زیرسیستم تأمین انرژی یکی از اصلی ترین زیرمجموعه های ماهواره هست
که وظیفه تأمین انرژی الکتریکی مورد نیاز برای تجهیزات ماهواره، تنظیم کننده ولتاژ در ماهواره و محافظت الکتریکی از بار محموله را برعهده دارد.
برای طراحی این زیرسیستم با استفاده از بخش طراحی آماری، نوع و جرم آرایه خورشیدی و باتری را مشخص می کنیم.
شکل 1 الگوریتم طراحی این زیرسیستم را نشان می دهد
با توجه به پایگاه داده در بخش طراحی آماری به دست آمده هست،
نمودار جرم خشک بر توان را رسم می کنیم و از روی نمودار توان کل ماهواره محاسبه می شود.
برای محاسبه ی جرم این زیرمجموعه می توان با استفاده از گزارش طراحی آماری،
توسط درصد هایی که در مرجع« space Mission Engineering» مشخص شده است یا از طریق پایگاه داده محاسبه شود.
در این بخش توسط مراحل زیر نوع و جرم آرایه خورشیدی را تعیین می کنیم.
با استفاده از رابطه 1 ابتدا x محاسبه می شود و بعد در رابطه 2 جایگذاری می شود 2a ,
که زاویه ماهواره در سایه هست، محاسبه می شود و بعد با استفاده از رابطه 3 و دوره تناوب, Te زمان سایه محاسبه می شود
که این مقدار را در طراحی مدار هم به دست آوردیم.
میزان انرژی که باید با آرایة خورشیدی، در زمان تابش تولید شود، از رابطه 5 محاسبه می گردد.
که در آن ضریب اتلاف انرژی شبکه است که مقدار آن برابر با 98.0 می باشد.
ضریب سایه است که از رابطه 4 محاسبه می شود. ضریب استهلاک باتری های خورشیدی است
که مقدار آن برابر 15.0 می باشد و زاویه تابش به آرایه خورشیدی است که مقدار آن برابر 5.23 درجه می باشد.
T عمر ماهواره می باشد.w توان ماهواره می باشد.
برای یک ماهواره ژئو در ابتدا نوع آرایه را سیلیکونی انتخاب کردیم، با استفاده از جدول زیر ضریب بازدهی را 14 درصد در نظر می گیریم
و ثابت تشعشعی خورشیدی است. ازرابطه 6 می توان انرژی که این آرایه ها از خورشید دریافت می کنند را محاسبه کرد.
نوع سلول | سیلیکون | گالیم ارسناید | ایندیم فسفات |
بازده تئوری سلول صفحه ای | 18% | 23% | 22% |
بازدهی محقق شده | 14% | 18% | 19% |
مدت زمان لازم برای افت 15%(سال) | 1 | 33 | 155 |
2 | 6 | 89 |
مقدار انرژی بر واحد سطح در ابتدای مأموریت از رابطه 7 بدست می آید
افت کیفی آرایه در طی مأموریت است که شامل موارد زیر می شود :
با توجه به اینکه برای ماهواره ژئو نوع آرایه را سیلیکون انتخاب کردیم،
با استفاده از جدول زیر مقادیر افت سلولی برای سلول های خورشیدی برابر با 75.3 درصد است.
نوع سلول | میزان افت سالیانه (درصد) |
سیلیکون | 3.75 |
گالیم –ارسناید | 2.75 |
ایندیم فسفات | 1.5 |
با استفاده از رابطه 8 و 7 توانایی تولید انرژی آرایه در انتهای مأموریت از رابطه 9 محاسبه می شود.
مقدار توان تولیدی توسط آرایه خورشیدی برحسب توان از رابطه 10 محاسبه می شود.
مدت زمان سایه و مدت زمان روشنایی بر حسب دقیقه است.
توان مورد نیاز در طول سایه و توان مورد نیاز در طول دوره روشنایی است.
کارایی مسیر آرایه به مصرف کننده از طریق باتری ها برابر مقدار ثابت 6.0 است.
کارایی مسیر از آرایه به مصرف کننده به طور مستقیم برابر مقدار ثابت 8.0 است
و Asa میزان سطح موردنیاز برای آرایه خورشیدی هست که از رابطه 11 محاسبه می شود.
برای تعیین جرم آرایه از مرجع «برخی ملاحضات در انتخاب سیستم پایدار سازی و کنترل وضعیت ماهواره» استفاده می کنیم.
چگالی سطحی و چگالی عملکردی است که از جدول زیر استخراج می شود.
نوع سلول | سیلیکون | گالیم آرسناید | ایندیم فسفات |
چگالی سطحی | 0.23 | 0.3 | – |
چگالی عملکردی | 112 |
مراحل را یک بار دیگر برای آرایه گالیم آرسناید و ایندیم فسفات تکرار می کنیم.
با توجه به اینکه جرم آرایه ها باید کمتر از جرم زیرسیستم که در طراحی آماری به دست آوردیم، باشد،
یک آرایه را انتخاب می کنیم اما برای ماهواره نمونه چون بیشتر ماهواره مخابراتی زمین آهنگ دارای آرایه گالیم آرسناید هستند،
آرایه گالیم آرسناید را انتخاب می کنیم.
