پروژههای شبیهسازی پژوهشگاه هوافضا
| 
| 
اصولاً شبیهسازها را میتوان در دو دستة کلی شبیهسازهای آموزشی و شبیهسازهای مهندسی طبقهبندی كرد. شبیهسازهای آموزشی برای بررسي رفتار سیستمهايي به كار ميرود که ساخته شده و توسعه پیدا كرده است و هدف از طراحی و ساخت آنها آشنا کردن کاربران سیستم با عملکرد رفتاری آن، همراه با هزینه و خطر اندك است؛ حال آنکه شبیهسازهای مهندسی در حوزة طراحی سیستمها به كار ميروند و برای طراح این امکان را فراهم ميكنند که پیش از آنکه دست به ساخت و آزمایش سیستم بزند، با هزینهاي بسیار کمتر، از عملکرد رفتاری طرح مورد نظر خود آگاه شود. در دسترس داشتن شبیهسازی که دورنمايي همهجانبه و کامل از رفتار سیستم مورد بحث در اختیار طراح قرار دهد، در حال حاضر به عنوان یک نیاز غیرقابل انکار در فرایندهای مهندسی مورد توجه قرار میگیرد.
با عنايت به اهميت موضوع، پژوهشگاه هوافضا (وابسته به وزارت علوم، تحقيقات و فناوري) بر آن شد تا با برگزاري کنفرانس تخصصي شبيهسازي پرواز فرصتي فراهم آورد تا محققان و متخصصان اين حوزه گرد هم آمده و با بحث، گفتگو و تبادل نظر، موجبات ارتقاي سطح دانش را در اين حوزه فراهم كنند. ويژهنامهاي كه پيش روي شماست، در همين راستا و با هدف معرفي فعالیت های صورتگرفته در پژوهشگاه هوافضا در حوزة شبیه سازی پرواز منتشر شده است.
شبيهساز پرواز ايران 140
شبيهسازهاي پرواز ابزاري بسيار ضروري براي آموزش خلبانان محسوب ميشوند، به طوري که امروزه به شکل گستردهاي در صنعت هوانوردي طراحي و ساخته ميشوند و کاربردهاي عمومي و نظامي پيدا کردهاند. در چنين شبيهسازهايي شرايط عادي و اضطراري براي نوع خاصي از يک هواپيما آموزش داده ميشود. تاريخچة استفاده از شبيهسازهاي پرواز در صنعت هوايي به سال 1948 برميگردد که کورتيس رايت اولين سيمولاتور کامل خود را در خطوط هوايي پَنامريکن امريکا راهاندازي کرد؛ اين سيمولاتور فاقد حرکت و تصوير مجازي (واقعيت مجازي) بود، با اين حال کلية ابزارآلات، سوئيچها و کابين خلبان را شامل ميشد و نقش بسيار مؤثري در آموزش خلبانان داشت. به اين گونه شبيهسازهاي پروازي، اصطلاحاً شبيهسازهاي ثابت ميگويند که در آموزش خلبانان از سهمي 27 درصدي برخوردارند. اين شبيهسازها، كه شبيهسازهای آموزشی پروازی (Flight Training Device: FTD) نيز ناميده ميشوند، فاقد سکوي حرکتي هستند، اما ميتوانند داراي قابليت نمايش تصوير محيط اطراف کابين باشند. مزاياي استفاده از سيمولاتورهاي ثابت عبارتند از: آموزش خلباني، کاهش هزينهها، بررسي کارايي و عملکرد سيستمها، کاربرد در تحقيقات، عدم محدوديت در زمان و مکان استفاده، مدلسازي ايمن عيوب رفتاري هواپيما، کاهش ترافيک هوايي در مناطق آموزشي، افزايش ضريب ايمني پرواز، و انعطافپذيري برنامة آموزش.
|
|
| نمونهاي از شبيهسازهاي FTD مجهز به سيستم تصوير |
ساختار سختافزاري و عملکرد نرمافزاري
طراحي و اهداف عملي پيادهسازي شبيهساز پروازي را ميتوان در چند مورد زير خلاصه کرد: انجام آزمايشهاي پروازي و جمعآوري دادههاي پيش از پرواز، حل معادلات حرکت هواپيما، اجراي فرامين کنترلي و هدايت خلبان، نمايش گرافيکي پنلها و ابزارآلات دقيق هواپيما، پيادهسازي شرايط اضطراري، و ثبت وقايع.
