معرفی گرایش های مهندسی هوافضا و نرم افزارهای مرتبط

مهندسی هوافضا (Aerospace Engineering)، یکی از رشته‌های شاخه فنی مهندسی است که به دلیل ایجاد تکنولوژی‌های جدید و رشد سریعی که در ارائه پدیده‌های نو دارد، در سراسر جهان بعنوان یکی از علوم با سطح فناوری بالا (HighTech) محسوب می‌شود. برای تصور بهتر از سرعت پیشرفت این علم کافیست تلاش‌های برادران رایت برای اولین پرواز را با لمس خورشید توسط کاوشگر پارکر در بازه زمانی کمتر از 150 سال در نظر بگیرید. این رشته در یک تعریف ساده به بررسی، طراحی و ساخت وسایل پرنده هوایی و فضایی، از هواپیما، هلی کوپتر، موشک، پهپاد گرفته تا بالن، فضاپیما، ماهواره، ایستگاه فضایی و .... می‌پردازد. مهندسی هوافضا از 5 گرایش اصلی آیرودینامیک، سازه‌های هوایی، جلوبرندگی، دینامیک پرواز و کنترل و مهندسی فضایی، تشکیل شده است.

آیرودینامیک

گرایش آیرودینامیک، تقریبا معروف‌ترین شاخه مهندسی هوافضا، حتی برای افراد خارج از این رشته است. عبارت آیرودینامیک از نظر لغوی از دو بخش آیرو (aero) به معنی هوا و دینامیک (dynamic) به معنی حرکت تشکیل شده است. بنابراین آیرودینامیک به معنی علم مطالعه "حرکت هوا" است. از نظر مفهومی و تقسیم بندی‌های علوم، آیرودینامیک، یکی از زیر مجموعه‌های علم دینامیک سیالات (مکانیک سیالات) است. به عبارت دقیق تر، دینامیک سیالات به دو بخش اصلی دینامیک گاز و مایعات تقسیم می‌شود و در مرحله‌ای جزیی‌تر دینامیک گاز شامل چند شاخه می شود که آیرودینامیک یکی از آن‌هاست و  به طور خاص به مطالعه حرکت هوا می‌پردازد. در واقع در این علم رفتار جریان هوا و تاثیری که بر حرکت اجسام پرنده می‌گذارد، بررسی می‌شود.

دروسی که در این گرایش از مهندسی هوافضا بعنوان دروس تخصصی اصلی باید گذرانده شوند، آيروديناميك مافوق صوت،آيروديناميك مادون صوت، جريان لزج پيشرفته، توربولانس، ديناميك سيالات عددی 1 و 2، آيرو ديناميك ناپايا، هستند. پس از آن، معمولا به فراخور دانشگاه دروسی مانند آيروديناميك ماوراء صوت، آيروديناميك بالگرد، مكانيك سيالات عددي در جريان‌هاي تراكم پذير، مكانيك سيالات عددي در جريان‌هاي تراكم ناپذير، جريان‌هاي چندفازي، تئوري اغتشاشات،اكوستيك، تئوري لايه مرزي، توربولانس، سوخت و احتراق پيشرفته، آيروالاستيسيته، آيروديناميك موشك و...... به عنوان دروس انتخابی ارائه می‌شوند.

یکی از روش‌های بررسی مسائل آیرودینامیکی استفاده از تونل باد بعنوان تست آزمایشگاهی است که البته برای همه مسائل و شرایط امکان پذیر نیست و همچنین برای موارد امکان پذیر هم، هر مرحله از تست هزینه مالی بسیار زیادی را تحمیل می‌کند. اما در مقابل نرم افزارهای کامپیوتری با کمترین زمان و هزینه انواع متفاوتی از مسائل را شبیه سازی می‌کنند.

از معروف ترین و پرکاربردترین نرم افزارها این گرایش از مهندسی هوافضا می‌توان به موارد زیر اشاره کرد: 

• انسیس فلوئنت (Ansys Fluent)
• سی اف ایکس Ansys CFX،
•  کامسول (COMSOL)،
• استار سی سی ام (STAR CCM+)،
• اوپن فوم (OpenFOAM)
• و ....