در جدول زیر مشخصات آرایه گالیم آرسناید ، برای ماهواره نمونه را نشان می دهد.
برآورد میزان انرژی گرفته شده ازآن | |
محاسبه توانایی تولید قدرت در ابتدای مأموریت | |
محاسبه افت کیفیت | |
محاسبه توانایی تولید انرژی آرایه در انتهای مأموریت | |
تخمین میزان سطح مورد نیاز برای آرایه خورشیدی | |
محاسبة میزان جرم آرایه خورشیدی |
در این مرحله توسط ظرفیت باتری جرم باتری را محاسبه می کنیم.
ظرفیت باتری مورد نیاز از رابطه 13 محاسبه می شود که در آن Ncمقدار متوسط مصرف انرژی در واحد زمان قرار گیری ماهواره در سایه زمین،
ضریب اتلاف انرژی الکتریکی که برابر با 9 است. ضریب دشارژ باتری های شیمیای،
این ضریب با توجه رابطه 14 وشکل 3 براساس نوع باتری ها قابل محاسبه است.
Nc دررابطه 14 به معنی تعداد سیکلهای شارژ و دشارژ ماهواره است. n تعداد دور ماهواره گرد زمین در
یک 24 ساعت. برحسب ساعت است. محاسبات را برای نیکل کادمیوم و نیکل هیدروژن انجام می دهیم.
جرم باتری از رابطه 15 محاسبه می شود. P چگالی انرژی باتری است
که با توجه به جدول زیر برای نیکل کادمیوم 30 و برای نیکل هیدروژن 60 در نظر گرفته می شود.
برای ماهواره نمونه با توجه به این که باتری بیشتر ماهواره مخابراتی زمین آهنگ نیکل هیدروژن است
ما هم باتری نیکل هیدروژن را انتخاب می کنیم.
نوع باتری | چگالی انرژی(وات ساعت بر کیلوگرم) |
نیکل هیدروژن | 60-45 |
نیکل کادمیوم | 30-25 |
زیرسیستم توزیع توان یک فضاپیما شامل کابل کشی، محافظت از خطا و… تشکیل شده است.
در انتخاب نوع توزیع توان، حداقل نگه داشتن تلفات توان، جرم و هزینه و کیفیت توان تمرکز می کنند.
با توجه به مرجع « Automatic Control in Space 1985» برای ماهواره نمونه سیستم توزیع توان AC پیشنهاد می شود.
جرم بخش کنترل وتنظیم انرژی از رابطه 16 محاسبه می شود.
جرم بخش سیم کشی از رابطه 17 محاسبه می شود.
جرم بخش رگولاسیون ولتاژ از رابطه 18 محاسبه می شود.
جرم کل زیرمجموعه تأمین انرژی از رابطه 19 محاسبه می شود.
شکل 4 درخت کارکرد و شکل 5 درخت محصول زیرسیستم تأمین انرژی را نشان می دهد.
زیرسیستم تعیین و کنترل وضعیت یا ADCS، پایداری وجهت دهی مطلوب ماهواره در طول مدت عمر آن در حضور تمامی اغتشاشات داخلی
و خارجی محیطی ماهواره رابر عهده دارد.
ماموریت های مختلف شرایط ویژه ای را برای ماهواره به وجود می آوردو بالطبع آن نیاز های متنوعی برای ADCS تعیین می کند.
انتخاب اجزای این زیرسیستم با هدف ارضا مطالب نشانه روی محموله، آنتن ها و پنل های خورشیدی انتخاب می شوند.
در طراحی این زیرسیستم ابتدا باید گشتاور های اغتشاشاتی را مشخص کنیم
و با استفاده از این گشتاور ها سخت افزار مورد نیاز را تعیین
و با استفاده از داده های آماری، جرم و توان هر حسگر و عملگر را مشخص کنیم.
الگوریتم طراحی زیرسیستم تعیین و کنترل وضعیت
شکل زیر الگوریتم طراحی این زیرسیستم را نشان می دهد.
برای تعیین ممان اینرسی حول محور های مختصات مرکز ثقل ماهواره از رابطه 1استفاده می کنیم؛
که در آن m جرم خشک ماهواره و (a,b,h)به ترتیب عرض، طول و ارتفاع ماهواره است.
با توجه اطلاعات آماری و رابطه 1 ماهواره ی انتخاب شده برای طراحی ممان های اینرسی محاسبه می شود
ماهواره در طول مأموریت خود با گشتاور های مزاحم روبه رو می شود که مانع از رسیدن به وضعیت پایدار خود می شود.
وظیفه ی ADCS آن است که گشتاور کنترلی متناسب با این گشتاور های مزاحم تولید کند.
4 نوع گشتاور اغتشاشی وجود دارد:1)گشتاورگرادیان جاذبه2)فشار تشعشعات خورشیدی 3)گشتاور های مغناطیسی 4) گشتاور آیرودینامیکی.
برای ماهواره گشتاور گرادیان جاذبه به عنوان گشتاور پایدار ساز در نظر گرفته می شود.
این گشتاور از پدیده ای که (تاثیر دمبل برروی جسم باریک وبلند) نامیده می شود، نشات می گیرد.
که مقدار این گشتاور از رابطه 2 محاسبه می شود.
