بخشی از مقاله
خلاصه
طراحی سازه میکروماهواره پروسه پیچیدهای است که شامل انتخاب مواد، شکل سازه و تحلیل سازه و تستهای 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 تحلیل های استاتیک، دینامیک و مودال بر روی چهارچوبهای معتبر پیشنهادی برای سازه میکروماهواره اجرا شده و مصالحه بین طرحهای پیشنهادی انجام شدهاست. در ادامه بعد از تحلیل المان محدود مجموعه مونتاژی سازه، طرح بهینه هندسی با تغییرات ابعاد هندسی و با بهینه کردن آن از طریق آنالیز دادههای خروجی از نرم افزار ارائه شدهاست.
نتایج نشان میدهند که در اکثر بارگذاریها تنشها در قطعات اصلی بسیار کمتر از حد تسلیم مواد آنها میباشد، با توجه به اینکه عمده صلبیت سازه تحت کنترل ستونها و قاب اصلی بوده و با کاهش وزن این اجزا صلبیت مجموعه دچار مخاطره میشود، این قطعات کمی مستحکمتر شدند. ولی ستونهای کمکی و صفحه پایینی مورد بازبینی قرار گرفتند و درصدی از وزن آنها با اصلاح هندسه کاهش پیدا کرد تا سطح تنشها در این قطعات افزایش یابند.
.1 مقدمه
طراحی سازه میکروماهواره پروسه پیچیدهای است که شامل انتخاب مواد، شکل سازه و تحلیل سازه و تستهای مربوطه میباشد. قسمتهای اصلی میکروماهوارهها از دو بخش تشکیل میگردند: سیستمهای الکتریکی وسیستمهای مکانیکی. از طرف دیگر در طراحی سازه باید طراحی قطعات و تجهیزات زیر سیستمها نیز در نظر گرفته شود. مهمترین مرحله طراحی سازه میکروماهوارهها 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 میباشد. البته طراحی زیر سیستمها از قبیل کنترل دما، ترکیبات و اجزای بصری و تجهیزات تصویری، تجهیزات الکترونیکی و قطعات مکانیکی را نیز باید درنظر گرفت.
بطورکلی سازه میکرو ماهوارهها به دو قسمت تقسیم می شود: -1 سازه اولیه یا اصلی که شامل سازه خرپا شکل است که بارهای اصلی برروی آنها انتقال پیدا میکند. اگر این قسمت از سازه از بین رود در واقع تمامی سازه از بین رفته و دیگر کارایی خودرا از دست میدهد. -2 سازه ثانویه که شامل صفحه جاذب انرژی خورشیدی و متعلقات دیگر که دراثر از بین رفتن سازه اصلی از بین نمیرود، ولی اختلال در روند ماموریت میکروماهواره ایجاد میکنند. 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 بگونهای باشد که کمترین هزینه و بیشترین بهرهوروی 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. ورودی های طراحی شامل ابعاد کلی 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 میگردد. ضمنا اثر شتاب و مرکز ثقل را باید حتما مورد بررسی قرارداده و در اکثر موارد ضریب طراحی را 2 قرار میدهیم.
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 مدول های مختلف، بررسی جانمایی خطوط یا میله های سازهای 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 ایدهآل 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 شدهاند. هر چند که قسمتهای مختلفی از سازه از سلول خورشیدی پوشیده شده، اما نحوه چیدمان، اتصالات و رابط ها در جهت صفحات یا به عبارتی مدولها متمرکز شده تا فرآیند طراحی آسانتر گردد. ب- صفحات آلومینیمی 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 سلول های خورشیدی وصل میگردد که در این حالت بازرسی آسان امکان پذیر میگردد. ج- ورقهای آلومینیمی که به سازه اصلی مونتاژ می شوند و فضای خالی میان آنها دسترسی را آسانتر میکند. یکی از بهترین ماده جهت استحکام و کیفیت استفاده از آلیاژ آلومینیم T6-6061 میباشد. 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 میگیرد 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 میشود.
در این قسمت برای مطالعه آماری چند میکروماهواره معتبر جهانی به اختصار معرفی می شوند. میکروماهواره :SDS-1 سریهای استفاده کننده از این نوع تکنولوژی گام مهمی را در بالابردن کیفیت این نوع میکرو ماهوارهها در موسسه تحقیقاتی ژاپن برداشته است. شکل آن شبیه جعبه میباشد که طراحی آن منحصر به فرد و در انحصار همین موسسه می-باشد.
انرژی آن توسط 2 پانل خورشیدی تامین میگردد. میکروماهواره :ST5 هدف از ساخت این میکرو ماهواره بررسی اثرات تشعشعات خورشید برروی میدان مغناطیسی زمین میباشد. میکروماهواره :TAIKI ماموریت این ماهواره تصویربرداری درجهت کاربردهای کشاورزی با استفاده از طیف های متفاوت نوری میباشد. تصویربرداری و فیلم برداری با کیفیت بسیار بالا توسط دوربین تعبیه شده صورت میپذیرد.
میکروماهواره :SUNSAT این محصول توسط دانشگاه استلن بوش از کشور آفرقای جنوبی جهت هدفهای تحقیقاتی طراحی شده است. میکروماهواره :BUAA این میکرو ماهواره توسط دانشگاه بی هانگ از کشور چین توسط محققان طراحی شده است. این میکروماهواره دارای ساختاری شامل نه صفحه و هشت 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 شدهاست.
میکروماهواره :ZASat-002 این محصول توسط دانشگاه استلن بوش از کشور آفریقای جنوبی جهت هدفهای تحقیقاتی ساخته شدهاست و دارای سیستم کنترل دما بصورت پسیو میباشد. میکروماهواره :TUBSAT سازه میکروماهواره از جنس آلیاژ آلومینیم و دارای دوطبقه فوقانی و زیرین میباشد. میکروماهواره :Rstar ماموریت این ماهواره بررسی جاذبه کره ماه و تصویربرداری از آن میباشد. میکروماهواره Youth :Sat/IMS-1A این میکروماهواره توسط دانشجویان و دانشمندان روسی و هندی با کاربری تصویربرداری-تحقیقاتی ساخته شدهاست.
میکروماهواره :AlSAT-1 این میکروماهواره از سری میکروماهوارههایی است که ماموریت آنها شامل هیدرولوژی و تصویربرداری از وضعیت جغرافیایی کره زمین و کاوشهای زیست محیطی میباشد. میکروماهواره QSat-:EOS این میکروماهواره توسط دانشگاه کایوشو 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 میباشد.
میکروماهواره :FalconSat-3 این میکروماهواره توسط آکادمی نیروی هوایی آمریکا ساخته شده و محصول کشور آمریکا میباشد که اهداف آن بررسی جاذبه زمین و امواج الکترومغناطیسی با کاربری تصویر برداری میباشد و درسال 2011 به فضا پرتاب شد. میکروماهواره FedSat - Federation :Satellite - این میکروماهواره محصول دانشگاه استرالیای جنوبی میباشد. هدف از ساخت این محموله بررسی نقاط دور و مختلف کل کشور جهت بدست آوردن محیط زیست مناسب و پایدار جهت احداث صنایع، تاسیسات، سازمان های 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 میگردند. 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 تحلیل های استاتیک، دینامیک و مودال بر روی چهارچوبهای معتبر پیشنهادی برای سازه میکروماهواره اجرا شده است. در ادامه تحلیل های مکانیکی بر روی مجموعه مونتاژی میکروماهواره انجام شدهاند.ا
