بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله به بررسی و طراحی مکانیزمهای سنجش عملکرد سیستم پیشرانش میکرو ماهواره پرداخته میشود. اهمیت به کارگیری میکرو ماهواره و لزوم اطمینان از کارایی مناسب در فضا، نیاز به طراحی مکانیزمی برای سنجش کارایی آن را ایجاد میکند. این موضوع در دو دهه اخیر اهمیت بسیار زیادی در حوزه علوم فضا پیدا کرده و روشهای متفاوتی برای انجام آن پیشنهاد و به کارگیری شدهاست. هدف این نوشتار مقایسهای بین روشهای مختلف اندازهگیری، انتخاب گزینه مناسب برای عملکرد خاص موردنظر و در نهایت تشریح عملکرد مکانیزم سنجش به صورت مقدماتی در جهت پیادهسازی و عملیاتی شدن آن است.
.1 مقدمه
امروزه در جهت اکتشاف و دستیابی به منابع فضای خارج از جو زمین، توسعه ابزارهایی مانند میکرو ماهواره با سیستمهای پیشرانشی مختلف در کاربردهای نجوم و تعمیرات، کنترل ارتفاع، چرخشهای مداری و.. به کارگیری میشوند. برای رسیدن به کارایی مناسب، نیاز است تا کارکرد سیستم در محیط مشابه شرایط واقعی سنجیده شود، بدین منظور طراحی و ساخت مکانیزم اندازهگیری شاخصهای مهم کاری با دقت و صحت کافی، موضوع اجتنابناپذیری در این زمینه تلقی میشود.
در مسیر دستیابی به این موضوع نیاز است تا تمام مکانیزمهای موجود بررسی و مناسبترین نوع آن با توجه به اهداف تعیین شده، انتخاب و بررسیهای لازم در مورد جزئیات عملکردی آن و عوامل ایجاد خطا در رسیدن به پاسخهای دقیق مشخص شود تا با تحلیل، حذف و کوچک کردن تاثیر این عوامل، خروجی سیستم طراحی شده به واقعیت عملیاتی نزدیک شود.
.2 شرح
میکرو ماهواره، ماهواره کوچک*با استفاده معمول به صورت گروهی، وزن خیس - همراه سوخت - بین 10 تا 100 کیلوگرم داشته و ابعاد آن به صورت تقریبی از 50*50*50 cm3 تجاوز نمیکند. سیستم پیشرانش ماهواره شامل هر سیستمی است که بتواند باعث شتابدهی به ماهواره شود. پرتاب از زمین محموله و انتقال آن به مدار موردنظر، به همراه تامین نیروی لازم برای کنترل ارتفاع و تصحیح مدار بر عهده این قسمت از ماهواره است.به همین دلیل یکی از چالشهای علمی محققان این زمینه، تحلیل عملکرد میکرو ماهواره از طریق شناخت الگوی نیروی رانش تولیدی در طول زمان کاری است که توجه تعداد زیادی از مراکز تحقیقاتی برای طراحی، ساخت و آزمایش ایستگاه و محیطی خاص در جهت تامین این هدف را جلب کردهاست.
اندازهگیری نیروی رانشی تولیدی در مقیاس میکرو و نانو نیوتن برای اندازهگیری و تحلیل عملکرد میکروماهواره، باعث طراحی تعداد زیادی سکوی تست نیروی رانش با توجه به انواع پیشرانههای مختلف مورد استفاده در موسسات و کشورهای مختلف شدهاست. اولین نمونه قادر به اندازهگیری نیرو در محدوده میکرو نیوتن در پروژه آقای Stark et alدر دهه 1970معرفی شد که این طراحی برای اندازهگیری نیروی موتور با محدوده 5 μ N تا 200 mN به کار میرفت. پس از آن طرحهای زیادی با هدف دستیابی به دقت بالاتر اندازهگیری نیرو در محدوده پایینتر صورت گرفت. در این مسیر محدودیت-های فنی متعددی در طراحی و عملکرد مناسب این سیستمها مانند تطابق استحکام سازهای، اندازهگیری حساسیتها و وجود نویز ذاتی در محیط اطراف دستگاه که میتواند کل حرکت را متاثر بسازد.
به طور کلی برای اندازهگیری نیروهای در مقیاس میکرو روشهای مختلفی پیشنهاد شدهاست و میتوان آنها را به دو گروه عمده اندازهگیری به روش مستقیم و اندازهگیری به صورت غیر مستقیم تقسیمبندی کرد که مورد اول خود به دو زیر مجموعه استفاده از بالانس پیچشی و پاندول پیچشی تقسیمبندی میشود. در مورد اندازهگیری غیر مستقیم نیز روشهای متعددی وجود دارد که بیشتر با عنوان سیستم تداخل لیزری شناخته میشود.
در روش تداخل لیزری مشابه یک ترازوی کفهای، با مقایسه و ایجاد تداخل بین مقادیر معلوم - نور مستقیم با دامنه و فرکانس مشخص - و مجهول - نور بازتابی از کریستال تحت اثر نیروی رانش - مقدار پارامتر موردنظر - مقدار جابجایی حاصل از نیروی رانش - ارزیابی میشود.
آونگ آویزان دارای طراحی ساده مبتنی بر نیروی بازگرداننده گرانشی است که در زمان اعمال نیروی خارجی به واسطه آن پایداری مکانیزم تامین میشود. اما این پایداری باعث ایجاد هزینه و مشکل در بحث حساسیت سیستم میشود و ایده افزایش طول بازوی آونگ برای بهبود حساسیت در محفظههای کوچک آزمایش خلا معمولا غیر عملی است.
سکوهای مبتنی بر آونگ معکوس نسبت به آونگهای آویزان پایداری کمتری اما حساسیت اندازهگیری بیشتری دارند و در بازه بزرگتری از نسبتهای نیروی تراست تولیدی به وزن کار میکنند. در واقع بین داشتن حساسیت بالاتر و پایداری بیشتر سیستم موازنه وجود دارد، چرا که پایداری آن تابع سختی یاتاقانهای حمایتکنندهای است که خود روی دوره و میزان نوسان مکانیزم اثرگذار هستند. این مکانیزم توانایی ارزیابی بالاترین حساسیت را در بالاترین سطح نسبت به سایر سیستمهای ارزیابی دارد. جدول 1 برخی از مشخصات عملکردی مربوط به شیوههای مختلف اندازهگیری نیروی رانش را با یکدیگر مقایسه کردهاست:
جدول -1 مقایسه مشخصههای کاری شیوههای مختلف اندازهگیری نیروی رانش میکرو ماهواره
برای انتخاب یک شیوه برای عملیاتی شدن نیاز به بررسی فاکتورهای عملکردی آنها با یکدیگر وجود دارد. این فاکتورها شامل دقت، صحت، محدوده اندازهگیری، رزولوشن، قابلیت تکرار پذیری، انحراف معیار، هندسه دستگاه، منابع خطا، در دسترس بودن ابزار، سهولت و آسانی ساخت و کالیبراسیون، هزینه و ... است.
با در نظر گرفتن کلیه اهداف تعیین شده بنظر میرسد به کارگیری سیستم اندازهگیری نیرو با استفاده از آونگ پیچشی، میتواند گزینه مناسبی باشد. چرا که علاوه بر سادگی ساخت و دارا بودن دقت مناسب، میتواند در محدوده گستردهای از نیروها و برای تقریبا تمام پیشرانههای مطرح و معمول به کارگیری شود. از طرف دیگر محیط و الزامات مورد نیاز برای کارکرد مناسب آن، قابل دستیابی و تامین شدن در شرایط کاری موجود میباشد.