روش کار بدين صورت است که با انتگرالگيري عددي از معادلات ديفرانسيلي حرکت، مدل ديناميکي يک هواپيما به دست آمده و متغيرهاي ديناميكي آن بهروزرساني ميشوند؛ سپس خروجيهاي اين مدل به عنوان ورودي سيستمهاي کنترلي و ناوبري به كار ميرود؛ الگوريتمهاي گرافيکي کامپيوتري نيز به صورت بلادرنگ براي نمايش سيستمهاي تصويري و خروجيهاي گرافيکي هواپيما به کار گرفته ميشوند. علاوه بر اين، با طراحي پنل استادخلبان و ايستگاهها، امکان ارزيابي فرايند آموزش توسط استادخلبان فراهم ميشود. همچنين به منظور اعتبارسنجي و بررسي کيفيت سيستمهاي شبيهسازيشده تمامي وقايع به طور همزمان ثبت ميشوند.
|
سيمولاتور ثابت هواپيماي ايران 140 فعاليتهاي صورتگرفته در زمينة ارتقاي سيمولاتور ثابت ايران 140 |
|
|
| نمايي از پنل GPS |
سيستم خلبان خودکار: امروزه جايگاه مهمي را در هدايت خودکار هواپيما در فازهاي مختلف پروازي بهويژه فاز کروز شامل کنترل ارتفاع و زواياي چرخشي حين پرواز، به خود اختصاص داده است.
سيستم GPS: امکان ناوبري را از طريق سيستم رهياب ماهوارهاي و هدايت هواپيما در کنار ديگر سيستمهاي ناوبري فراهم ميکند.
سيستم TCAS: نقش بسزايي را در آموزش خلبانان حين مواجهه با ترافيک هوايي و رفتار مناسب در شرايط اضطراري برخورد هواپيما ايفا ميكند.
سيستم EGPWS: امروزه به منظور آموزش در شرايط اضطراري نشست و پرواز در نزديکي زمين به کار ميرود که براي آگاهي خلبان از وضعيت ناهمواريهاي سطح زمين لازم و ضروري است.
پنل استادخلبان: کلية مراحل آموزشي شامل تعيين برنامة آموزشي، تعيين نقشة پروازي و رديابي و کنترل مسير طيشدة پروازي و همچنين نمايش گرافيکي سيستم ILS توسط اين پنل قابل اعمال و پيگيري است.
سيستم صدا: سيمولاتور ثابت ايران 140 مجهز به سيستم صوت بوده و شرايط سمعي مناسب را در حين پرواز فراهم ميکند. سيستم صدا شامل دو قسمت فايلهاي صوتي و برنامة صوتي است كه توسط آن كلية صداها، هشدارها و بوقهاي موجود در كابين خلبان شبيهسازي ميشود. همچنين توسط اين برنامه صداهاي مربوط به خرابي موتور و شرايط اضطراري نيز پخش ميشود.
نمايشگرهاي تاچاسکرين: از جمله قابليتهاي گرافيکي سيمولاتور ايران140 ميتوان به نمايشگرهاي تاچاسکرين به عنوان جايگزين مناسبي براي پنلهاي واقعي اشاره کرد.
ارتقاي برنامة مديريت: به منظور مديريت ثبت و انتقال دادهها و فرامين پروازي، در اين شبيهساز از روش پردازش موازي استفاده شده است. در واقع تبادل اطلاعات ميان بخشهاي مختلف شبيهساز توسط اين برنامه صورت ميپذيرد. اين برنامه كه به صورت برنامهنويسي سوكت، اطلاعات را منتقل ميكند قادر است تا اطلاعات مربوط به درگاههاي RS232 و USB را خوانده و انتقال دهد.
