2-1-1- مقدمه18
2-1-2- لزوم استفاده از طراحي بهينه چند موضوعي19
2-1-3- انواع روش هاي طراحي بهينه چند موضوعي22
2-1-3-1- روش امکان پذيري چند موضوعي23
2-1-3-2- روش امکانپذيري تک موضوعي24
2-1-3-3- روش همه در يک مرتبه25
2-1-3-4- روش مشارکتي26
2-1-3-5- روش بهينه‌سازي همزمان در زيرفضا28
2-1-3-6- روش ترکيب سيستم جامع دو مرحله‌اي30
2-2- روش‌هاي بهينه‌سازي31
2-3- عدم قطعيت در طراحي33
2-3-1- تعريف عدم قطعيت33
2-3-2- منابع و دسته بندي عدم قطعيت ها36
2-3-3- تحليل عدم قطعيت38
2-3-4- بررسي کلي روش‏هاي طراحي بر مبناي عدم قطعيت در دسترس38
2-3-4-2- طراحي بر مبناي قابليت اطمينان40
2-3-4-3- طراحي مقاوم40
2-3-4-3-2- مقاومت هدف43
2-3-4-3-3- مقاومت امکان‌پذيري43
2-3-4-3-4- تخمين ميانگين و واريانس تابع عملکرد44
2-3-4-3-5- بهينه سازي چند هدفي44
2-4- جمع‌بندي45
فصل سوم) مدل سازي زيرسيستم ها و شبيه سازي پرواز حامل فضايي46
3-1- مقدمه47
3-2- زيرسيستم‌هاي طراحي47
3-2-1- مأموريت47
3-2-1-1- نوع مدار48
3-2-1-2- پايگاه پرتاب49
3-2-2- احتراق50
3-2-3- طراحي موتور55
3-2-3-1- طراحي محفظه احتراق56
3-2-3-2- طراحي نازل58
3-2-4- طراحي هندسه59
3-2-5- تخمين جرم60
3-2-6- شبيه‌سازي پرواز حامل‌ها62
3-2-6-1- شبيه‌سازي جاذبه67
3-2-6-2- شبيه‌سازي اتمسفر68
3-2-6-3- برنامه زاويه فراز[36]70
3-2-6-3-1- پرواز عمودي71
3-2-6-3-2- پرواز مرحله اول71
3-2-6-3-3- جدايش مرحله اول71
3-2-6-3-4- پرواز مراحل بعد72
3-2-6-3-5- جدايش مراحل بعد72
3-2-6-3-6- جمع بندي محدوديت‌ها و قيود برنامه فراز72
3-3- جمع بندي72
فصل چهارم) طراحي حامل و بررسي نتايج74
4-1- مقدمه75
4-2- مثال رياضي76
4-3- طراحي حامل به روش مشارکتي79
4-4- طراحي حامل به روش امکان‌پذيري چند موضوعي88
4-5- بررسي اثر عدم قطعيت‌ها روي حامل طراحي‌شده90
4-6- طراحي بهينه مقاوم مشارکتي يک حامل فضايي با رويکرد چند هدفي93
5- پيشنهادات111
6- مقالات112
7- منابع113
فهرست اشکال
شکل1-1 شماي موشک حامل سفير9
شکل1-2 تقسيم‌بندي موشک حامل[15]10
شکل1-3 تأثير پارامترها بر انتخاب تعداد مراحل حامل فضايي12
شکل1-4 بلوک هاي حامل فضايي ساترن12
شکل1-5 ساختار سري و ساختار خورجيني در موشک حامل13
شکل1-6 روند طراحي حامل فضايي16
شکل2-1 طراحي هواپيما از نگاه متخصصان زيرسيستم ها [16]20
شکل2-2 تداخل موضوعات دخيل در طراحي [17]21
شکل2-3 منطق تصميم گيري براي انتخاب روش هاي بهينه سازي چند موضوعي [18]22
شکل2-4 روش امکان پذيري چند موضوعي[13]23
شکل2-5 روش تک موضوعي ممکن[13]25
شکل2-6 روش همه در يک مرتبه[13]25
شکل2-7 روش مشارکتي[13]28
شکل2-8 بهينه‌سازي همزمان در زيرفضا[13]29
شکل2-9 ترکيب سيستم جامع دو مرحله‌اي[13]30

شکل2-10 روند کامل يک فرايند بهينه سازي تحت عدمقطعيت[23]39
شکل2-11 حوزه کاربرد مسائل طراحي مقاوم و طراحي بر مبناي قابليت اطمينان[6]42
شکل2-12 تفاوت نقطه بهينه در طراحي مقاوم و طراحي بر مبناي قابليت اطمينان[28]43
شکل3-1 مدار بيضوي[29]48
شکل3-2 تعدادي از پايگاه هاي پرتاب فضايي در دنيا[30]49
شکل3-3 نمودار تغييرات ضربه خلأ بر حسب نسبت ترکيب اکسيد کننده به سوخت براي پيشران هاي مختلف[31]52
شکل3-4 اثر تغييرات فشار محفظه احتراق بر دماي ادياباتيک شعله براي پيشران N2O4/UDMH53
شکل3-5 اثر تغييرات نسبت اتميسيته بر فشار محفظه احتراق براي پيشران N2O4/UDMH53
شکل3-6 اثر تغييرات نسبت جرم مولکولي گاز ناشي از احتراق بر فشار محفظه احتراق براي پيشران N2O4/UDMH54
شکل3-7 اثر تغييرات نسبت اکسيد کننده به سوخت بر فشار محفظه احتراق براي پيشران N2O4/UDMH54
شکل3-8 تاثير تغييرات فشار محفظه احتراق و نسبت گرمايي ويژه بر ضربه ويژه57
شکل3-9 تاثير تغييرات فشار محفظه احتراق و فشار خروجي از نازل بر ضربه ويژه58
شکل3-10 نحوه چينش باک هاي پيشران[33]59
شکل3-11 قسمت هاي مختلف تشکيل دهنده در طول يک حامل فضايي[32]60
شکل3-12 نيروهاي وارد بر موشک حامل64
