شرایط پرتاب و همچنین لحظه در مدار بودن، المانهای مختلف سازه، با کارکردهای مختلف در نقاط و شرایط مختلف، زیرسیستمها و مدولهای مختلف و دسترسی آسان و مونتاژ راحت، آنالیز سازه بصورت همزمان استاتیکی، دینامیکی، مودال و ترمو الاستیکی، مسائل مربوط به آن و بررسی و تجزیه و تحلیل سازه اولیه و ثانویه، و آنالیز دمایی سازه.
ورودیهای طراحی شامل ابعادکلی ماهواره، شتاب، دمای محیطی، ضوابط طراحی، ارتعاشات و شوک ها، هدف از ساخت میکرو ماهواره، فاصله از زمین و ... هستند. خروجیهای طراحی شامل نیروها، حرکت ها، دما و حرارت، جرم و ابعاد، مقاومت در برابر ضربه، اتلاف و جذب ارتعاشات و مکان های بارگذاری و ... هستند. با توجه به موارد فوق الذکر بزرگترین تنش مشخص میگردد و از آنجا ماکزیمم کرنش با استفاده از روش المان محدود مشخص می گردد. ضمنا اثر شتاب و مرکز ثقل را باید حتما مورد بررسی قرارداده و در اکثر موارد ضریب طراحی را 2 قرار می دهیم.
در طراحی بدنه سازه کلیه موارد زیر را باید در نظر گرفت: قسمت کنترل دما، کنترل موقعیت، پنل خورشیدی، دسترسی آسان به بازرسی تمامی صفحات یا مدولهای مختلف، بررسی جانمایی خطوط یا میله های سازه ای و مرکز ثقل سازه و مرکز سطح آن. در بررسی مقاومت سازه باید حجم یکپارچه و مدولار را در نظر گرفته و در چندین مرحله اتصالات و متعلقات به آن را اضافه نمود و در مراحل مختلف عمل و عکس العمل را مشاهده کرده و در نتیجه به یک محفظه و حجم ایده آل رسید.
بطورکلی سازه میکروماهواره به قسمتهای مختلف زیر تقسیم می گردند:
الف- جعبه دورتا دور سازه: این سازه با لایه های مختلفی از آلومینیم تشکیل می گردد که این صفحات همه به هم قفل شده اند. هر چند که قسمتهای مختلفی از سازه از سلول خورشیدی پوشیده شده، اما نحوه چیدمان، اتصالات و رابطها در جهت صفحات یا به عبارتی مدولها متمرکز شده تا فرایند طراحی آسانتر گردد.
ب- صفحات آلومینیکی چند لایه و میله های متصل شده به قسمت اصلی سازه: صفحات اصلی در تمامی سطح آلومینیمی پوشیده شده و با میله های آلومینیمی به هم وصل شده است. اتاقک به صفحات و سلولهای خورشیدی وصل می گردد که در این حالت بازرسی آسان امکان پذیر می گردد.
ج- ورقهای آلومینیمی که به سازه اصلی مونتاژ می شوند و فضای خالی میان آنها دسترسی را آسانتر می کند. یکی از بهترین ماده جهت استحکام و کیفیت استفاده از آلیاژ آلومینیم T6-6061 می باشد.
اتصالات از جنس آلیاژ آلومینیم T73-7075 بسیار خوب می باشد. در راستای تحلیل استحکامی شتاب و بیشترین شتاب محوری و جانبی و فرکانس طبیعی در همه جهات و ماکزیمم آنها مورد تحلیل قرارمی گیرد. آنالیز بیشترین تنش ها در مرحله پرتاب باید بطور دقیق مورد بررسی قرار گیرد.
آنالیز شتاب وارد بر قطعات داخلی و نحوه بارگذاری در تحلیل ارتعاشات تصادفی و فرکانس های طبیعی ماهواره بطور دقیق مورد ارزیابی قرار می گیرد که در نرم افزار ANSYS و دیگر نرم افزارهای تحلیل اجزاء محدود قابل دستیابی است. بعد از تحلیل المان محدود مجموعه مونتاژی سازه، طرح بهینه هندسی با تغییرات ابعاد هندسی و با بهینه کردن آن از طریق آنالیز داده های خروجی از نرم افزار ارائه می شود.
در این قسمت برای مطالعه آماری چند میکروماهواره معتبر جهانی به اختصار معرفی می شوند .
میکروماهواره :SDS-1 سری های استفاده کننده از این نوع تکنولوژی گام مهمی را در بالابردن کیفیت این نوع میکرو ماهواره ها در موسسه تحقیقاتی ژاپن برداشته است. شکل آن شبیه جعبه می باشد که طراحی آن منحصر به فرد و در انحصار همین موسسه می باشد. انرژی آن توسط 2 پانل خورشیدی تامین می گردد.