سازه های هوایی

این گرایش همان طور که از اسمش پیداست به طراحی و تحلیل سازه‌ها در وسایل هوایی می‌پردازد. گرایش سازه های هوایی را می‌توان معادل گرایش جامدات در رشته مهندسی مکانیک در نظر گرفت. دردانشکده‌های مهندسی هوافضا، شروع مطالعات در این شاخه با دروس مقاومت مصالح، تحلیل سازه‌های هوایی، طراحی سازه های‌هایی و ... در دوره کارشناسی آغاز می‌شود. سپس در دوره‌ی کارشناسی ارشد دروس ديناميك سازه، تحليل پيشرفته سازه‌هاي هوافضايی، روش اجزاءمحدود، مكانيك مواد مركب، طراحي پيشرفته سازه‌هاي هوافضايي، آيروالاستيسيته، مكانيك محيط‌هاي پيوسته بعنوان دروس تخصصی اصلی گذرانده می‌شوند. البته واحدهایی مانند خستگي- شكست- خزش، طراحي پيشرفته وسايل نقليه هوافضايي، پايداري سازه‌هاي هوايي، ارتعاشات اتفاقي، ارتعاشات پيشرفته و ... در لیست دروس انتخابی ارائه می‌شوند.

به طور کلی هدف گرایش سازه در مهندسی هوافضا طراحی بخش‌های مختلف از سازه‌های هوافضایی و تحلیل آن‌ها در شرایط متفاوت پروازی و در برابر پدیده های شکست، خستگی، ارتعاشات، کمانش، انفجار و ... است که شامل طراحی بال، بدنه، سکان های عمودی و افقی در دم، ارابه های فرود و .... می شود که هر یک دارای جزییات و چالش های متعددی است.

نرم افزارهای مورد نیاز این زمینه از مهندسی هوافضا شامل موارد زیر هستند: 

 ابزارهایی برای مدلسازی:

• اتوکد (AutoCAD)
• سالیدورک (SolidWorks)
• کتیا (CATIA)
• زیمنس ان ایکس (Siemens NX)
• اینونتور (Autodesk Inventor)

تحلیل سازه ها:

• آباکوس (Abaqus)،
• انسیس ورکبنج یا مکانیکال (Ansys Workbench)،
• ال اس داینا (LS-DYNA)،
• ادمز (MSC Adams)،
• تخمین عمر خستگی MSC Fatigue 

جلوبرندگی (پیشرانش)

گرایش پیشرانش مانند آیرودینامیک، مبنای سیالاتی دارد و می‌توان اصول اولیه مشترکی دارند. هدف اصلی این شاخه از مهندسی هوافضا بررسی بخش‌های تولید کننده تراست (Thrust) یا نیروی پیشران است. بنابراین به مطالعه انواع سیستم‌های جلوبرنده اعم از موتورهای پیستونی، توربینی، راکت‌ها و نحوه تولید نیروی رانش در آن‌ها می‌پردازد. هر موتور هواپیما دارای بخش های مهم و متفاوتی مثل توربین، کمپرسور، محفظه احتراق، نازل، دریچه ورودی و .... است که بررسی و آنالیز هر کدام، چالش و پیچیدگی‌های خاصی را به دنبال دارد.

اصلی ترین درس‌های تخصصی این گرایش شامل جلوبرنده پيشرفته، طراحي آيروديناميكي توربوماشين‌ها، سوخت واحتراق پيشرفته، آيروترموديناميك موتورهاي موشك، روش‌هاي عددي درتوربوماشين ها، ديناميك سيالات عددی، جريان لزج پيشرفته و ديناميك گازها می‌شود. پس از آن در قالب دروس انتخابی معمولا واحدهای آيروديناميك مافوق صوت، سوخت واحتراق پيشرفت،صداي موتور، موتورهاي احتراق داخلی پيشرفته، آيروديناميك ورودي، محاسبات عددي پيشرفته، شبيه سازي توربولانس ديناميك گازها، انتقال حرارت جابجايي، انتقال حرارت تشعشع، انتقال حرارت هدايت، ناپايداري احتراق، ارائه می‌شوند.