شکل3-13 اثر دوران زمين بر آزيموت پرتاب66
شکل3-14 نمودار تغييرات شتاب جاذبه بر حسب تغييرات ارتفاع68
شکل3-15 نمودار تغييرات چگالي بر حسب تغييرات ارتفاع70
شکل4-1 روندنماي طراحي در اين پايان‌نامه75
شکل4-2 فضاي سه بعدي تابع هدف و قيود76
شکل4-3 اثر قيود بر فضاي طراحي77
شکل4-4 ساختار روش مشارکتي براي حل مثال رياضي78
شکل4-5 متغيرهاي طراحي برنامه زاويه فراز81
شکل4-6 روندنماي کلي طراحي بهينه مشارکتي حامل فضايي83
شکل4-7 تغييرات ارتفاع برحسب زمان حامل طراحي‌شده86
شکل4-8 تغييرات سرعت برحسب زمان حامل طراحي‌شده در دستگاه سرعتي و اينرسي86
شکل4-9 تغييرات زواياي حمله، فراز و مسير برحسب زمان حامل طراحي‌شده87
شکل4-10 نمودار تغييرات ديناميکي نسبت به زمان88
شکل4-11 نمودار تغييرات جرم برحسب زمان88
شکل4-12 ساختار طراحي امکان‌پذيري چند موضوعي حامل فضايي89
شکل4-13 روندنماي اعمال عدم قطعيت‌ها روي حامل طراحي‌شده91
شکل4-14 نمودار تغييرات ارتفاع برحسب زمان تحت تأثير عدم قطعيت‌ها92
شکل4-15 نمودار تغييرات زاويه حمله برحسب زمان تحت تأثير عدم قطعيت‌ها92
شکل4-16 نمودار تغييرات سرعت برحسب زمان تحت تأثير عدم قطعيت‌ها در دستگاه سرعتي93
شکل4-17 روندنماي طراحي بهينه مقاوم مشارکتي حامل فضايي با رويکرد چند هدفي96
شکل4-18 نمودار تغييرات ارتفاع برحسب زمان حامل طراحي شده به روش مقاوم مشارکتي با رويکرد چند هدفي98
شکل4-19 نمودار تغييرات سرعت بر حسب زمان حامل طراحي شده به روش مقاوم مشارکتي با رويکرد چند هدفي98
شکل4-20 نمودار تغييرات زواياي حمله، مسير و فراز بر حسب زمان حامل طراحي شده به روش مقاوم مشارکتي با رويکرد چند هدفي99
شکل4-21 نمودار تغييرات جرم بر حسب زمان حامل طراحي شده به روش مقاوم مشارکتي با رويکرد چند هدفي99
شکل4-22 نمودار تغييرات هد ديناميکي بر حسب زمان حامل طراحي شده به روش مقاوم مشارکتي با رويکرد چند هدفي100
شکل4-23 نمودار مقايسه اي تغييرات ارتفاع بر حسب زمان حامل هاي طراحي شده به روش مشارکتي و روش مقاوم مشارکتي با رويکرد چند هدفي102
شکل4-24 نمودار مقايسه اي تغييرات سرعت بر حسب زمان حامل هاي طراحي شده به روش مشارکتي و روش مقاوم مشارکتي با رويکرد چند هدفي103
شکل4-25 نمودار مقايسه اي تغييرات زواياي حمله، فراز و مسير بر حسب زمان حامل هاي طراحي شده به روش مشارکتي و روش مقاوم مشارکتي با رويکرد چند هدفي103
شکل4-26 نمودار مقايسه اي تغييرات هد ديناميکي بر حسب زمان حامل هاي طراحي شده به روش مشارکتي و روش مقاوم مشارکتي با رويکرد چند هدفي104
شکل4-27 نمودار مقايسه اي تغييرات جرم بر حسب زمان حامل هاي طراحي شده به روش مشارکتي و روش مقاوم مشارکتي با رويکرد چند هدفي105
فهرست جداول
جدول الف پرتاب‌کننده‌هاي حامل فضايي از ابتدا تاکنون…………………………………………………………………………………………………2
جدول3-1 مزايا و معايب انواع موتور در حامل هاي فضايي[15]55
جدول4-1 مشخصات بهينه سازها براي حل مثال78
جدول4-2 نتايج به دست آمده پس از حل مسئله79
جدول4-3 متغيرهاي طراحي بهينه‌ساز83
جدول4-4 پارامترهاي طراحي84
جدول4-5 مشخصات حامل طراحي‌شده به روش طراحي بهينه مشارکتي85
جدول4-6 مقايسه نتايج طراحي به روش امکان‌پذيري چند موضوعي و مشارکتي90
جدول4-7 نحوه اعمال عدم قطعيت‌ها91
جدول4-8 مشخصات حامل طراحي شده به روش مقاوم مشارکتي با رويکرد چند هدفي97
جدول4-9 جدول مقايسه‌اي مشخصات حامل هاي طراحي شده به روش مشارکتي و روش مقاوم مشارکتي با رويکرد چند هدفي101
جدول پ1- موشک هاي حامل فعال يا درحال توسعه دنيا………………………………………………………………………………………..110
جدول پ2- حامل هاي فضايي جمهوري اسلامي ايران……………………………………………………………………………………………….113
هدف
هدف از انجام اين پايان‌نامه، طراحي يک حامل به کمک روش‌هاي نوين براي بالا بردن سطح کيفيت و بهينه کردن پرتابگرها است. به اين منظور روش طراحي بهينه چند موضوعي انتخاب شد تا با ترکيب با روش طراحي مقاوم، بتوانيم حاملي بهينه به لحاظ جرم و همچنين مقاوم در مقابل عدم قطعيت‌ها طراحي نماييم.