شبيهسازي مسير پرتاب ماهوارهبر
| عملکرد کلي يک ماهوارهبر متشکل از عملکرد زيرسيستمهاي متعددي است که در حضور عوامل داخلي و محيطي ديگر نهايتاً رفتار سيستم را نتيجه ميدهند. داشتن مدل مناسب از هريک از اين زيرسيستمها و همچنين مدلسازي کامل عوامل مؤثر داخلي و خارجي، فرايندي است که امكان تصميمگيري مطلوبتري را براي طراح سيستم فراهم ميكند. زيرسيستمهاي يک ماهوارهبر که مدلسازي هرچه دقيقتر آنها ميتواند در تخمين واقعيتر رفتار ماهوارهبر مفيد باشد عبارتند از: سيستمهاي پيشران، هدايت، ناوبري و کنترل. همچنين عوامل تأثيرگذاري که بايد در شبيهسازي يک ماهوارهبر اشراف قابل قبولي بر مدل آنها داشته باشيم عبارتند از: عوامل محيطي چون اتمسفر و مدل گرانش، و عوامل داخلي چون مدل ايروديناميک پرنده، مدلهاي تلاطم سوخت و مدل ارتعاشات و تغيير شکل سازه. |
|
|
| پنجرة اصلي برنامة شبيهساز شش درجه آزادي | ||
| در ادامه شبيهساز شش درجه آزادي ماهوارهبر پژوهشگاه هوافضاي ايران (LV-sim) که در محيط سيمولينك تهيه شده است معرفي ميشود. شبيهساز شش درجه آزادي ماهوارهبر پژوهشگاه هوافضا برنامهاي کاربردوست بوده که در محيط نرمافزار متلب (نسخة 7.3.0) تهيه شده و براي شبيهسازي پرتاب يک ماهوارهبر دومرحلهاي به مدارهاي ارتفاع پايين استفاده ميشود. در حال حاضر داراي کاربري مطالعاتي بوده و به عنوان بستري مناسب براي تحقيق و آزمايش انواع زيرسيستمها از جمله هدايت، ناوبري و کنترل به كار گرفته ميشود. در اين شبيهسازي بهراحتي ميتوان از طريق پنجرة اطلاعات ورودي، شرايط اوليه و اطلاعات مربوط به هريک از زيرسيستمها را به شبيهساز اعمال كرد. |
 |
|
| پنجرة وروديها در برنامة شبيهساز شش درجه آزادي |
اطلاعات مربوط به هر بخش را ميتوان بعد از کليک کردن نام آن در پنجرة وروديها، در پنجرة مربوط به آن بخش وارد كرد.
شبيهساز يادشده اين قابليت را در اختيار کاربرانش قرار ميدهد که با ورود به بخش مربوط به زيرسيستمهاي مختلف، با اعمال تغييرات در پارامترها، تغيير در عملکرد کلي مجموعه را بررسي كنند. بر همين مبنا اين شبيهساز تاکنون به عنوان بستر مطالعات باارزشي در حوزة الگوريتمهاي هدايت ماهوارهبر، روشهاي نوين کنترل ماهوارهبر و روشهاي تلفيقي ناوبري به كار گرفته شده است.
مدلهاي محيطي به کار رفته در اين شبيهساز با در نظر گرفتن بيضوي بودن زمين، تخمين قابل قبولي براي چگونگي تأثير اين عامل روي حرکت ماهوارهبر در اختيار قرار ميدهد. مدل اتمسفر براساس جدولهاي استاندارد اتمسفر به دست آمده و تأثيرات تصادفي باد در آن لحاظ گرديده است ـ که يکي از نقاط قوت آن به حساب ميآيد.
شبيهسازي مسير پرتاب راکت کاوش
راکت کاوش به موشکهاي عمدتاً تحقيقاتي اطلاق ميگردد که معمولاً با هدف مطالعه و جمعآوري اطلاعات، به سمت لايههاي بالاي جو و در مواردي به فضاي خارج از آن پرتاب ميشوند. اين وسايل پرنده صرفنظر از نوع مأموريت از جهات ديگري نيز داراي تفاوتهاي بنيادي با ماهوارهبرها هستند كه يكي از آنها عدم برخورداري اين وسايل از زيرسيستمهاي هدايت و کنترل است. زيرسيستم ناوبري نيز در اين مجموعه معمولاً جز در مواردي اندک نقش عملياتي چنداني بازي نميکند و بيشتر در مقام مطالعات تحقيقاتي مورد استفاده واقع ميشوند. اين دلايل باعث سادگي ساختاري آن و در نتيجه ارزان تمام شدن پرتاب يک راکت ميگردد و آن را به عنوان وسيلهاي مناسب و باصرفه براي آزمايش و تحقيق، در كانون توجه قرار ميدهد.