از نرم افزارهای مناسب و مرتبط با این زمینه از مهندسی هوافضا می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• گس‌ترب (GasTurb)،
• کانسپت انرک (Concept Nrec)،
• بلیدجن و توبوگرید (BladeGen & TurboGrid) 
• انسیس فلوئنت (Ansys Fluent) 

دینامیک پرواز و کنترل

همانطور که می‌دانیم، دینامیک علم تعیین وضعیت اجسام و حرکت آن‌هاست. ویژگی این دانش در مهندسی هوافضا این است دینامیک پرواز به تعیین وضعیت وسایل هوافضایی که اصطلاحا پرنده نامیده می‌شوند، می‌پردازد. اینکه پیکربندی هواپیما، جایگذاری اجزای مختلف آن، توزیع وزن و .... چگونه باشد که پایداری آن در همه شرایط پروازی، تامین شود، هدف اصلی دینامیک پرواز است. از طرفی بنا بر دلایل مختلف ممکن است پایداری هواپیما، هلی کوپتر، پهپاد یا هر نوع پرنده دیگر، برای لحظاتی از حالت مطلوب خارج شود. اقداماتی که در جهت برگرداندن وضعیت نامطلوب به شرایط پایدار، انجام می‌شود تحت عنوان اقدامات کنترلی شناخته می‌شود و به کمک علم کنترل محقق می‌شود.

ديناميك پروازپيشرفته، هدايت وناوبري، تئوري كنترل بهينه، كنترل پيشرفته، محاسبات عددي پيشرفته، طراحي هواپيماپيشرفته، مدل‌سازي سيستم ها يديناميكي در هوافضا، از درس‌های بخش تخصصی اصلی این گرایش از مهندسی هوافضا است و دروس شبيه سازي پروازي، هدايت و ناوبري، كنترل تطبيقي، كنترل چند متغيره، ديناميك پرواز موشك، تئوري ابزارآلات دقيق هواپيما و فضاپيما، مديريت تكنولوژي هوافضا، ديناميك پرواز و كنترل فضاپيماها، سيستم‌هاي كنترل مقاوم، كنترل فازي، شبكه‌هاي عصبي، كنترل غيرخطي، ديناميك پرواز بالگردها، شناسائي سيستم و تخمين پارامترهاي پرواز، مباني آزمايش‌هاي پروازي، فيلترهاي تطبيقي، طراحي بهينه چند موضوعي، طراحي ساختاري موشك، طراحي سيستم‌هاي كنترلي، تحليل سيستم‌هاي غيرخطي، كنترل ديجيتالي، روش هاي بهينه سازي، فرآيندهاي تصادفي هدايت وسايل پرنده جز واحدهای انتخابی هستند.

از نرم افزارهای مرتبط با این گرایش از مهندسی هوافضا می‌توان به موراد زیر اشاره کرد:

• زبان برنامه نویسی C++،
• پایتون (Python)،
• فرترن (Fortran)
• متلب (MATLAB)
• سیمولینک (Simulink)

مهندسی فضایی

مهندسی فضایی جدیدترین گرایش از مهندسی هوافضا است و بر علوم فضایی تمرکز دارد. برای مجزا کردن مرز هوا و فضا که طبیعتا به تقسیم بندی فعالیت های مربوط به آن دو هم منجر می‌شود، تعاریف متعددی در طول زمان و در سطوح بین المللی بیان شده است. طبق یکی از تعاریف ارتفاع 100 کیلومتری از سطح دریا، مرز بین قلمرو هوایی و فضای ماورای جو محسوب می‌شود.

مهندسی فضایی در کلی ترین تعریف به مطالعه موضوعات مرتبط با ماهواره و ماهواره بر (حامل) می‌پردازد. هر ماهواره به عنوان یک سیستم در مهندسی هوافضا، دارای زیر سیستم‌هایی مثل سازه، توان، پیشرانش، تعيين و كنترل وضعيت، کنترل دما، مخابرات و ... است که طراحی، تحلیل، ساخت و تست هر یک نیازمند تخصص و دانش مخصوص به خود می‌باشد. مهندسان نیز معمولا در یکی از این حوزه ها فعالیت دارند البته ارتباط شدید بین زیر سیستم‌ها نیازمند همکاری و ارتباط نزدیک بین افراد است.