مزيت طراحي بهينه چند موضوعي با ساختار مشارکتي در اين است که اين روش انعطاف پذير مي باشد و طراحان مي توانند در صورت نياز يک موضوع طراحي را بدون وابستگي به ساير موضوعات اضافه و يا کم نمايند يا آن را تغيير دهند. طراحي مقاوم نيز سبب مي شود که نامعيني هاي ناشي از تاثيرات محيطي و يا نقص اطلاعات در طراحي يا فرضيات ساده سازي، در نظر گرفته شده و طرح خروجي طرحي با قابليت اعتماد بالاتر باشد.

مقدمه
دستيابي به فضا، روياي هميشگي انسان بود که در سال 1957 شوروي موفق شد به اين آرزو جامه عمل بپوشاند و راه را براي دستيابي به فضا باز کند. به دنبال آن ساير کشورها نيز سعي کردند سهمي از فضا و فعاليت‌هاي فضايي داشته باشند؛ اما چون اين عرصه نيازمند داشتن سطح تکنولوژي بالا و زيرساخت‌هاي لازم است تاکنون تنها چند کشور معدود توانستند محموله‌هاي فضايي را خود به فضا ارسال کنند. جدول الف پرتاب‌کننده‌هاي حامل فضايي از ابتدا تاکنون را نشان مي‌دهد.
جدول الف پرتاب‌کننده‌هاي حامل فضايي از ابتدا تاکنون

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

رديفپرتاب‌کنندهتاريخ اولين پرتاب1شوروي19572ايالات‌متحده آمريکا19583فرانسه19654ژاپن19705چين19706انگليس1971-آژانس فضايي اروپا19797هند19808رژيم اشغالگر قدس1988-اوکراين1991-روسيه19929جمهوري اسلامي ايران200910کره شمالي2012
گام اول براي طراحي يک حامل فضايي، طراحي مفهومي اين سيستم پيچيده است. مهندس سيستم در فاز طراحي مفهومي آزادي عمل دارد و تنها عاملي که مي‌تواند او را محدود کند، قيودي است که کارفرما براي طراح تعيين مي‌کند و يا سطح تکنولوژي در دسترس مي‌باشد؛ اما در ادامه هر چه جلوتر برويم آزادي عمل کم مي شود تا نهايتا کلياتي از زيرسيستم‌ها طراحي گردد. اين کليات به هرکدام از واحدهايي که قرار است جزئيات آن زيرسيستم را طراحي نمايند ابلاغ گرديده و آن‌ها موظف خواهند بود طرح کلي ابلاغي را به ثمر نشانند؛ بنابراين ملاحظه مي‌شود که براي انتخاب روش طراحي، دست متخصصان سيستم باز مي‌باشد. بنابراين اين متخصصان بايد روشي را انتخاب کنند که ضمن تحقق نتيجه، طرح بهينه‌اي را در مدت‌زمان حداقلي به‌عنوان خروجي ارائه کنند و هزينه موردنياز را در کمترين سطح ممکن نگهدارند.
حامل‌هاي فضايي پيچيدگي‌هاي زيادي دارند و طراحي و ساخت آن‌ها توسط تعداد زيادي از متخصصان انجام مي‌گيرد. هر حامل فضايي متناسب با مأموريت خود طراحي مي‌گردد. اين مأموريت‌ها مي‌توانند قرار دادن ماهواره در مدارهاي چند صد کيلومتري از سطح زمين باشند يا مي‌توانند براي انتقال انسان به فضا برنامه‌ريزي شوند. درهرصورت طراحان يا طراحي جديدي را آغاز مي‌کنند يا به بهينه‌سازي طرح‌هاي قبلي روي مي‌آورند؛ اما متغيرهاي هزينه، قابليت اطمينان و افزايش توان حمل محموله، از مهم‌ترين پارامترهاي مدنظر طراحان است. به همين دليل لازم است متخصصان بر روش‌هاي نوين طراحي حامل اشراف کامل داشته باشند تا بتوانند با انتخاب يک روش مناسب براي طراحي، کار خود را به‌خوبي انجام دهند. در ميان اين روش‌ها، طراحي بهينه چند موضوعي از مهم‌ترين روش‌هاي طراحي ميباشد. با توجه به اين‌که کشور ما امروز توانسته است در شرايط خاص موجود و در اوج تحريم‌ها و کارشکني‌ها، به تکنولوژي طراحي و توليد و پرتاب حامل فضايي دست يابد، لازم دانستيم روش‌ نويني براي طراحي را بررسي نماييم تا ان‌شاءالله در طراحي‌هاي بعدي با بهره‌گيري از آن‌ بتوانيم حامل‌هاي پيشرفته‌تر و با کارايي بهتر و بهينه‌تر توليد نماييم.
به اين منظور در فصل اول مقدماتي را در خصوص حامل‌هاي فضايي، ساختار و نحوه تقسيم‌بندي آن‌ها آورده‌ايم. در فصل دوم مفاهيم مرتبط با طراحي بهينه چند موضوعي آمده است. همچنين اطلاعاتي در خصوص عدم قطعيت‌ها و مفهوم طراحي مقاوم آورده شده است. فصل سوم به مباحث مرتبط با طراحي زيرسيستم‌هاي حامل مي‌پردازد. بخش شبيه‌سازي حامل نيز در اين فصل ارائه شده است. در فصل چهارم به طراحي حامل پرداخته شده است. براي اين کار ابتدا ساختار مشارکتي تشکيل شده و يک مثال رياضي در آن حل شده است. سپس حامل فضايي با اين ساختار طراحي شده و نتايج به دست آمده براي بررسي صحتشان با نتايج حاصل از طراحي حامل به روش امکان‌پذيري چند موضوعي مقايسه شده‌اند. در ادامه اثر عدم قطعيت‌ها روي حامل فضايي تحليل مي‌شود و پس‌ازآن براي دست‌يابي به حاملي با ساختار مقاوم نسبت به عدم قطعيت‌ها، روش مشارکتي را با روش طراحي مقاوم ترکيب مي‌کنيم. در اين روش رويکرد حل مسئله به‌صورت چند هدفي است و نهايتاً حاملي طراحي مي‌شود که ضمن تلاش براي کاهش جرم اوليه، مقاوم در برابر عدم قطعيت‌ها باشد.