| اما اين سادگي ساختار از سوي ديگر ميزان اهميت شبيهسازي پيش از پرتاب را به مراتب افزايش ميدهد. عدم دسترسي به سيستمهاي هدايت و کنترل در طول پرواز، اين راكت را به وسيلهاي غيرقابل كنترل تبديل ميكند که تحت تأثير اغتشاشات کوچک، رفتارهايي تصادفي از خود نشان ميدهد و عملاً پيشبيني رفتار آن را غيرممکن ميکند. تنها راه پيشبيني رفتار اين وسيله، مدلسازي بسيار دقيق سيستم و عوامل محيطي و داخلي آن است. راکتهاي کاوش عمدتاً داراي زيرسيستم بازيابي محموله نيز هستند که اين مسئله بر ضرورت دقت شبيهسازي ميافزايد. همانطور که از نام آن ميتوان حدس زد، سيستم بازيابي محموله به مجموعه ترمزهاي ايروديناميکي سرعت، چترهاي ترمزي و چتر فرود اطلاق ميگردد که وظيفة سالم نشاندن محمولة تحقيقاتي راکت را بر عهده دارد. عملکرد مناسب اين سيستم بستگي زيادي به اطلاعات به دست آمده از شبيهسازيها در زمان طراحي دارد. به عنوان مثال، زمان يا ارتفاع مناسب براي باز شدن چتر، به شکلي که ضربة وارده باعث پاره شدن بندهاي چتر نگردد، به شکل مستقيم از شبيهسازي حاصل ميگردد. شبيهسازي راکت کاوش در زمان مأموريت نيز اهميت پيدا ميکند. رفتار تصادفي اتمسفر و بادهاي منطقة پرتاب در روز پرتاب، شرايطي است که نميتوان آن را در مراحل توليد يا روزهاي قبل از پرتاب پيشبيني كرد. به اين ترتيب لازم است در روز پرتاب و لحظاتي پيش از پرتاب در منطقة مأموريت، اطلاعات رفتار لايههاي مختلف جو را جمعآوري كرده و با وارد کردن به نرمافزار شبيهسازي، محل تقريبي فرود مراحل و محموله را تعيين كرد. |
|
آنچه به آن پرداخته شد اطلاعات جامعي از لزوم استفاده از شبيهساز در فازهاي طراحي و عمليات راکت کاوش بود. در ادامه مثالي از اين گونه شبيهسازها ارائه خواهد شد.
پژوهشگاه هوافضا با در اختيار داشتن تجربة پرتاب راکتهاي کاوش 1 و 2 و در دست اقدام داشتن پروژههاي مشابه و پيشرفتهتر ديگر، در حوزة شبيهسازي راکتهاي کاوش تجربههاي گرانقدري را به دست آورده و در حال حاضر يکي از کاملترين شبيهسازهاي اين حوزه را توسعه داده و مورد استفاده قرار ميدهد. در سطرهاي بعدي توضيحات مختصري دربارة اين شبيهساز کاربردي در اختيار خوانندگان قرار خواهد گرفت.
شبيهساز راکت کاوش پژوهشگاه هوافضا توانايي شبيهسازي رفتار شش درجه آزادي يک راکت کاوش يکمرحلهاي با محمولة جداشونده و سيستم بازيابي را داراست. ساختار داخلي اين شبيهساز در محيط سيمولينك نرمافزار متلب (نسخة 7.3.0) تدوين شده است.
اين شبيهساز توانايي حل معادلات حرکت راکت را در دو فاز پرتاب و بازگشت به جو دارا بوده و با داشتن مدل کاملي از سيستم بازيابي محموله به همراه مدل باد منطقهاي، توانايي تخمين مناسب نقطة فرود محموله را داراست.
شبيهسازي مدار ماهواره
مكانيك مدارهاي فضايي علمي است كه چگونگي حركت اجرام سماوي را بررسي ميكند. اين علم به دو شاخه طبقهبندي ميشود: شاخة نخست كه مرتبط با حركت فضاپيماهاست و ديناميك فضايي (Astrodynamics) ناميده ميشود؛ و شاخة دوم كه پيرامون حركت اجرام طبيعي فضايي بحث كرده و به آن مكانيك فضايي (Celestial Mechanics) اطلاق ميشود.
