بخشی از مقاله
چکیده
در این مجموعه سعی میشود تا ضمن بررسی کلی انواع مختلف شبیهسازهاي حرکت وضعی ماهواره، خواننده با اصول کلی حاکم بر طراحی اینگونه شبیهسازها و نیز زیرسیستمهاي آن از جمله یاتاقان هوایی، چرخهاي عکسالعملی، حس گر، باتري، کنترلر مرکزي و سیستم ارسال فرمان آشنا گردد. همچنین در این مجموعه معادلات دینامیکی حاکم بر حرکت استند جهت استخراج الگوي مناسب کنترل استخراج خواهد شد. در نهایت روند ساخت این شبیهساز و کلیه زیرسیستمهاي آن بهصورت مفصل مورد بررسی قرار خواهد گرفت. نکته قابل ذکر آن است که این شبیهساز و کلیه زیرسیستمهاي توسط گروه فنی آزمایشگاه تحقیقات فضایی ساخته شده و هماکنون مورد بهرهبرداري قرار گرفته است.
مقدمه
شبیهسازي حرکت وضعی - Attitude Motion - ماهواره که معمولاً بهمنظور تست الگوریتمهاي کنترلی، صحتسنجی عملکرد زیرسیستمهاي تعیین و کنترل وضعیت ماهواره و یا آموزش دانشجویان و کاربران بهکار میرود، همواره موردتوجه بسیاري از دانشمندان و محققان در زمینه هوافضا بوده است، زیرا از یک طرف اکثر نیروها و گشتاورهاي اغتشاشی وارد بر ماهواره سبب تغییراتی در وضعیت آن میگردند و از سوي دیگر بسیاري از فرامین ارسالی از طرف کاربران به ماهواره نیز جهت ایجاد تغییر در وضعیت آن بهمنظور عکسبرداري از منطقهاي خاص بر روي زمین و یا دریافت و ارسال دادهها است.
شبیهسازهاي حرکت وضعی ماهواره که ما در این مجموعه به اختصار به آنها تستبد - Test-bed - میگوییم، میتوانند حرکت چرخشی بدون قید در راستاي محورهاي مختلف تولید نمایند. یکی از مهمترین قسمتهاي تشکیلدهنده یک شبیهساز کنترل وضعیت ماهواره، یاتاقانهاي هوایی - Air-bearing - هستند. همانطورکه از نام این نوع یاتاقان مشخص است، دو قسمت آن بخشهایی از دو گوي متحدالمرکز هستند که با تلورانس بسیار کمیصیقلی و ماشینکاري شدهاند. در این وسایل، کره اصلی - Sphere - بر روي لایهاي از هوا که بهوسیله بخش دیگر - فنجان - محدود شده است، در سهدرجهآزادي میچرخد.
تست بدها که ترکیبی از یک یاتاقان هوایی بههمراه تعدادي مغناطیسسنج، عملگر و حسگر هستند، بهمنظور بررسی سختافزارهاي تعیین و کنترل وضعیت و توسعه نرمافزارهاي آن در ماهوارهها از حدود شصت سال پیش موردتوجه قرار گرفتند، دقیقاً زمانی که پیشرفتهاي فضایی سرعت زایدالوصفی به خود گرفت. تستبدها ابزارهاي بسیار متنوعی هستند که نمونههاي بسیار پیشرفته آنها را در لابراتوارهاي دولتی و انواع سادهتر آنها را میتوان در تستبدهاي دانشگاهی پیدا کرد.
هدف از مجموعه حاضر، بررسی انواع شبیهسازهاي حرکت وضعی ماهواره و در نهایت ارائه روند طراحی و ساخت یک نمونه سهدرجه آزادي دمبلی شکل از این تجهیزات در آزمایشگاه تحقیقات فضایی است. براي این منظور، معادلات دینامیکی حاکم بر حرکت آن استخراج خواهد شد و نتایج شبیهسازي مفصلاً مورد بررسی خواهد گرفت.
