دانشکده مهندسی هوافضا

پایان نامه دوره کارشناسی ارشد مهندسی هوافضا

گرایش دینامیک پرواز و کنترل

مقایسه انواع گزینه­ های موجود برای سیستم پیشرانش ماهواره ­ها

بهمن 1398

چکیده

در طی یک مانور توسط یک ماهواره، صفحات خورشیدی انعطاف­پذیر آن تحریک شده و شروع به نوسان می­ کنند. این ارتعاشات باعت پدید آمدن نیروهای اغتشاشی نوسانی می­گردند که به بدنه صلب ماهواره نیز اعمال می­گردد. ارتعاشات ایجاد شده علاوه بر امکان به وجود آمدن ترک و در نتیجه شکست در صفحات خورشیدی بر اثر پدیده خستگی، بر روی بدنه صلب که در حال انجام کارهای دقیقی نظیر عکس­برداری از سطح زمین و یا ارسال اطلاعات به پایگاهی در زمین است، اختلال ایجاد می­ کند در نتیجه لازم است که از آن جلوگیری به عمل آید. در این پایان نامه ، ابتدا معادلات دینامیکی یک ماهواره شامل یک قسمت صلب مکعب­شکل و دو صفحه انعطاف­پذیر استخراج شده است. سپس با بهره گرفتن از ترکیب نرم­افزار ANSYS و ADAMS بر روی مدل مذکور یک آنالیز دینامیکی انجام گرفته است و نتایج با مدل تحلیلی مقایسه شده است. استراتژی کنترلی جدیدی برای کاهش ارتعاشات اجزاء انعطاف­پذیر در سیستم­های چندجسمی شامل اجزاء صلب و انعطاف­پذیر ارائه شده است به این صورت که با حذف نوسانات از روی سرعت زاویه­ای قسمت صلب، دامنه ارتعاشات اجزاء انعطاف­پذیر کاهش می­یابد برای این منظور از یک سیستم کنترل تطبیقی و فیلتر باریک برای حذف نوسانات حاصل از ارتعاشات صفحات خورشیدی در فرایند اندازه ­گیری استفاده شده است. در انتها نتایج حاصل از شبیه­سازی سیستم کنترلی تطبیقی یک بار با در نظر گرفتن پدیده تشدید و بار دیگر بدون در نظر گرفتن آن آورده شده است و مزیت­های این روش مورد بررسی قرار گرفته است.