در نهايت و در قالب جمع بندي و نتيجهگيري، حامل هاي طراحي شده به روش مشارکتي و مقاوم مشارکتي با يکديگر مقايسه مي شوند.
اين مقدمه را با کلامي از مولا علي عليه‌السلام به پايان مي‌برم. ايشان مي‌فرمايند:
“العلم سلطان، من وجده صال به و من لم يجده صيل عليه”
علم، سلطنت و قدرت است. هر که آن را بيابد، با آن يورش برد و هر که آن را پيدا نکند، بر او يورش برند./
شرح نهج‌البلاغه، ابن ابي الحديد، جلد 20، ص 319.
فصل اول
حامل هاي فضايي
مقدمه
حامل‌هاي فضايي به روش‌هاي مختلفي طراحي مي‌شوند. نوع مأموريت و رويکرد طراحان از مهم‌ترين عوامل تأثيرگذار بر انتخاب روش طراحي هستند. در اين پايان‌نامه نگاه نويسنده، استفاده از روش‌هاي نوين طراحي حامل و همچنين طراحي يک حامل قابل‌اعتماد در مقابل عدم قطعيت‌ها است. بنابراين قصد داريم به کمک روش طراحي بهينه چند موضوعي و ساختار مشارکتي و همچنين روش طراحي مقاوم يک حامل فضايي طراحي نماييم.
بدين منظور در اين فصل ابتدا مروري بر فعاليت‌هاي صورت گرفته در اين زمينه خواهيم داشت و در ادامه به معرفي حامل‌ها و انواع آن‌ها مي‌پردازيم. سپس توضيحاتي در خصوص طراحي سيستمي بيان مي‌شود.
مروري بر فعاليت‌هاي انجام‌گرفته
با توجه به اين‌که در اين پايان‌نامه، طراحي حامل با روش طراحي بهينه چند موضوعي با ساختار مشارکتي و ترکيب آن با روش طراحي مقاوم انجام مي‌شود، در اين بخش سعي شده است فعاليت‌هاي مرتبط با اين حوزه مرور گردد.
اولين بار آقاي سيوز بحث بهينه‌سازي چند موضوعي اتفاقي را در سال 1995 مطرح کرد. اين مقوله در سال 1998 توسط آقاي جيو1 مجدداً مطرح شد و ايشان در سال 1999 حل يک مسئله چند موضوعي را ازنظر مقاومت از روش بدترين وضعيت بهبود داد[1] .به دنبال آن در سال2000 و 2001 مقالاتي در زمينه مسئله چند موضوعي مقاوم توسط کخ 2و ماوريس3 منتشر شدند[2, 3]. چن و همکارانش در سال 2000 [4]کارهاي قبلي خود و ساير پژوهشگران قبلي را در زمينه تلفيق طراحي بهينه چند موضوعي با طراحي مقاوم تکميل کردند و روشي به نام تحليل عدم قطعيت يکپارچه زيرسيستم اصلاح‌شده4 (MCSSUA) را معرفي کردند که بهبوديافته کارهاي قبلي يعني تحليل عدم قطعيت يکپارچه زيرسيستم5 (CUSSA) بود. چن و همکارانش در سال 2001 [5] طراحي مقاوم را وارد ساختار بهينه‌سازي مشارکتي کردند و يک ساختار سلسه‌مراتبي6 ابداع نمودند که شامل سه سطح سيستم، زيرسيستم، و سطح تحليل عدم قطعيت مي‌شد. آن‌ها گزارش کردند که اگرچه اين روش کارآمد است، ولي به دليل وجود مشکل همگرايي بهينه‌سازي مشارکتي و حساسيت به نقطه شروع در بهينه‌سازي زيرسيستم، در برخي از مسائل با مشکل مواجه مي‌شود[6].