گشتاور فشار تشعشعات خورشیدی به فعالیت خورشید بستگی دارد.
چهار منبع تشعشعی وجود دارد که عبارتند از:
این گشتاور از رابطه 3 محاسبه می شود که Fs ثابت خورشیدی و C سرعت نور، q فاکتور انعکاس وi زاویه تمایل خورشیدی مساحت سطح ماهواره هست
گشتاور مغناطیسی در نتیجه ی تاثیر میدان های مغناطیسی ماهواره با میدان مغناطیسی زمین به وجود می آید.
این گشتاور را نیز می توان به صورت پایدارساز یا اغتشاشی در نظر گرفت.
در حالت پایدارساز از دو قطبی مغناطیسی در طول محور های مغناطیس بدنه استفاده می شود.
گشتاور مغناطیسی از رابطه 4 محاسبه می شود و R در طراحی مدار محاسبه شده است .
در ارتفاعات مداری پایین هنوز جو رقیقی وجود دارد که موجب می شود
با توجه به سرعت بالای ماهواره که برای ماندن ماهواره در مدار لازم است،
مقدار نیرو و گشتاور آیرودینامیکی قابل توجهی بر ماهواره وارد شود.
این گشتاور از رابطه 6 قابل محاسبه است
که در آن cd ضریب درگ، r چگالی اتمسفر، v سرعت ماهواره، Cap مرکز فشار آیرودینامیکی ، Cg مرکز ثقل ماهواره می باشد و A مساحت سطح ماهواره هست.
5 حسگر به طور معمول در هر سامانه فضایی وجود دارد:1)حسگر خورشید 2)حسگر زمین 3)حسگر ستاره 4)حسگر مغناطیسی 5) ژیروسکوپ ها.
در ادامه نمودار های جرم و توان این حسگر ها رسم شده و معادله جرم و توان برحسب دقت حسگر ها مشخص شده است
و با استفاده از سخت افزار هایی که بعد از آن تعیین می شود، جرم و توان حسگر ماهواره مورد نظر مشخص می شود.
حسگر خورشید جهت یک فضاپیما را نسبت به خورشید از طریق سنجش موقعیت بردار خورشید مشخص می کند.
برای بعضی از ماهواره ها ممکن است از سلول های خورشیدی درون این حسگر ها برای شناسایی جهت نور خورشید استفاده شود.
به طور معمول دو دسته ی، دیجیتال و آنالوگ وجود دارد..
در شکل 3 و4 جرم و توان این حسگر برحسب دقت برای ماهواره ای ژئو رسم شده است
که نمودار ها با روش آماری که در مقاله طراحی آماری ماهواره گفته شده بود رسم شده است.
زمین نسبت به خورشید و ستارگان یک منبع نور نقطه ای محسوب می شود
به همین دلیل این حسگر ابزاری برای تعیین موقعیت ماهواره نسبت به زمین، توسط نور مادون قرمز ساتع شده از آن، استفاده می کنند.
در شکل 5 وشکل 6 جرم و توان این حسگر برای ماهواره ای ژئو بر حسب دقت رسم شده است.
حسگر ستاره
حسگر ستاره مختصات ستاره را در چارچوب بدنی فضاپیما اندازه می گیرند
و اطلاعات وضعیت را وقتی که این مختصات مشاهده شده با جهات معلوم ستاره، حاصل شده از کاتالوگ ستاره ای مقایسه می کنند
و آن را در اختیار قرار می دهند. ممکن است هنگام مواجه شدن با زمین و خورشید دچار خطا شود.
درشکل 7 و شکل 8 جرم و توان این حسگر برای ماهواره ای ژئو بر حسب دقت رسم شده است.
این حسگر قدرت میدان مغناطیسی دریافتی را اندازه گیری می کند.
علت وجود عدم دقت در این حسگر، مدل های میدان مغناطیسی زمین می تواند باشد؛
علاوه بر این می تواند در شرایط خاصی چون طوفان خورشیدی قرار گیرد.
این حسگر به عنوان یک کمک ناوبری فضاپیما، قدرت میدان
و جهت دریافتی را با یک نقشه از میدان مغناطیسی که در حافظه ذخیره شده است، می سنجند
و اگر موقعیت فضاپیما شناخته شده باشد می توان به این رویکرد استنباط کرد.
در شکل 9 جرم این حسگر برای ماهواره ای ژئو بر حسب دقت رسم شده است.
ژیروسکوپ ها محور دوران ماهواره را حس کرده و تغییر جهت آن را اندازه گیری می کند.
بر اساس مکانیزم عملکردشان به چهار گروه تقسیم می شوند:
1)ژیروسکوپ دوار 2)ژیروسکوپ نوری 3)ژیروسکوپ لیزری 4)ژیروسکوپ میکروالکترومکانیکی.
می توان با تحلیل های آماری نوع، جرم و توان آن را مشخص کردیم.
عملگرها اجزای هستند که با تغییر مومنتوم و وجود گشتاور خارجی، گشتاوری برای کنترل وضعیت ماهواره تولید می کنند.
4 نوع عملگر پر استفاده در سامانه فضایی عبارتند از:
1)تراستر ها 2)چرخ های کنترلی 3)گشتاورسازهای مغناطیسی4) ژیروسکوپ های کنترل ممان.