باید گفت، بهدلیل محدودیت-هاي موجود در خرید لوازم و تجهیزات از شرکتهاي خارجی، کلیه زیرسیستمها از قبیل: یاتاقان هوایی کروي Spherical Air- - - bearing، چرخهاي عکسالعملی، راهاندازهاي چرخها - Driver - ، پردازشگر مرکزي - On-board Processor - و ... در آزمایشگاه تحقیقات فضایی طراحی و ساخته شدهاند، که در این مجموعه بهصورت مفصل به روند طراحی و ساخت آنها پرداخته خواهد شد، تا خوانندگان بهصورت جامع و کامل با طراحی جزئی اینگونه شبیهسازها آشنا گردند.
تاریخچه و روند تکاملی از شبیهسازهاي سختافزاري ماهواره
قبل از هر چیز باید بگوییم که راهحلهاي زیادي براي شبیهسازي حرکت یک ماهواره وجود دارد که یاتاقانهاي هوایی و یا بهتر بگوییم تستبدها فقط یک نمونه از آنها هستند. تکنیکهاي کاربردي براي این منظور ممکن است در یک موقعیت خاص بسیار بهتر از بقیه تکنیکها باشد. مثلاً در حالی که روش تست با استفاده از تانکهاي زیر آبی براي تعلیم فضانوردان بسیار مفید است، ولی شناور بودن ماهواره در این روش به شدت محدود میگردد.
وسایل آزمایشگاهی که در آنها یاتاقانهاي هوایی بهکار رفته است، بهمنظور آزمایش بار محموله در شرایط آزادي چرخشی و آزادي انتقالی ساخته شدهاند. هواي فشرده از سوراخهاي ریز موجود در سطح فنجانی شکل یاتاقان عبور کرده و لایه نازکی از هوا میسازد که وزن قسمت متحرك - گوي - را تحمل میکند. لایه هوا هیچگونه تنش برشی را در دو قسمت یاتاقان ایجاد نمیکند، در نتیجه لایه هوا یک روانساز مؤثر است.
ایربیرینگی که بتواند چندین هزار پوند بار را تحمل کند، هواي فشردهاي در حدود 100 psi و فقط با نرخ کمی برحسب متر مکعب بر دقیقه نیاز دارد.
عموماً شبیهسازهاي ماهواره در دو نوع صفحهاي و چرخشی ساخته میشوند که اولی براي حرکت صفحهاي - Planar Motion - و دومی براي حرکت چرخشی - Rotational Motion - استفاده میگردد. نوع صفحهاي داراي کاربردهاي خاص و محدود بوده و نوعاً امروزه موردتوجه قرار نمیگیرد، لذا در این مجموعه به آنها پرداخته نخواهد شد.
اما نوع چرخشی این تجهیزات که هم- اکنون موردتوجه بسیاري از محققان، دانشمندان و مهندسان هوافضا قرار گرفته است، خود به سه دسته تقسیمبندي میگردد که عبارتند از: مدل میزي - Tabletop - ، مدل چتري - Umbrella - و مدل دمبلی . - Dumbbell - - شکل - 1 مدلهاي میزي و چتري داراي آزادي چرخشی کامل حول محور یاو - Yaw - و آزادي مقید و محدود حول محورهاي رول - Roll - و پیچ - Pitch - هستند. براي این نوع مدلها اطلاعات بیش از ده ایربیرینگ کروي مورد استفاده قرار گرفته شده تا سال 1960 وجود دارد. جالب اینجاست که بدانید اغلب این سیستمها که با استفاده از اصول کلاسیک مهندسی و بدون بهره از اطلاعات قبلی پیرامون اینگونه وسایل ساخته شدهاند، با موفقیت مورد آزمایش قرار گرفتهاند.