يکي از کارهاي ارائه‌شده و قابل‌دسترس در زمينه طراحي ماهواره‌بر در يک پايان‌نامه دکتري توسط آقاي مک کورميک7 در سال 2001 [7] انجام شده است. در اين کار که براي مرکز تحقيقاتي لانگلي انجام شده است، عدم قطعيت با روش احتمالات در طراحي يک ماهواره‌بر چند بار مصرف با روش بهينه‌سازي مشارکتي اعمال ‌شده است. در اين پژوهش کار نسبتاً کاملي ازلحاظ مباحث طراحي بهينه چند موضوعي با توجه به نرم‌افزارهاي قوي در دسترس محقق انجام شده است. در سال 2006 آقاي لينشو8 و همکارش بهينه‌سازي مقاوم يک ماهواره‌بر چندمرحله‌اي را انجام دادند. هدف اصلي اين مقاله اين است که روش تکاملي را براي طراحي مفهومي مقاوم يک ماهواره‌بر با در نظر گرفتن بهينه‌سازي مسير به کار ببرند. در اين روش بهينه‌سازي مقاوم تکاملي، ايده اساسي تعريف يک همسايگي براي يک حل و بنابراين تعيين ميانگين و واريانس موضعي يک حل مي‌باشد. بنابراين به کمک بهينه‌سازي چند هدفي تکاملي مي‌تواند تعاملي بين بهينگي و مقاومت برقرار شود. ساختار مدل‌سازي طراحي بهينه چند موضوعي به‌صورت همه در يک مرحله است و از روش الگوريتم ژنتيک براي بهينه‌سازي استفاده‌شده است. به‌علاوه مدل‌هاي به‌کاررفته بسيار ساده مي‌باشند. به‌عنوان‌مثال براي شبيه‌سازي مسير از روابط دو درجه آزادي، آيروديناميک روابط تجربي ساده، وزن روابط آماري و پيشران روابط تحليلي ساده استفاده‌شده است[8]. در سال 2007 آقاي ماهادوان9 و همکارش روشي مجزا10 براي بهينه‌سازي طراحي چند موضوعي تحت عدم قطعيت ارائه دادند[9]. در سال 2008 آقاي لينشو و همکارانش مقاله‌اي تحت عنوان روش طراحي مقاوم ممکن بر مبناي شبيه‌سازي11 براي طراحي يک ماهواره‌بر چندمرحله‌اي ارائه کردند. در اين مقاله ذکر شده است که در سال‌هاي اخير، در مقالات روش‌هايي براي دست يافتن به طراحي مقاوم ارائه شده است اما يا اين روش‌ها ازنظر محاسباتي هزينه‌بر هستند يا نياز به اطلاعات مشتق‌گيري دارند، درحالي‌که اکثر توابع به‌کاررفته در کارهاي مختلف شديداً غيرخطي هستند و يا پيچيده‌اند و داراي ناپيوستگي و نقاط نوک‌تيزند که غيرقابل مشتق‌گيري مي‌باشند. در اين مقاله، يک روش طراحي مقاوم کارآمد ارائه‌ شده است که حضور عدم قطعيت‌ها را نسبت به سطح مطلوبي از مقاومت مديريت مي‌کند و آن را طراحي مقاوم ممکن12 ناميده‌اند. از روش بدترين وضعيت سازگاري13 براي تخمين عدم قطعيت توليدشده در پيشگويي عملکرد استفاده‌شده است و به‌منظور به دست آوردن تخمين بدترين وضعيت، ماتريس طراحي متعامد مرتبه اول به‌صورت يکپارچه‌شده با الگوريتم ژنتيک به کار گرفته‌شده است. برعکس کارهاي انجام‌شده در مقالات قبل، روش ارائه‌شده از اطلاعات مشتق‌گيري استفاده نمي‌کند. در اين مقاله نيز از همان مدل‌هاي ساده به‌کاررفته در مقاله سال 2006 استفاده‌شده است[10]. در سال 2011، آقاي زمن14 و همکارانش مقاله‌اي با عنوان بهينه‌سازي طراحي بر مبناي مقاومت تحت عدم قطعيت در اطلاعات ارائه کرده‌اند[11]. اين مقاله فرمول‌بندي و الگوريتمي براي بهينه‌سازي طراحي تحت هر دو نوع عدم قطعيت، شانسي15 (يعني تغييرپذيري فيزيکي يا طبيعي) و شناختي16 (يعني اطلاعات احتمالي غيردقيق)، از منظر مقاومت سيستم پيشنهاد مي‌کند. در اين مقاله يک روش مجزا ارائه شده تا طراحي بر مبناي مقاومت را از آناليز متغيرهاي شناختي غير طراحي براي رسيدن به کارايي محاسباتي جدا کند. روش پيشنهادشده براي مسئله طراحي مرحله فوقاني17 يک ماهواره‌بر دومرحله‌اي به کار رفته است، که در آن اطلاعات درباره ورودي‌هاي تصادفي طراحي فقط به‌صورت داده‌هايي پراکنده18 يا بازه‌اي19 در دسترس هستند. نظر به اين‌که جمع‌آوري اطلاعات بيشتر عدم قطعيت را کاهش اما هزينه را افزايش مي‌دهد، اثر اندازه نمونه روي بهينگي و مقاومت راه‌حل نيز مطالعه شده است. در اين مقاله روشي توسعه داده شده است تا اندازه نمونه بهينه را براي تعداد داده‌هاي پراکنده‌اي که منجر به حلي از مسئله طراحي مي‌شوند که کمترين حساسيت به تغييرات در متغيرهاي ورودي تصادفي را داشته باشد تعيين کند[6].
البته درزمينه طراحي مشارکتي با رويکرد چند هدفي آقاي ولف20 در سال 2005 [12] پژوهش‌هايي داشته است. همچنين آقاي بالسدنت21 نيز درزمينه طراحي بهينه چند موضوعي يک حامل در سال 2011 تز دکتراي خود را ارائه نموده است[13]. حسيني و همکاران نيز در سال 2011 توانستند يک حامل فضايي دومرحله‌اي را به روش مشارکتي و باهدف کاهش جرم اوليه پرتاب طراحي نمايند[14]. آقاي بطالبلو در سال 2013 [6] نيز عمليات طراحي مقاوم يک ماهواره‌بر سوخت مايع را با احتساب عدم قطعيت انجام داده است.
بنابراين با نگاهي به مراجع مرور شده مي توان دريافت که اعمال عدم قطعيت ها در بدو مسير طراحي مدنظر طراحان قرار گرفته است. همچنين مطالعاتي در زمينه ترکيب طراحي بهينه چند موضوعي و طراحي مقاوم انجام شده است. اما به طور خاص حضور عدم قطعيت ها در ساختار مشارکتي منجر به پيچيده شدن مسير همگرايي مي گردد. در اين پايان نامه سعي کرديم با ترفندهايي مسير همگرايي را بهبود بخشيم.
در ادامه به معرفي موشک حامل و ساختار و نحوه تقسيم‌بندي آن مي‌پردازيم.