در ادامه این عملگرها توضیح داده می شود و جرم، توان عملگر مورد استفاده در برای ماهواره ای ژئو را استخراج می کنیم.
تراسترهای کنترل جهتی، که گاهی تراسترهای کنترل واکنشی نامیده می شوند،
برای کنترل جهتی ماهواره در مدت زمان عمر ماهواره استفاده می شود.
این تراسترها برای خنثی کردن اثر اغتشاشات خارجی کوچک می باشد.،
لذا برای کنترل ماهواره نیاز به تراسترهای کوچک در حد کثری از نیوتن می باشد.
مکان قرار گیری تراسترها روی ماهواره به شکل ماهواره بستگی دارد.
بازوی گشتاور تراستر تا مرکز ثقل ماهواره باید تا جایی که امکان دارد زیاد باشد .
همچنین گازهای خروجی تراستر نباید به بدنه ماهواره برخورد کند.
تعداد تراسترها باید قادر به چرخاندن ماهواره حول سه محور باشد .
برای چرخاندن ماهواره ، بدون اینکه تغییر سرعتی به ماهواره اعمال شود ،
لازم است که دو تراستر در جهت مخالف یکدیگر و در یک لحظه روشن شوند تا یک گشتاور خالص ایجاد کنند.
(اندازه نیرو و بازوی دو تراستر مساوی است . شکل 10 وشکل 11 جرم و توان تراستر را نشان می دهد.
عملگرهای اصلی کنترل جهتی ماهواره RW می باشد .
RW ، اساسا یک موتور الکتریکی است که یک دیسک سنگینی به محور آن چسبیده است.
با اعمال جریان به موتور ، یک گشتاور تولید شده و باعث تغییر سرعت زاویه ای دیسک می شود.
طبق قانون سوم نیوتن یک گشتاور واکنشی به همان اندازه و در خلاف جهت آن به ماهواره اعمال خواهد شد .
وقتی سنسورها خطایی را اندازه گیری کنند سیستم کنترل از این گشتاور استفاده می کند و ماهواره را در جهت مناسب قرار می دهد
این عملگر با تغییر سرعت به کمک موتور های الکتریکی، یک گشتاور بر خلاف گشتاور تولیدی ایجاد می کند
و آن ها به دو دسته ی مومنتوم و عکس العملی تقسیم می شوند.
در چرخ های عکس العملی در هر محور حداقل 3 چرخ عکس العملی نیاز است.
با استفاده از رابطه 7 می توان گشتاور اندازه حرکت زاویه ای را محاسبه کرد.
نمودار 12 و نمودار 13 جرم وتوان چرخ کنترلی را نشان می دهند که پراکندگی داده در آن زیاد است.
گشتاورساز مغناطیسی متشکل از یک سیم پیچ است که یک جریان الکتریکی را از طریق سیم پیچ منتقل کرده و گشتاور چرخشی تولید می کند.
این شبیه به یک سلف است؛ ولی برخلاف آن، گشتاورساز مغناطیسی حداکثر گشتاور چرخشی را بر روی سیم پیچ تولید می کند.
شکل 14 و شکل 15 جرم و توان گشتاور ساز مغناطیسی را نشان می دهد.
در این بخش با توجه به اطلاعاتی که بدست می آید باید سخت افزاری که مشابه با اطلاعات ما هست انتخاب شود
در زیر با توجه به اغتشاشات و اطلاعات سخت افزار های زیر برای ماهواره ی ژئو نمونه با اطلاعات زیر انتخاب می کنیم.
نوع سخت افزار | اجزا | سخت افزار انتخابی |
عملگر | تراستر ها 16 عدد | DST-12 Bipropellant |
چرخ های کنترلی 4 عدد | VRW-02 | |
گشتاورسازهای مغناطیسی 3 عدد | MT2-1 | |
حسگر ها | حسگر خورشید( 6 عدد، دقت0.3) | ISS-A15 |
حسگر زمین ( 3 عدد، دقت0.03) | STD 15 | |
حسگر ستاره (2 عدد، دقت 0.04) | ASTRO 15 | |
حسگر مغناطیسی(1 عدد، 0.225) | High-Rel | |
ژیروسکوپ (2 عدد،0.6) | DSP-1760 3-axis |
4 نوع پایدارسازی وجود دارد:1) پایداری سه محور 2)گرادیان جاذبه 3) پایداری چرخان 4)پایدار سازی مومنتومی.
برای ماهواره نمونه با توجه به شکل 16 اکثر ماهواره های زمین آهنگ به صورت کنترل سه محور می باشد.
شکل 17 درخت کارکرد شکل 18 درخت محصول زیرسیستم کنترل و تعیین وضعیت را نشان می دهد.
با توجه به هزینه بر بودن ساخت ماهواره باید بتوانیم با روش های نوین احتمال شکست در پروژه ساخت را به حداقل برسانیم، با استفاده از طراحی سیستمی و استفاده از نرم افزار هایی که در مقالات قبلی گفته شد می توانیم این هزینه را به حداقل برسانیم و با تکنولوژی کشور های دیگر آشنا شویم.