حركت فضاپيماها در زماني كه نيروي موتور به آنها اعمال نميشود يا در پرواز پهلوگيري، بسيار شبيه اجرام كوچك سماوي است بنابراين مدلهاي پايه در هر دو مورد يكسان استخراج ميشود. ديناميك فضايي خود داراي دو بخش ديناميك موقعيت مركز جرم و ديناميك وضعيت حول مركز جرم است كه در اينجا فقط به موضوع اول پرداخته ميشود.
در فرايند انجام پروژه به موارد زير پرداخته شده است:
- معرفي سيستمهاي مختصات فضايي
- قوانين كپلر و استخراج آنها از قوانين نيوتن
- تدوين نرمافزار شبيهساز مدار در محيط سيمولينک
- مطالعه و مدلسازي اغتشاشات مداري مانند جاذبة غيرشعاعي زمين، جاذبة اجرام سماوي غير از زمين، فشار پرتوها و توفانهاي خورشيدي و پساي جو
- نرمافزار تكميلشدة مدار كه قادر به شبيهسازي كامل مدارهاي ماهوارهاي با فرض وجود اغتشاشات است.
 |
|
|
| ردپاي سهبعدي ماهواره | شماي دوبعدي مسير ماهواره روي سطح زمين |
واقعيت مجازي
| واقعيت مجازي محيطي است كه توسط رايانه توليد ميشود به نحوي که كاربران اين محيط خود را کاملاً در آن غوطهور پنداشته و ميتوانند با آن دنياي مصنوعي تعامل كنند. در يک چنين دنياي ساختگي و در جايي که قوانين فيزيکي حاکم بر فضا، زمان، اجسام و غيره ممکن است معتبر يا بياعتبار باشند، سعي بر آن است که ويژگيهاي خاص محيطهاي واقعي دوباره و بهدرستي توليد شوند. از نظر عملكردي، هر سامانة واقعيت مجازي را ميتوان يك شبيهسازي رايانهاي از دنياي واقعي توصيف كرد. در اين دنياي شبيهسازيشده، كاربران ميتوانند با استفاده از واسطهاي ورودي و خروجي مانند دستکشهاي حسگر، نمايشگرهاي سهبعدي برجستهبين ـ كه بر روي سر نصب ميشوند ـ و رديابهاي حركتي، با اين محيط مجازي تعامل برقرار كنند و بلادرنگ اشياي مشاهدهشده را به دست گرفته و آزادانه به سوي مقصد مورد نظر خود حركت کنند. |
 |
|
| ديد بيمار از پنجره به بيرون، از داخل هواپيماي در حال فرود | ||
| کاربردهاي رايج واقعيت مجازي در دو زمينة درمان بيماري هراسي و همچنين آموزش است. در درمان بيماريهاي هراسي مانند ترس از ارتفاع، ترس از حشرات يا اختلال استرس پس از سانحه، با ايجاد شرايط هراسانگيز به صورت مجازي تحت شرايط کنترلشده، ترس بيمار با روشي به نام درمان توسط مواجهه (Exposure Therapy) معالجه ميشود. واقعيت مجازي همچنين براي آموزش مواردي که تجربة واقعي آنها به دليل خطر يا بالا بودن هزينه ممکن نيست استفاده ميشود مانند آموزش آتشنشانان، چتربازان و خلبانان. |  |
|
| نمايي از محيط داخل هواپيما | ||
با توجه به نيازهاي طراحي و ساخت نرمافزاري که به وسيلة آن بتوان بيمار را درون محيط مجازي غوطهور کرد، طرحي کلي از روش درمان بيمار توسط مواجهة مجازي تعريف گرديد که در آن بيمار با قرار گرفتن در محيط و تجربة پرواز در شرايط کنترلشده همراه با نظارت پزشک درمان ميشود. توسعة اين سيستم واقعيت مجازي در پژوهشگاه هوافضا به پايان رسيده است و در حال حاضر مراحل آزمون و بهبود كارايي را پشت سر ميگذراند. |
|
|
| نمايي از بيرون هواپيماي در حال پرواز |
منبع:آرشیو ویژه نامه خبرهای هوافضایی
بخشهاي اصلي يك راکت كاوش