تعريف موشک حامل
موشک‌هاي حامل عبارتنداز موشک‌هايي كه براي حمل يک محموله يا بار مفيد از روي زمين به مدار اطراف زمين مورد استفاده قرار مي‌گيرند. موشک‌هاي حامل بکار گرفته‌شده تا به امروز از دو مرحله يا بيشتر تشکيل‌شده‌اند. اين موشک‌ها براي انجام مأموريت خود به‌صورت عمودي از زمين جداشده و با زاويه صفر درجه نسبت به افق محلي بار محموله خود را در مدار اطراف زمين قرار مي‌دهند. ‏ شکل1-1 شماي موشک حامل سفير را نشان مي‌دهد.
شماي موشک حامل سفير
تقسيم‌بندي موشک‌هاي حامل
موشک‌هاي حامل در دسته‌هاي مختلفي تقسيم‌بندي مي‌شوند. همان‌طور که از‏ شکل1-2 پيداست، موشک‌هاي حامل بر اساس نحوه طراحي، نحوه ترکيب ساختاري، تعداد دفعات استفاده، نوع محموله، محدوده کاربرد و کلاس وزني به دسته‌هاي مختلفي تقسيم مي‌گردند که هرکدام را به‌اختصار توضيح مي‌دهيم.
تقسيم‌بندي موشک حامل[15]
کلاس وزني موشک‌هاي حامل
موشک‌هاي حامل ازنظر کلاس وزني به چهار گروه سبک، متوسط، سنگين و فوق سنگين تقسيم مي‌شوند. موشک‌هاي حامل کلاس سبک، موشک‌هايي هستند که قابليت حمل جرم بار محموله آن‌ها به مدار ارتفاع پايين زمين (LEO) کمتر از 1 تن و موشک‌هاي حامل کلاس متوسط، موشک‌هايي هستند که جرم بار محموله قابليت حمل جرم بار محموله آن‌ها به مدار ارتفاع پايين زمين بيشتر از 1 تن و کمتر از 10 تن و موشک‌هاي حامل کلاس سنگين، موشک‌هايي هستند که قابليت حمل جرم بار محموله آن‌ها به مدار ارتفاع پايين زمين بيشتر از 10 تن و کمتر از 20 تن و موشکهاي حامل کلاس فوق سنگين، موشک‌هايي هستند که جرم بار محموله آن‌ها بيشتر از 20 تن باشد.
محدوده کاربردي موشک‌هاي حامل
موشک‌هاي حامل ازنظر محدوده کاربردي به سه دسته طبقه‌بندي مي‌شوند. دسته اول داراي محدوده کاربردي نزديک زمين، دسته دوم داراي محدوده کاربردي بين سياره‌اي و دسته سوم نيز داراي محدوده کاربردي خارج منظومه شمسي مي‌باشند.
بار محموله موشک‌هاي حامل
موشک‌هاي حامل ازنظر نوع بار محموله به دو دسته سرنشين دار و بدون سرنشين تقسيم‌بندي مي‌شوند. موشک‌هاي حامل سرنشين دار موشک‌هايي هستند كه براي حمل سفاين فضايي باسرنشين از آن‌ها استفاده مي‌گردد و در مقابل موشک‌هاي حامل بدون سرنشين براي حمل انواع محموله‌هاي فضايي بدون سرنشين مورداستفاده قرار مي‌گيرند. معمولاً کلاس اين نوع موشک‌ها از نوع سنگين و فوق سنگين مي‌باشند.
تعداد دفعات مصرف
ازنظر تعداد دفعات مصرف موشک‌هاي حامل به دو دسته يک‌بارمصرف و چند بار مصرف تقسيم‌بندي مي‌شوند. معمولاً موشک‌هاي حامل چند بار مصرف داراي اين قابليت هستند که پس از بازيابي به‌صورت كلي يا جزئي دوباره مورداستفاده قرار گيرند. براي مثال موشک حامل سفير يک‌بارمصرف و شاتل فضايي چند بار مصرف مي‌باشد.
نحوه ترکيب ساختاري موشک‌هاي حامل
ترکيب ساختاري موشک‌هاي حامل به تعداد مراحل، نحوه چيدمان مراحل و ساختار مقاومتي سازه موشک حامل برمي‌گردد.
تعداد مراحل
موشک‌هاي حامل امروزي جزء حامل‌هاي چندمرحله‌اي هستند؛ به‌عبارت‌ديگر تاکنون حداقل مراحل لازم براي رسيدن به‌سرعت و ارتفاع مداري و قرار دادن محموله در مدار، از دو مرحله به بالا بوده است؛ اما تحقيقات براي ساخت حامل‌هاي تک‌مرحله‌اي انجام‌شده تا شايد بشر بتواند در آينده به فناوري ساخت حامل تک‌مرحله‌اي دست پيدا کند.‏ شکل1-3 تأثير پارامترها بر انتخاب تعداد مراحل حامل فضايي را نشان مي‌دهد.
تأثير پارامترها بر انتخاب تعداد مراحل حامل فضايي
در ‏ شکل1-4 شماي مأموريتي يک حامل سه مرحله‌اي را مي‌بينيد.
بلوک هاي حامل فضايي ساترن
نوع ترکيب موشک‌هاي حامل
ترکيب ساختاري موشک حامل به دو بخش ساختار سري و ساختار خورجيني طبقه‌بندي مي‌شود. موشک‌هاي سبک‌تر ساختار سري دارند. در اين نوع ساختار باک‌هاي پيشران روي يکديگر قرار مي‌گيرند و همين مسئله منجر به افزايش طول حامل مي‌گردد که مشکلات سازه‌اي را به همراه خواهد داشت. درعين‌حال سادگي، سبکي و کوچک بودن عملگرهاي کنترلي از محاسن ساختار سري مي‌باشد. در ساختار خورجيني باک‌هاي پيشران در کنار يکديگر قرار مي‌گيرند به همين دليل طول موشک کوتاه‌تر مي‌گردد. اما مشکلات کنترلي و افزايش قطر موشک را در پي خواهد داشت. در‏ شکل1-5 دو موشک با ساختار سري و خورجيني مشاهده مي‌شود.