پس از مشخص شدن ماموریت و اهداف یک طراحی اولین فاز طراحی، طراحی مفهومی هست.
در این طراحی از اطلاعات آماری موارد مشابه که دارای ماموریت یکسان با ماموریت ما هستند استفاده می کنیم.
در طراحی آماری ابتدا با جمع آوری داده ها و دسته بندی ماهواره های ساخته شده، سپس تعریف پارامتر های بی بعد و منحنی بر روی گراف های بدست آمده از داده ها، مشخصات کلی ماهواره مورد نظر بدست می آید.
پردازش داده ها و استخراج پارامتر های طراحی به کمک مفاهیم و روش های آماری صورت می گیرد.
دو نوع اطلاعات از آمارگیری به دست می آید:
مجموعه را باید انتخاب کرد که یک ویژگی مشخصه مشترک بین اعضای آن باشد مثل ماموریت آن ها یکسان باشد.یک نمونه که با اندازه جامعه متناسب هست به صورت تصادفی انتخاب میکنیم، بعد از انتخاب نمونه باید اطلاعات را دسته بندی کرد و از داده ها نمودار تهیه کرد و آنها را تحلیل کرد.
1-مستطیلی: داده های آماری کمی پیوسته
2-میله ای: متغیرهای گسسته و کیفی
3-دایره ای : متغیر های کیفی و پیوسته
4-چندبر فراوانی: متغیر های کمی پیوسته
گام 1: دریافت اطلاعات ورودی اولیه
گام 2: انتخاب ماموریت
گام 3: انتخاب کلاس جرمی
گام 4: جمع آوری جامعه آماری
گام 5: استخراج اطلاعات مورد نیاز
اطلاعات ورودی مورد نیاز بازه جرمی و ماموریت می باشد تا بتوان از آن اطلاعات بعدی را استخراج کرد.
چهار نوع ماموریت وجود دارد: ماموریت علمی تحقیقاتی، ماموریت ناوبری، ماموریت سنجش از دور، ماموریت مخابراتی
با مشخص شدن ماموریت در مرحله قبل برای ماموریت علمی تحقیقاتی باید مشخصات کلاس مداری، ارتفاع و ماموریت اصلی،
برای ماموریت ناوبری باید مشخصات تعداد ماهواره مورد نیاز و دستگاه گیرنده زمینی،
برای ماموریت سنجش از دور باید مشخصات زمان تکرار رد، عرض تصویر رزولوشن،
برای ماموریت مخابراتی باید مشخصات فرکانس کاری، کاربران، کلاس مداری مشخص شود
6 نوع کلاس جرمی وجود دارد ( کلاس پیکو، کلاس نانو، کلاس میکرو، کلاس مینی، کلاس کوچک، کلاس بزرگ) که از آن ها کلاس جرمی ماهواره تعیین می شود.
دسته بندی کلاس ها بر حسب جرم ماهواره به صورت زیر هست:
جمع آوری داده های آماری براساس ماموریت و کلاس تعریف شده می باشد.
اطلاعات که باید برای هر ماهواره استخراج شود:
اطلاعات مورد نیاز ماهواره ها را می توان از مقالات منتشر شده و سایت هایی چون ویکی پدیا، NASA ، skyrocket ،earth.esa.int و n2yo.com می توان به دست آورد.
اطلاعات به دست آماده در مرحله قبل را در اکسل دسته بندی می کنیم و نمودار های زیر را رسم می کنیم و معادلات آن را استخراج می کنیم
با توجه به معادلات به دست آمده ازنمودار ها و کلاس جرمی انتخاب شده مشخصات ماهواره خود را به دست می آوریم.
ابتدا باید تموم اطلاعات استخراج شده در اکسل دسته بندی شود و بعد طبق نمودار های گفته شده دو ستون انتخاب شود به عنوان مثال ستون جرم کل با جرم زیرسیستم مخابراتی
در نوار زبانه به بخش insert می رویم در بخش chart نمودار scatter رو انتخاب می کنیم.
نمودار به صورت زیر رسم می شود
در design نمودار به بخش chart layouts می رویم و در زیر بخش های Quick layout ، layout 9 رو انتخاب می کنیم.
فرمول نمودار به شکل زیر به دست می آید و بعد کلاس جرمی ماهواره خود را در مقدار x می گذاریم جرم زیر سیستم مخابراتی را بدست می آوریم.
در توسعه و پیشرفت هر پروژه ماهواره ای تعداد کمی پارامتر
و تعداد زیادی فرض موجود است. یکی از کم هزینه ترین و
سریعترین راه حل ها برای رفع این مشکل استفاده از توانمندی های
نرم افزاری می باشد. از سویی با فرستادن ماهواره به فضا، ایجاد
تغییرات احتمالی بسیار دشوار می شود لذا برای رفع این مشکل و
چالش نیز ایده استفاده از نرم افزارها در سطح جهان مطرح می گردد
و مقرون به صرفه می باشد.