فهرست مطالب

فصل اول مقدمه. 1

1- مقدمه. 2

1-1- تاریخچه موضوع. 4

فصل دوم مدل سازی دینامیکی.. 11

2- مدل سازی دینامیکی.. 12

2-1- مدل سازی سیستم های چند جسمی با اجزاء صلب- انعطاف پذیر. 15

2-1-1 دیدگاه انباشتگی.. 15

2-1-2- مدل سازی تعاملی صلب- انعطاف پذیر. 18

2-2- معادلات لاگرانژ در حالت شبه مختصات… 23

2-2-1- انگیزه روش شبه مختصات… 23

2-3- مدل سازی دینامیکی ماهواره با صفحات انعطاف پذیر. 26

2-3-1- مدل تحلیلی.. 26

2-3-2- مدل در نرم افزار ADAMAS.. 41

فصل سوم کنترل ارتعاشات… 46

3- کنترل ارتعاشات… 47

3-2- کنترل تطبیقی.. 49

3-2-1- سیستم های تطبیقی مدل- مرجع.. 52

3-3- روش های شناسایی فرکانس خمشی.. 54

3-3-1- روش مدل مرجع بر مبنای گرادیان.. 54

3-3-2- روش کمترین مربعات بازگشتی برای شناسایی فرکانس…. 56

3-3-3- الگوریتم ترکیبی مدل مرجع و بازگشتی.. 56

3-4- کنترل ارتعاشات به وسیله شناسایی فرکانس…. 58

فصل چهارم پیشرانش فضایی.. 60

4- پیشرانش فضایی.. 61

4-1- دسته بندی سیستم های پیشرانش…. 61

4-1-1- پیشرانش شیمیایی.. 61

4-1-2- سیستم های پیشرانش مایع تک مولفه ای.. 63

4-1-3- سیستم های پیشرانش مایع دو مولفه ای.. 64

4-1-4- سیستم های سوخت جامد. 65

4-2- مقایسه گزینه های موجود برای سیستم پیشرانش ماهواره ها 65

4-1- پیکربندی تراسترها 70

فصل پنجم نتایج شبیه سازی.. 72

5- نتایج شبیه سازی.. 73

5-1- مشخصات پارامترهای مدل.. 73

5-2- مدل سازی دینامیکی.. 73

5-3- کنترل ارتعاشات… 75

فصل ششم نتیجه گیری و پیشنهادات… 88

6- نتیجه گیری و پیشنهادات… 89

6-1- نتیجه گیری.. 89

6-2- پیشنهادات… 91

7- ضمیمه. 93

7-1- دینامیک تحلیلی.. 93

7-1-1- مقدمه. 93

7-2- قابلیت‌های دینامیک تحلیلی.. 93

7-3- تعریف مجموعه کامل.. 94

7-4- تعریف مجموعه مستقل.. 94

7-5- تعریف درجه آزادی.. 94

7-6- قیود. 95

7-6-1- فرم دیفرانسیلی در حالت کلی.. 95

7-7- تعریف تغییرات در حساب تغییرات… 95

7-8- نیروهای پایستار 97

7-9- معادلات لاگرانژ برای سیستم های مقید. 98

7-10- استخراج معادلات جسم صلب با بهره گرفتن از روش لاگرانژ. 99

7-11- روش همیلتون.. 99

7-12- معادلات همیلتون.. 100

8- فهرست مراجع.. 103

فهرست جداول

جدول ‏2‑1نیروی آیرودینامیکی برخی از اشکال هندسی ساده 36

جدول ‏2‑2نیروی تشعشع خورشیدی برخی از اشکال هندسی ساده 40

جدول ‏4‑1مزایا و معایب سیستمهای پیشرانش شیمیایی و الکتریکی.. 65

جدول ‏5‑1مشخصات پارامترهای بدنه صلب ماهواره 73

جدول ‏5‑2مشخصات پارامترهای صفحات خورشیدی.. 73

فهرست شکل­ها

شکل ‏2‑1نحوه تعریف بردارهای جابجایی در اجسام انعطاف پذیر. 14

شکل ‏2‑2بلوک دیاگرام روش مدل سازی تعاملی صلب- انعطاف پذیر. 22

شکل ‏2‑3مدل ساده ماهواره به همراه دستگاه بدنی.. 26

شکل ‏2‑4نیروی گرانشی اعمالی بر المان جرمی.. 32

شکل ‏2‑5برخورد فوتون های نور با سطح ماهواره 38

شکل ‏2‑6نیروی حاصل از تشعشع خورشید بر سطح ماهواره 38

شکل ‏2‑7مدل ماهواره با صفحات الاستیک در نرم افزار ADAMS. 42

شکل ‏2‑8صفحه مش بندی شده 43

شکل ‏2‑9تغییر شکل صفحه در مود خمشی.. 44

شکل ‏2‑10مدل ماهواره در نرم افزار ADAMS. 45

شکل ‏3‑1نمودار بود یک فیلتر باریک…. 48

شکل ‏3‑2نمایی از سیستم کنترلی.. 49

شکل ‏3‑3 نمودار بلوکی سیستم تطبیقی مدل- مرجع.. 53

شکل‏3‑4 نمایی از سیستم کنترل تطبیقی مدل مرجع.. 59

شکل ‏4‑1 پالس مدولاتور PR.. 68

شکل ‏4‑2 پالس مدولاتور PWPF. 68

شکل ‏4‑3 نمایش مکان تراسترها بر روی ماهواره 71

شکل‏5‑1 مقایسه جابجایی نوک صفحه خورشیدی انعطاف پذیر بین مدل تحلیلی و نرم افزار ADAMS. 74