ساختار سري و ساختار خورجيني در موشک حامل
صنايع توليد بخش‌هاي مختلف حامل فضايي
با توجه به پيچيدگي و گستردگي طراحي و ساخت يک حامل فضايي، متخصصين و مهندسان زيادي در بخش‌هاي مختلف عمليات طراحي و ساخت را به عهده مي‌گيرند. در ادامه به معرفي تعدادي از اين بخش‌ها مي‌پردازيم.
بخش طراحي و تحقيقات
پس از تعيين مأموريت و ارسال سفارش به صنعت از سوي کارفرما، کار طراحي آغاز مي‌گردد. در فاز طراحي مهندسان سيستم، با توجه به محدوديت‌ها و قيود موجود، سعي مي‌کنند مناسب‌ترين طرح را استخراج کنند. طراحي به دو صورت امکان‌پذير است. طراحان در حالت اول بر اساس حامل‌هاي موجود، حامل متناسب با مأموريت را طراحي مي‌نمايند و يا در حالت دوم يک طرح جديد را ارائه مي‌کنند. البته حالت اول مرسوم‌تر است و بسياري از حامل‌هاي موجود، بر اساس حامل‌هاي سابق طراحي شده‌اند. پس‌ازاين که طراحي مفهومي انجام شد، طرح کلي اوليه به صنايع مرتبط ارسال شده و هر صنعت موظف است طرح دقيق زيرسيستم مربوطه را ارائه نمايد. با توجه به اينکه چهارچوب اصلي حامل در فاز طراحي مفهومي شکل مي‌گيرد، انتخاب روش طراحي براي دستيابي به بهينه‌ترين طرح بسيار مهم است. بر اين اساس طراحان با توجه به آزادي عملي که در اين فاز دارند، متناسب باهدف اصلي و مدنظر کارفرما مثل کاهش هزينه، کاهش جرم اوليه حامل و يا افزايش قابليت اطمينان روش طراحي را انتخاب مي‌کنند.
صنايع موتور
در اين بخش با توجه به تراست موردنياز و ابعاد به‌دست‌آمده از فاز طراحي مفهومي، موتور يا موتورهاي متناسب براي حامل طراحي و ساخته مي‌شوند و يا از ميان موتورهاي موجود انتخاب مي‌گردند. آنچه در طراحي و يا انتخاب موتورها بايد به آن توجه داشت مقدار ضربه ويژه22 موتور مي‌باشد. ضربه ويژه يکي از مشخصات موتور بوده و برابر است با مدت زماني که يک نيوتون پيشران در موتور مورد نظر بتواند با احتراق خود نيرويي معادل يک نيوتون توليد کند. معمولاً موتورهايي که از پيشران مايع استفاده مي‌کنند ضربه ويژه بالاتري نسبت به موتورهاي با پيشران جامد دارند.
صنايع سازه
سازه حامل‌هاي فضايي بايد سبک و درعين‌حال مقاوم باشد. در برخي حامل‌ها با توجه به اينکه باک پيشران دراز بوده و قسمت زيادي از حجم حامل را به خود اختصاص مي‌دهد، بدنه باک را طوري مي‌سازند که ديگر نيازي به استفاده از پوسته نبوده و پوشش باک همان پوشش خارجي حامل است. البته بديهي است که ابعاد و ضخامت سازه حامل بايد به‌گونه‌اي انتخاب شود که در مقابل تنش‌ها و فشارها و همچنين خيز موشک مقاومت کرده و از هم نپاشد.
صنايع پيشران
وظيفه صنايع پيشران توليد پيشران متناسب با نوع سيستم پيشرانش مي‌باشد. پيشران‌ها به انواع مختلفي تقسيم‌بندي مي‌شوند. پيشران‌هاي جامد، مايع، هيبريد و هيبريد معکوس از نمونه دسته‌بندي پيشران‌ها هستند.
صنايع هدايت و كنترل
مجموعه قطعات الکتريکي و الکترونيکي و همچنين عملگرهاي کنترلي در اين قسمت ساخته مي‌شوند. کامپيوتر پرواز، ژيروسکوپ‌ها، شتاب سنج‌ها و تجهيزات ناوبري که وظيفه تشخيص موقعيت دقيق موشک را بر عهده دارند، از خروجي‌هاي اين قسمت مي‌باشند.
صنايع تجهيزات پرتاب
کليه تجهيزات موردنياز براي حمل، آماده‌سازي و پرتاب حامل در اين بخش تهيه مي‌شود. طراحي برج سرويس مستقر در سايت پرتاب نيز در اين بخش صورت مي‌گيرد.