1- معتبر بودن نتایج
2- استقبال جهانی
3- در دسترس بودن
4- تجربه کار کردن
5- داشتن بانک اطلاعاتی قوی
از سویی نرم افزارها را نیز ، به گروه های زیر تقسیم بندی نموده ایم
1- نرم افزارهای بانک اطلاعاتی
2-نرم افزارهای طراحی مدار مانند (Satellite Tool Kit STK)
3- نرم افزارهای طراحی عمومی مانند Solid work ،CATIA
4- نرم افزارهای طراحی مکانیزم ها مانند Visual Nastran ،CATIA
5- نرم افزارهای تحلیل ANSYS ،NASTRAN ،SINDA/FLUINT ،SSPT ،TERMICA
6- نرم افزارهای ساخت مانند CATIA
7- نرم افزار های مونتاژ مانند CATIA
8- نرم افزار تخمین هزینه و مدیریت پروژه مانند( Small Satellite Cost Model (SSCM
9- نرم افزارهای شبیه ساز مانند Spacecraft control Toolbox
تعدادی از این نرم افزارها را شرح می دهیم و
در مقالات آینده در مورد دیگر نرم افزارها صحبت می کنیم.
در این مجموعه بانک اطلاعاتی تمام ماهواره هایی که تاکنون به فضا
پرتاب گشته اند و یا در حال مراحل تکمیل می باشند به صورت
تفکیکی جمع گردیده اند .مثلا تمام ماهواره ای مخابراتی در یک
رده و یا کلیه ماهواره های جاسوسی در رده دیگر قرار گرفته اند .
این بانک اطلاعاتی ،اطلاعاتی درباره تاریخچه ماهواره ها ،
ویژگی های پرتابگر های آنها و یا مدار قرار گیری ماهواره در فضا
و محموله ای که با خود حمل می کند ارائه گشته است .
نرم افزارهای زیادی در این زمینه در سطح جهان استفاده می گردد
که به شرح هر یک می پردازیم
این نرم افزار در زمینه بازیابی و آنالیز داده ها، ساخت مدل هزینه
و تخمین آن در سازمان های دولتی آمریکا مورد استفاده قرار می گیرد.
این نرم افزار در طراحی و ساخت و بازنگری روی طرح،
قابلیت های خوبی را دارا است.
این نرم افزار نیز در ساختار مدیریتی آمریکا مورد استفاده قرار می گیرد.
این نرم افزار نیز در محاسبه هزینه های مدیریتی طرح،
هزینه های مهندسی و آنالیز هزینه بسیار معتبر می باشد.
از این نرم افزار معتبر نسخه های متفاوتی همراه با تصحیحات
متعدد از سال 1981 براساس کتاب
book Software Engineering Economics نوشته Dr. Barry Boehm
بازار فرستاده شده است. مانند:
نرم افزاری جستجو گر برای یافتن هزینه ها می باشد.
به کمک این نرم افزار می توان هزینه تمام سیکل و
دوره زندگی یک ماهواره را محاسبه نمود.
با استفاده از آن می توان هزینه مربوط به مواد مصرفی
و کار مهندسی مورد نیاز در پروژه را محاسبه نمود.
هزینه های مربوط به پروژه و برنامه کاری و نیازهای عملیاتی را تعیین می کند.
هزینه های مربوط به طرح را مشخص می کند.
این نرم افزار در سازمان فضایی اروپا برای تخمین هزینه ها به کار می رود.
این نرم افزار در سازمان فضایی اروپا برای تخمین
هزینه های مربوط به مدل به کار می رود.
به کمک این نرم افزار می توان مدل های کاربردی
موجود در اینترنت درباره تخمین هزینه ها، را دریافت نمود.
یکی از بهترین نرم افزارها برای استفاده در کشور ما،
با توجه به ساخت و طراحی ماهواره های کوچک، می باشد.
از مهمترین ویژگی آن اعتبار بالا و دارا بودن بانک اطلاعاتی
پر قدرت می باشد که شامل ماهواره های کوچکی که
ACE IMAGE | LEWIS OERSTED PoSAT-1 PROBA | RADCAL REX SCISAT 1 |
بقیه نرم افزارها زیر نیز عملیاتی مشابه انجام می دهند:
EMQUE’s Perfect Project DecisionTools Suite
D4COST•2000 DOD Tools and Models Index
ForecastX KAPES (Knowledge Aided Planning & Estimating System)
Micro Estimating Systems, Inc. NASA/Air Force Cost Model (NAFCOM)
PACES (Parametric Cost Engineering System)
PCM PRICE Estimating Suite Primavera Systems, Inc.
Pulsar RSMeans QuickCost Calculator RACER
Space Operations Cost Model (SOCM) SPSS Products
SYSTAT TANK RACER Timberline Software
TRACES (Tri-Services Automated Cost Engineering Systems)
Video Estimator Welcom WinEstimator, Inc. WinRACE
شبیه ساز های زیادی که اکثرا تحت محیط MATLAB و SIMULINK
می باشند و یا مانند آنها عمل می کنند در سطح جهان مورد
استفاده قرار می گیرند که به شرح چند نمونه از آنها می پردازیم
در بین نرم افزار های شبیه سازفضا پیما، نرم افزارهایی
مانند SPASIM وROSE نقش مهمی را در شبیه سازی های
اجزای فضا پیما و در نهایت خود فضا پیما و همچنین طراحی،
ساخت و تولید انبوه آن ایفا می کنند.