شکل‏5‑2مقایسه سرعت زاویه ای کانال پیچ بدنه صلب ماهواره بین مدل تحلیلی و نرم افزار ADAMS. 74

شکل‏5‑3 مقایسه سرعت زاویه ای کانال پیچ بدنه صلب ماهواره با بهره گرفتن از حلقه کنترلی شامل فیلتر باریک و بدون استفاده از آن.. 75

شکل ‏5‑4مقایسه جابجایی نوک صفحه خورشیدی انعطاف پذیر با بهره گرفتن از حلقه کنترلی شامل فیلتر باریک و بدون استفاده از آن.. 76

شکل‏5‑5 مقایسه سرعت زاویه ای کانال پیچ بدنه صلب ماهواره با بهره گرفتن از حلقه کنترلی شامل فیلتر باریک و بدون استفاده از آن در حالت تشدید. 77

شکل‏5‑6مقایسه جابجایی نوک صفحه خورشیدی انعطاف پذیر با بهره گرفتن از حلقه کنترلی شامل فیلتر باریک و بدون استفاده از آن در حالت تشدید. 77

شکل‏5‑7 روند همگرایی الگوریتم شناسایی فرکانس صفحه انعطاف پذیر. 78

شکل‏5‑8سرعت زاویه ای کانال پیچ بدنه صلب ماهواره با بهره گرفتن از کنترل تطبیقی شامل الگوریتم شناسایی و فیلتر باریک…. 78

شکل‏5‑9 مقایسه سرعت زاویه ای کانال پیچ با بهره گرفتن از کنترل تطبیقی شامل الگوریتم شناسایی و فیلتر باریک و بدون استفاده از آن.. 79

شکل ‏5‑10مقایسه جابجایی نوک صفحه خورشیدی انعطاف پذیر با بهره گرفتن از کنترل تطبیقی شامل الگوریتم شناسایی و فیلتر باریک و بدون استفاده از آن.. 80

شکل ‏5‑11 روند همگرایی الگوریتم شناسایی فرکانس صفحه انعطاف پذیر در حالت تشدید. 81

شکل‏5‑12مقایسه سرعت زاویه ای کانال پیچ با بهره گرفتن از کنترل تطبیقی شامل الگوریتم شناسایی و فیلتر باریک و بدون استفاده از آن در حالت تشدید. 81

شکل ‏5‑13مقایسه جابجایی نوک صفحه خورشیدی انعطاف پذیر با بهره گرفتن از کنترل تطبیقی شامل الگوریتم شناسایی و فیلتر باریک و بدون استفاده از آن در حالت تشدید. 82

شکل‏5‑14 گشتاور عکس العمل حاصل از تراستر بر روی بدنه صلب ماهواره 83

شکل ‏5‑15گشتاور عکس العمل حاصل از تراستر به صورت جزئی تر بر روی بدنه صلب ماهواره 83

شکل‏5‑16 مقایسه سرعت زاویه ای کانال پیچ بدنه صلب ماهواره با بهره گرفتن از حلقه کنترلی شامل فیلتر باریک و بدون استفاده از آن با عملگر تراستر. 84

شکل‏5‑17 مقایسه جابجایی نوک صفحه خورشیدی انعطاف پذیر با بهره گرفتن از حلقه کنترلی شامل فیلتر باریک و بدون استفاده از آن با عملگر تراستر. 84

شکل‏5‑18 گشتاور عکس العمل حاصل از تراستر بر روی بدنه صلب ماهواره 85

شکل‏5‑19گشتاور عکس العمل حاصل از تراستر به صورت جزئی تر بر روی بدنه صلب ماهواره 85

شکل‏5‑20 روند همگرایی الگوریتم شناسایی فرکانس صفحه انعطاف پذیر با عملگر تراستر. 86