طراحي حامل‌هاي فضايي
همان‌طور که گفته شد بخش تحقيقات و طراحي، يکي از بخش‌هاي اصلي و مهم در صنايع توليد حامل‌هاي فضايي به شمار مي‌رود. اين بخش با دريافت يک سفارش به بررسي روش‌هاي مختلف طراحي حامل فضايي مي‌پردازد تا درنهايت به کمک يکي از روش‌هاي موردبررسي واقع‌شده، طراحي کلي حامل فضايي را انجام دهد. سيکل طراحي و توسعه بيشتر پروژههاي فضايي داراي پنج فاز زير ميباشد:
فاز اول) طراحي مفهومي
فاز دوم) طراحي اوليه
فاز سوم) طراحي دقيق
فاز چهارم) آزمايش
فاز پنجم) ساخت نمونه
در فاز اول مشخصات کلي حامل از قبيل تعداد مراحل و محدوده‌هاي تراست، جرم و ابعاد هر مرحله و همچنين ضرايب جرمي انرژيتيک به دست مي‌آيد. اطلاعات به‌دست‌آمده در اين فاز ممکن است با مقادير نهايي حدود 25 درصد اختلاف داشته باشد. در فاز دوم اطلاعات به‌دست‌آمده در فاز اول براي هر زيرسيستم با دقت بيشتري تحليل و بررسي مي‌شوند و نهايتاً مشخصات جزئي‌تري از حامل به دست مي‌آيد. در فاز طراحي دقيق، ابعاد دقيق زيرسيستم‌ها و نقشه‌هاي ساخت آن‌ها و همچنين جانمايي آن‌ها در حامل تعيين مي‌شود. پس از تست و آزمايش اين زيرسيستم‌ها به‌طور جداگانه و باهم و تطبيق عملکرد آن‌ها در کنار يکديگر، نمونه اوليه توليد مي‌گردد. نهايتاً پس از رضايت از عملکرد نمونه اوليه، توليد تعداد دلخواه از اين حامل‌ها آغاز مي‌گردد. (‏ شکل1-6)
روند طراحي حامل فضايي
در پيوست نيز جهت آشنايي، ليست موشک‌هاي حامل فعال يا درحال توسعه دنيا به همراه جزئياتشان در جدول پ1 و مشخصات حاملهاي فضايي جمهوري اسلامي ايران در جدول پ2 آورده شده است.
جمعبندي
با توجه به توضيحاتي که در اين فصل آورده شد، در اين پايان نامه به دنبال طراحي يک حامل با پيشران مايع و در کلاس متوسط هستيم. محدوده کاربردي حامل براي پرتاب محموله بدون سرنشين به مدار نزديک به زمين مي باشد. حامل از نوع حامل هاي يک بار مصرف خواهد بود و دومرحله اي مي باشد. ساختار حامل مدنظر سري هست و نوع طراحي نيز طراحي جديد مي باشد. سطح طراحي نيز در فاز طراحي مفهومي خواهد بود.
فصل دوم
مباني و مفاهيم

طراحي بهينه چند موضوعي
مقدمه
براي طراحي سيستم‌هاي بزرگ و پيچيده مانند حامل‌هاي فضايي، نياز داريم تا بين اهدافي که مدنظر داريم تعادل ايجاد کنيم. زيرا گاهي برخي اهداف با اهداف ديگر در تعارض هستند و تلاش براي ارضاي يک هدف ممکن است به فاصله گرفتن از اهداف ديگر بينجامد. اين اهداف مي‌توانند بهبود عملکرد، افزايش قابليت اطمينان، ساده‌سازي طرح و يا کاهش هزينه‌ها باشند.
طراحي مفهومي يک حامل فضايي، پيکربندي و خلاصه‌اي از وضعيت کلي حامل را ارائه مي‌دهد. معمولاً اين طراحي در جهت رسيدن به عملکرد مناسب (يا به تعبيري کاهش وزن حامل) براي ارضاء شرايط يک مأموريت تعريف‌شده خواهد بود. پيکربندي را مي‌توان شامل موارد زير دانست:
مشخص کردن تعداد بلوک و مراحل ماهواره‌بر
انتخاب نوع فناوري
توزيع جرمي و بيان جزئيات جرم‌ها
پيش‌بيني عملکرد حامل
نوع سناريوي عملياتي
تخمين هزينه‌ها
اما طراحي مفهومي مشکلات و نواقصي نيز دارد که آن‌ها را مي‌توان اين‌گونه برشمرد:
طراحي مفهومي، سيستم را در سطح پاييني توصيف مي‌کند.
ارتباط بين اهداف طراحي و پارامترهاي طراحي مفهومي معمولاً به‌خوبي مدل نمي‌شوند.
فلذا اين نتايج گاهي در طراحي ناکارآمد خواهند بود. براي بهبود دادن به اين نتايج در طول فاز طراحي مفهومي حداقل دو نکته بايد در نظر گرفته شود:
بهبود آناليز موضوعي و مدل کردن طرح با درجه اعتبار کافي
ارتقاي روش‌هاي ايجاد هماهنگي بين آناليز موضوعي و بهينه‌سازي کلي حامل فضايي
هدف دوم به کمک روش طراحي بهينه چند موضوعي23 در فاز طراحي مفهومي قابل دست‌يابي خواهد بود. رابطه متقابل و پيچيده‌اي بين آنچه مي‌خواهيم به آن برسيم و همچنين قيود و محدوديت‌هايي که داريم، شکل مسير پروازي، پيشرانش، وزن‌ زيرسيستم‌ها و نيروها با ناسازگاري‌هايي که هدف را تحت تأثير قرار مي‌دهند وجود دارد. البته اين ناسازگاري‌ها به کمک يک برنامه بهينه‌سازي مناسب قابل اصلاح خواهند بود. طراحي بهينه چند موضوعي ميان موضوعات مختلف طراحي، هماهنگي لازم را براي رسيدن به طرح مناسبي در طول فاز طراحي مفهومي ايجاد مي‌کند.
اين روش به مهندس سيستم اجازه مي‌دهد تا در بازه وسيعي از فضاي موجود و البته به‌صورت هوشمند، به بررسي شرايط بپردازد و تعداد زيادي از حالات ممکن طراحي را در فاز طراحي مفهومي و قبل از نهايي شدن طرح برتر، مورد ارزيابي قرار دهد. در ادامه تعدادي از روش‌هاي طراحي بهينه چند موضوعي با محوريت طراحي حامل فضايي آورده شده‌اند.
لزوم استفاده از طراحي بهينه چند موضوعي


دیدگاهتان را بنویسید