نرم افزار SPASIM بیشتر در جهت شبیه سازی اجزای مختلف
فضا پیما و ارائه پارامترهای مربوط به هر یک از این اجزا و
در نهایت شبیه سازی کل مجموعه فضا پیما، مورد استفاده
قرار می گیرد و نرم افزار ROSE بیشتر در جهت طراحی،
ساخت، آزمایش و بالاخره تولید انبوه انواع مختلف فضاپیما
با اجزا و سیستم های متفاوت مورد استفاده واقع می گردد.
با استفاده از این دو نرم افزار بالاخص SPASIM به راحتی
می توان شبیه سازی یک فضاپیما را انجام داده و
اجزای فضا پیما را به راحتی شبیه سازی نمود،
به هر حال SPASIM نقش به سزایی در شبیه سازی
فضاپیما ها داشته و همه پارامترها و مشخصه های
مربوط به اجزای فضاپیما و نیازهای آن را عملا
با استفاده از این شبیه ساز می توان برای
استفاده کننده مشخص نمود. بیشتر آنالیزهای
مهم که در شبیه سازی انجام می شود
شامل مقایسه مقادیر و داده های در دسترس
با داده های موجود در سطح جهان و تغییر آنها
در جهت بهبود کار اجزاء فضاپیما می باشد.
با توجه به شیوه کارکرد عمومی این نرم افزارها
به توضیح چند مورد از آنها می پردازیم.
شرح شبیه ساز SPASIM
در این شبیه ساز برای تعریف کردن یک مدل،
استفاده کننده جعبه مورد نیاز خود را از کتابخانه موجود
انتخاب می کند و با کشیدن آن به محیط مدل،
آن را تعریف می کند. سپس با وصل کردن اجزاء
مختلف مثلا توابع ریاضی، توابع دینامیکی
و غیره به وسیله خطوطی که از ورودی ها
و یا خروجی هر کدام می باشد؛ آنها را به هم مرتبط می کند
و پس از شبیه سازی می توان آن را اجرا و نتایج دلخواه
را مشاهد نمود. برای واضح شدن این فرآیند بهتر است وارد محیط آن شویم.
با کلیک کردن بر روی هر جزکه اصطلاحا” به آن ماسک
گفته می شود، می توان وارد آن شد. (که هر قسمت را در زیر توضیح می دهیم.)
به اجزاء مختلف تقسیم می شود: جلوبرندگی
، حرارتی، قدرت، هدایت و ناوبری، کنترل، ارتباطات
، رهگیری و نگهداری و سازماندهی اطلاعات
هدف این جزء از فضاپیما نگهداشتن
اجزاء فضاپیما در یک محدوده دمایی خاص است.
هدف این جزء از فضاپیما
ایجاد تراست لازم برای حفظ یا تغییر مدار یا حالت
فضاپیما می باشد. این جزء از دو منبع استفاده می کند،
انرژی الکتریکی و جلو برندگی.
هدف سیستم قدرت تامین و
ذخیره و پخش کردن انرژی الکتریکی است.
هدف سیستم هدایت، ناوبری
و کنترل تامین کردن محاسبات و کنترل دقیق حالات
و شرایط و نیز وضعیت مداری فضاپیما می باشد.
هدف این سیستم برقرار کردن ارتباط
با ایستگاه های زمینی به منظور نگهداشتن
و ذخیره کردن داده ها و اطلاعات می باشد.
در هر قسمت می توان با دو بار کلیک کردن بر روی آن جعبه مربوطه،
زیر بخش های آن را مشاهده نمود و هر زیر بخش
هم ممکن است زیر بخش دیگری نیز داشته باشد
که می توان وارد هریک شد. در آخرین زیر بخش می توان
با دو بار کلیک کردن پارامترهای موجود در جعبه را مشاهده نمود
و داده ها خود را در آن وارد نمود. برای مثال وارد
زیر بخش قسمت POWER می شویم که دارای زیربخشهای:
Solar array که محل تولید توان در ماهواره Battery که
محل ذخیره توان در ماهواره Charge unit که محل کنترل توان است.
همچنین ممکن است علاوه بر قسمت های فوق
اطلاعاتی نیز برای کل بلوک لازم باشد که با کلیک کردن
بر روی آن بلوک نیز می توان اطلاعات آن را تنظیم نمود.
ابزارهایی که برای تکمیل ماموریت ماهواره توسط
ماهواره حمل می شوند، در این رده قرار می گیرند
که در default این شبیه ساز چهار نوع payload متفاوت موجود
می باشد.
با وارد شدن دراین قسمت می توان تنظیماتی
را انجام داد. از آن جمله می توان نمودارهایی
که لازم است با اجرا این شبیه ساز از طریق
منوی simulation→startترسیم شود را مشخص نمود
که حدود 26 نمودار از قبل در آن تعریف شده است.
در این قسمت می توان از توابع موجود در آن
استفاده نمود و مدل جدیدی ایجاد نمود.
با کلیک بر روی علامت سوال می توان
وارد help کامپیوتر شد و از آن استفاده نمود.
ROSESAT مخفف کلمه
Real Time object oriented Simulation environment
for Spacecraft Analysis and Testing می باشد.