شکل‏5‑21مقایسه سرعت زاویه ای کانال پیچ با بهره گرفتن از کنترل تطبیقی شامل الگوریتم شناسایی و فیلتر باریک و بدون استفاده از آن با عملگر تراستر. 86

شکل‏5‑22مقایسه جابجایی نوک صفحه خورشیدی انعطاف پذیر با بهره گرفتن از کنترل تطبیقی شامل الگوریتم شناسایی و فیلتر باریک و بدون استفاده از آن با عملگر تراستر. 87

فهرست علایم و نشانه‌ها

1- مقدمه

صفحات خورشیدی در ماهواره­ها به طور گسترد­ه­ای در انجام جذب انرژی خورشید مورد استفاده قرار می­گیرند. از این انرژی برای ایجاد انرژی لازم برای در مدار باقی ماندن ماهواره­ها استفاده می­ شود. این انرژی به ماهواره سرعت لازمه مورد نیاز برای در مدار باقی ماندن را می­دهد. ماهواره­ها تا زمانی که انرژی لازم برای داشتن سرعت لازمه در حرکت بر روی مدار را داشته باشند می­توانند در مدار مورد نظر خود حرکت کنند. به محض این که این انرژی به پایان برسد، ماهواره از مدار خارج شده و در حرکتی مارپیچی شکل به داخل جو زمین آمده و سقوط می­ کنند. طراحی این صفحات خورشیدی کاری دقیق و با تکنولوژی بالا محسوب می­ شود. اغلب صفحات خورشیدی موجود به طریقی طراحی و ساخته می­شوند که سختی لازم را دارا باشند تا قسمت اصلی ماهواره بتواند با حداقل ارتعاشات به موقعیت نهایی مطلوب خود برسد.  البته این سختی نباید با بهره گرفتن از طراحی­های سنگین و حجیم به­دست آید. چرا که، وجود صفحات خورشیدی صلب سنگین، باعث افزایش وزن کلی ماهواره خواهد شد. از طرف دیگر، وجود اجزا انعطاف­پذیر بر روی ماهواره­ها مانند صفحات خورشیدی، بازوهای بلند یک ربات فضایی و یا میله آنتن مخابراتی یک ماهواره، منجر به در نظر گرفتن تمهیداتی برای مقابله با اثرات انعطاف­پذیری می­گردد. به عنوان مثال اگر دوربین تعبیه شده بر روی بدنه ماهواره قصد گرفتن عکس از زمین را داشته باشد، ارتعاشاتی که از صفحات خورشیدی بر روی بدنه ماهواره تاثیر می­گذارند، مانع از گرفتن عکسی با کیفیت بالا از سطح زمین خواهند شد. سیستم­های چندجسمی شامل اجزا صلب و انعطاف­پذیر، از نظر دینامیکی شامل اجزاء پیوسته­ای هستند که از معادلات دیفرانسیل معمولی و جزئی جفت شده و غیرخطی تبعیت می­ کنند. حل تحلیلی چنین سیستم­هایی تقریباً امکان­ پذیر نمی ­باشد. مشکل اصلی این سیستم­ها، مسئله ارتعاش عضوهای انعطاف­پذیر به دلیل سختی کم آنها می­باشد. روش­های متفاوتی برای مدل­سازی سیستم­های دینامیکی انعطاف­پذیر ارائه شده است. مدل­های ریاضی چنین سیستم­هایی عموماً از قضایای انرژی استخراج می­شوند. برای یک جسم صلب ساده، انرژی جنبشی براساس سرعت­های خطی و دورانی و همچنین انرژی پتانسیل براساس موقعیت مراکز جرم در میدان جاذبه بیان می­ شود. در دینامیک اجسام چند جسمی، یک دستگاه اینرسی به عنوان دستگاه مرجع کلی برای تشریح حرکت یک سیستم چندجسمی به کار می­رود. همچنین یک دستگاه واسطه که به هر یک از اجزاء انعطاف­پذیر متصل است که جابه­جایی­ها و