میکروماهواره :ST5 هدف از ساخت این میکرو ماهواره بررسی اثرات تشعشعات خورشید برروی میدان مغناطیسی زمین می باشد.
میکروماهواره :TAIKI ماموریت این ماهواره تصویربرداری درجهت کاربردهای کشاورزی با استفاده از طیف های متفاوت نوری می باشد. تصویربرداری و فیلم برداری با کیفیت بسیار بالا توسط دوربین تعبیه شده صورت می پذیرد.
میکروماهواره :SUNSAT این محصول توسط دانشگاه Stellenbosch از کشور آفرقای جنوبی جهت هدفهای تحقیقاتی طراحی شده است. میکروماهواره :BUAA این میکرو ماهواره توسط دانشگاه Beihang از کشور چین توسط محققان طراحی شده است. این میکروماهواره دارای ساختاری شامل 9 صفحه و 8 میله استحکامی است. این سازه از آلومینیم که بسیار کم هزینه و از مقاومت و استحکام بسیار خوبی برخوردار است ساخته شده است. ساختار جانبی زیر سیستم آن از تیرهای طولی و میله های قفل شده انتهایی به هم که سبب تقویت سازه شده تشکیل شده است.
میکروماهواره :ZASat-002 این محصول توسط دانشگاه Stellenbosch از کشور آفریقای جنوبی جهت هدفهای تحقیقاتی ساخته شده است و دارای سیستم کنترل دما بصورت پسیو می باشد.
میکروماهواره :TUBSAT سازه میکروماهواره از جنس آلیاژآلومینیم و دارای دوطبقه فوقانی و زیرین می باشد.
میکروماهواره :Rstar ماموریت این ماهواره بررسی جاذبه کره ماه و تصویربرداری از آن می باشد.
میکروماهواره :YouthSat / IMS-1A این میکروماهواره توسط دانشجویان و دانشمندان روسی و هندی با کاربری تصویربرداری-تحقیقاتی ساخته شده است.
میکروماهواره :AlSAT-1 این میکروماهواره از سری میکروماهواره هایی است که ماموریت آنها شامل هیدرولوژی و تصویربرداری از وضعیت جغرافیایی کره زمین و کاوشهای زیست محیطی می باشد.
میکروماهواره :QSat-EOS این میکروماهواره توسط دانشگاه Kyushu از کشور ژاپن ساخته شده که کاربردهای زیر را دارد: بررسی و تصویربرداری از خسارات طبیعی کره زمین، بررسی و تصویر برداری از میدان مغناطیسی زمین، تصویربرداری بخار آب بالای جو. بدنه این ماهواره از آلیاژهای آلومینیم می باشد.
میکروماهواره :FalconSat-3 این میکروماهواره توسط United States Air Force Academy ساخته شده و محصول کشور آمریکا می باشد که اهداف آن بررسی جاذبه زمین و امواج الکترومغناطیسی با کاربری تصویر برداری می باشد و درسال 2011 به فضا پرتاب شد.
میکروماهواره :FedSat - Federation Satellite - این میکروماهواره محصول دانشگاه South Australia کشور استرالیا می باشد.
هدف از ساخت این محموله بررسی نقاط دور و مختلف کل کشور جهت بدست آوردن محیط زیست مناسب و پایدار جهت احداث صنایع، تاسیسات، سازمانهای دولتی و دانشگاهها است.
در این پژوهش با توجه به موارد مطرح شده جهت طراحی نسبتا خوب در ابتدا شرایط محیطی لحظه پرتاب و در پی آن پارامترهای ورودی طراحی مشخص می گردند. مرحله بعد انتخاب جنس مواد است که مواد متداول مورد استفاده در صنعت ساخت میکروماهواره بطور کلی مورد بررسی قرار گرفته و در نتیجه بنا به شرایط محیطی لحظه پرتاب و استقرار، مواد انتخاب خواهند شد. سپس شرایط به روش المان محدود در نرم افزار ANSYS مدل خواهد شد. آنالیز المان محدود مکانیکی شامل تحلیلهای استاتیک، دینامیک و مودال بر روی چارچوبهای معتبر پیشنهادی برای سازه میکروماهواره اجرا شده است. سه سازه پیشنهادی برای سازه میکروماهواره در شکل 1 نشان داده شده اند. مصالحه کمی بین طرح های پیشنهادی بر اساس نتایج تنش، کرنش، فرکانس طبیعی و جرم سازه انجام شده است.
شکل - 1 سه طرح پیشنهادی برای سازه میکروماهواره