از جمله مراکزي که داراي این نوع از تجهیزات هستند، میتوان به موارد زیر اشاره کرد: آژانس موشکهاي بالستیک ارتش آمریکا - Army Ballastic Missile Agency, 1959 - ، مرکز تحقیقات ناسا - NASA Ames Research Center, 1960 - ، شرکت مهندسی هوایی گرومن - Grumman Aircraft - Engineering Corporation, 1970، دانشگاه استنفورد - Stanford University, 1975 - ، شرکت لاکهید مارتین - Lockheed - Martin, 1975، دانشگاه یوتا - Utah University, 2001 - ، دانشگاه جورجیا - Georgia University, 2001 - و دانشگاه ویرجینیا . - Virginia University, 2002 - ولی مدل دمبلی داراي آزادي کامل چرخشی حول محورهاي رول و یاو بوده و از آزادي محدود چرخشی حول محور پیچ بهره میبرد.
همانگونه مشخص است مدل دمبلی بهدلیل ایجاد آزادي بدون قید حول دو محور، از مدلهاي میزي و چتري کاملتر بوده و توانایی بسیار بیشتري در شبیهسازي حرکتهاي وضعی ماهوارهها یا فضاپیماها خواهد داشت. از جمله مراکزي که داراي این نوع از تجهیزات هستند، میتوان به موارد زیر اشاره کرد: دانشگاه میشیگان - Michigan University, 1990 - ، مؤسسه صنعتی نیروي دریایی آمریکا - Air Force Institute of Technology, 1999 - و دانشگاه ویرجینیا . - Virginia University, 2002 -
فلوچارت طراحی و معماري سیستم
با توجه به توضیحات داده شده، گروه فنی آزمایشگاه تحقیقات فضایی بر آن شد تا در طول یک برنامهریزي منظم، اقدام به ساخت یک شبیهساز حرکت وضعی ماهواره از نوع دمبلی - شکل - 2 نماید. این تستبد بایستی داراي آزادي چرخشی کامل حول دو محور یاو و رول بوده و از امکان چرخش بهمیزان ±30 درجه را در راستاي محور پیچ بهره میجست. براي این منظور ابتدا نمونههاي موجود از این ابزار در مؤسسات مختلف مورد بررسی قرار گرفت و شماي کلی حاکم بر طراحی کل سیستم و هر یک از زیرسیستمها بهطور مجزا استخراج گردید.
سپس نیازمنديها و محدودیتهاي موجود بر سر راه طراحی و ساخت هریک از قطعات شناسایی گردیده و سه چرخ عکسالعملی - Reaction Wheel - بهعنوان عمل گرهاي کنترلی سیستم درنظر گرفته شدند. آنگاه بهمنظور درنظر گرفتن همه جوانب در مسیر طراحی و ساخت، ماتریس ارتباط زیرسیستمهاي مختلف با یکدیگر بهدست آمد. استخراج معادلات دینامیکی حاکم بر حرکت شبیهساز و ارائه یک الگوریتم کنترلی مناسب جهت اجراي فرامین صادره مرحله بعدي فرایند ساخت این مجموعه بود. در نهایت با توجه به نیازها، الزامات و محدودیتهاي موجود، هر یک از زیرسیستمها ساخته شد و بر روي سازه یاتاقان هوایی سوار گردید.
پس از انجام عملیات بالانس، تستهاي لازم جهت ارزیابی عملکرد سیستم انجام پذیرفت و اصلاحات نهایی بر روي آن صورت گرفت. در نهایت باید گفت، فلوچارتی که براي طراحی این سیستم درنظر گرفته شده، بهصورت خلاصه و شماتیک در - شکل - 3 آمده است. همچنین معماري سیستم و نحوه فرماندهی آن در - شکل - 4 بهوضوح نشان داده شده است. در این شکل، خطهاي پررنگ نماینده کابلهاي اطلاعاتی - Data - و خطهاي نقطهچین نماینده کابلهاي انتقال توان الکتریکی - Power - هستند.