شامل یک مدل گرافیکی با محیط پیشرفته،
یک شبیه ساز Real-Time و یک محیط آزمایش
و قابل تست کردن می باشد. مدل گرافیکی با
محیط پیشرفته، ساختن یک فضاپیما را که شامل
تمام اجزا فضاپیما اعم از حرارتی، توانی، جلو برندگی،
هدایت و ناوبری و پردازش داده ها می باشد؛ را انجام می دهد.
این امر به استفاده کننده اجازه می دهد که
یک سیستم یا یک جزء سیستم را به وسیله
ترسیم اجزاء آن با استفاده از کتابخانه ها و منابع اولیه موجود توصیف نماید.
این شبیه ساز دارای بخش های زیر می باشد.
بخش ریاضیات: شامل توابع ریاضی لازم برای شبیه سازی
شامل بلوک های (objects) لازم برای شبیه سازی دینامیک ماهواره
برای کنترل دمای ماهواره
برای شبیه سازی بخش تولید توان الکتریکی
فضا پیما و سیستم پخش کننده توان می باشد.
شامل بلوک هایی برای شبیه سازی
سیستم پردازش و انجام داده ها و اطلاعات فضاپیما می باشد.
شامل بلوک هایی برای شبیه سازی کردن
رفتار تجهیزات مختلف فضاپیما از جمله سنسور ها، actuator ها و GPS ها
شامل بلوک هایی برای شبیه سازی
سیستم های کنترلی، مانند سیستم کنترل مداری و حالات شرایط فضا پیما می باشد.
این نرم افزار نیز دارای کتابخانه می باشد که با
انتخاب بلوک های لازم می توان مدل خود را شبیه سازی نمود
و ورودی های خود را در آن وارد نمود.
به کمک این شبیه ساز پروژه های زیر نیز به
انجام رسیده است که حکایت از اعتبار این
نرم افزار در پروژهای ساخت ماهواره می کند.
1- در آژانس فضایی اروپا این سیستم به عنوان
یک شبیه ساز وسیله نقلیه فضایی بوده و از آن
در تولید انبوه و طراحی وسایل نقلیه فضایی
یا سیستم اتوماتیک استفاده شده است.
2- در دانشگاه کارتون درکانادا، دانشجویان
با استفاده از ROSESAT می توانستند یک ماهواره کوچک طراحی نمایند.
3- در سیستم فضایی وجا در آلمان از ROSESAT به
منظور نشان دادن یک شبیه ساز Real-Time برای اهداف اجرایی استفاده می شود.
این جعبه ابزار که از امکانات جانبی نرم افزار مطلب می باشد،
به طور وسیع در طراحی و شبیه سازی و آنالیز
سیستم های کنترل ماهواره بکار می رود که با تجربه بیش از 20 سال بر روی طرح های همچون
Mars Observer, GGS Polar, Inmarsat 3 and GPS IIR.
به کار رفته است این جعبه ابزار از بیش از 500
زیر برنامه کامل (ام فایل نرم افزار متلب) تشکیل شده است؛که دارای امکانات زیر می باشد.
1- مدل کردن دینامیک جسم و کنترل آن (attitude control and dynamics)
2- مدل کردن هندسی جسم (cad modeling)
3- دینامیک و سینماتیک مدار(orbital dynamics and kinematics)
4-تقویم نجومی (ephemeris)
5- مدل کردن سنسورها (actuator and sensor modeling)
6- سیستم حرارتی(thermal)
7- توابع ریاضی (mathematics operations)
که بیشتر این توابع می توانند به طور جداگانه
مورد استفاده قرار بگیرند مگر در چند مورد خاص.
در این نرم افزار جامع در هر قسمت مدل هایی موجود است
(demo) که ورودی دریافت نمی کنند
و با اجرای آن می توان احساسی در مورد طرح مورد نظر بدست آورد.
همچنین در هر جعبه موجود در کتابخانه پارامترهایی به صورت پیش زمینه به عنوان شرایط اولیه موجود
می باشد؛که کاربر می تواند از آنها استفاده نماید و یا آنها را تغییر بدهد.
شرکت های ساخت سیستم های ماهواره شبیه ساز های
زیادی را بر پایه زبان فرامین فضاپیما طراحی و گسترش داده اند
که این خود شامل برنامه های فضایی شبیه سازی زیر می شود.
شبیه ساز ماهواره gfo به منظور تامین کردن ملاحظات
و ارزشیابی های قبل از پرواز به طور عملی مورد استفاده واقع می شود
این شبیه ساز برای آموزش هدایت کننده ها
و کاربران فضاپیما ها به منظور هدایت کردن فضاپیما
به طور کاملا بی خطر و موثر به کار می رود.
این شبیه ساز دارای قابلیت متوسط بوده
و دارای فرامین closed-loop و همچنین شبیه ساز تله متری می باشد.
این شبیه ساز، شبیه سازی پیام های
دیجیتالی را به وسیله فرامین نیرو زمینی و
سایر اطلاعات کنترلی به انجام می رساند.
استفاده از نرم افزارهای فضایی نه تنها باعث کاهش
هزینه زمانی می گردد بلکه در مدیریت پروژه ها و
مراحل تست ، مونتاژ نیز به طور گسترده به کار می رود
که به طور کلی باعث تسهیل در امر طراحی و ساخت می گردد .