چرخش نسبی جسم را تعقیب می­ کند. حرکت نسبت به این دستگاه واسطه نوعاً فقط به دلیل تغییر شکل جسم می­باشد. این انتخاب محاسبات نیروهای داخلی را ساده می­سازد، چرا که اندازه تنش­ها و کرنش­ها تحت حرکت جسم صلب تغییر نمی­ کنند. همانند تانسور تنش کوشی و تانسور کرنش کوچک که می ­تواند برای محاسبه نیروها نسبت به دستگاه واسطه مورد استفاده قرار بگیرد. این تانسورها منجر به یک نیروی خطی در این جابجایی نسبی می­شوند. نوع عمده از دستگاه واسطه که مورد استفاده قرار می­گیرند دستگاه شناور خوانده می­شوند. دستگاه شناور، حرکت جسم اصلی از ذره یا مولفه انعطاف­پذیر داخلی را تعقیب می­ کند. یکی دیگر از روش­های مدل­سازی دینامیکی اجسام چندجسمی شامل اجزاء صلب و انعطاف­پذیر استفاده از ویژگی­های نرم­افزارهای ANSYS و ADAMS به طور همزمان است. نرم­افزار ANSYS با بهره گرفتن از روش المان محدود قادر به انجام آنالیز ارتعاشی و نرم­افزار ADAMS توانایی حل معادلات دینامیکی صلب و انعطاف­پذیر را در یک محیط داراست. با ترکیب این دو نرم­افزار قادر خواهیم بود با دقت بالایی مختصات تعمیم­یافته مورد نظر را به­دست آوریم. در بخش کنترل چنین سیستم­هایی با چالش­های بسیاری مواجه هستیم به این ترتیب که در اثر خیز الاستیک اجزای انعطاف­پذیر، سنسورهای اندازه ­گیری دستگاه ناوبری مقادیر خطاداری را نشان می­ دهند که حلقه کنترلی در مواجهه با این اثرات دچار عملکرد نامطلوب می­گردد. برای جلوگیری از این مشکل یکی از بهترین استراتژی­ها حذف نوسانات از روی اندازه ­گیری­ها با بهره گرفتن از فیلترهای باریک و سیستم­های تطبیقی می­باشد. به این ترتیب می­توانیم با بهره گرفتن از کنترلرهایی ساده، سیستم­های دینامیکی پیچیده را به راحتی کنترل کنیم. نبود سنسور بر روی اجزاء انعطاف­پذیر دیگر چالش پیش روی است. برای حل این مسئله می­توانیم از اثرات ارتعاشی که اجزاء انعطاف­پذیر بر روی اجزاء صلب می­گذارند استفاده کنیم.

در این مقاله ابتدا به مدل­سازی دینامیکی یک ماهواره که شامل یک بدنه صلب مرکزی و دو صفحه انعطاف­پذیر می­پردازیم. مدل­سازی دینامیکی ابتدا با بهره گرفتن از روش لاگرانژ در حالت شبه­مختصات و سپس با بهره گرفتن از دو نرم­افزارهای ANSYS و ADAMS انجام گرفته است. در بخش کنترلی نیز از یک سیستم تطبیقی مدل مرجع و فیلتر باریک برای حذف ارتعاشات بر روی سرعت زاویه­ای بدنه صلب ماهواره استفاده شده است. در نهایت نتایج شبیه­سازی این کنترلر آورده شده و مزیت­های آن مورد بررسی قرار گرفته است.

تعداد صفحات :  117

قیمت :  40 هزار تومان

بلافاصله پس از پرداخت، لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار میگیرد و  همچنین فایل خریداری شده به ایمیل شما نیز ارسال می شود

پشتیبانی سایت :                 parsavahedi.t@gmail.com

40,000 تومانافزودن به سبد خرید

—-

پشتیبانی سایت :       

*         parsavahedi.t@gmail.com