دروس تخصصی اصلی در این گرایش؛ مكانيك مدارپيشرفته، روش‌هاي بهينه سازي، طراحي سيستمي ماهواره، مدل‌سازي سيستم‌هاي ديناميكي درهوافضا، طراحي سيستمي ماهواره بر، ديناميك پروازوكنترل فضاپيما، ديناميك وكنترل پروازماهواره بر است و همانند سایر گرایش‌های مهندسی هوافضا، واحدهایی مانند ( بالستيك خارجي، طراحي ابزارها و سيستم‌هاي ژيروسكوپي، مواد سازه‌هاي فضايي، پيشرانه‌هاي فضايي، كاربرد اطلاعات دورسنجي، هدايت وكنترل فضاپيما، ارتعاشات سازه‌هاي فضايي، سيستم‌هاي پشتيبان حيات درفضا، كنترل حرارتي ماهواه، مديريت تكنولوژي هوافضا، محيط عملكردي فضاپيما، مباني طراحي سيستمي، مهندسي سيستم‌هاي فضايي، شناسايي مدار و وضعيت، طراحي ماموريت‌هاي فضايي، شبيه سازي پرواز، سيستم‌هاي مخابرات فضايي وايستگاه‌هاي زميني، تكنولوژي ساخت صنايع فضايي، قابليت اطمينان و تست درصنايع فضايي، زيست‌شناسي فضايی، آيروديناميك سامانه‌هاي فضايي، شبيه سازي سامانه هاي فضايی، اصول بارگذاري وطراحي سازه حامل هاي فضايي، طراحي سيستمي بلوك انتقال مداري، طراحي سازه هاي فضايي، طراحي آزمايش هاي سيستم هاي فضايي، هدايت و ناوبري فضایي، اصول كيهان شناسي مشاهداتي، اصول سنجش از راه دور، ديناميك مدارپيشرفته، طراحي و تحليل ماموريت بين سياره اي، طراحي بهينه چندموضوعي فضاپيماها) بعنوان دروس انتخابی قابل اخذ توسط دانشجویان هستند.

از نرم افزارهای کاربردی این گرایش می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• نرم افزار (STK (Systems Tool kit STK
• نرم افزار سی پلاس پلاس
• نرم افزار متلب(MATLAB)

البته به دلیل اشتراکاتی که هر بخش از مهندسی فضایی با سایر حوزه‌های مهندسی هوافضا دارد، برخی از این واحدها مشترک با گرایش‌های سازه، دینامیک پرواز و کنترل و پیشرانش است. ديناميك گازپيشرفته، طراحي موتورموشك‌هاي سوخت جامد، طراحي موتورموشك‌هاي سوخت مايع، محاسبات عددي پيشرفته، كنترل غيرخطي، مباني قابليت اطمينان، كنترل پیشرفته، كنترل بهينه، هدايت وناوبري، ديناميك پروازموشک، كنترل ديجيتال، كنترل تطبيقي، كنترل چندمتغيره، كنترل فازي، شبكه‌هاي عصبي، طراحي سيستم‌هاي كنترلي، الگوريتم‌هاي مدرن دربهينه سازي، ديناميك آشوب، روش‌هاي تكاملي دربهينه سازي، مدل‌سازي سيستم‌هاي ديناميكي، سيستم‌هاي غيرخطي، كنترل پيشبين، كنترل مقاوم، از جمله این دروس هستند.

در این مقاله به بررسی انواع گرایش مهندسی هوافضا پرداختیم. چنانچه علاقمند به آشنایی با شرایط بازارکار هرکدام از این گرایش ها هستید، پیشنهاد می کنیم مقاله "مهندسی هوافضا چیست؟ (گرایش ها، بازار کار و درآمد)" را نیز مطالعه کنید. 

جمع بندی

همانطور که گفته شد مهندسی فضایی به دلیل مفاهیم مشترک با سایر گرایش‌ها، از نرم افزارهای مشابهی نیز بهره می‌برد. به طور مثال برای مباحث هدایت و کنترل ماهواره‌ها، مانند مهندسان گرایش کنترل از MATLAB یا برای تحلیل سوخت و احتراق حامل‌ها از Fluent و .... استفاده می‌کنند. یکی از ابزارهای خاص این شاخه از مهندسی هوافضا، نرم افزار اس تی کی (STK) است که از طراحی ماموریت و مدار تا جزییات دریافتی‌های آنتن های ماهواره‌ها را می‌توان در آن شبیه سازی و تحلیل کرد.

نویسنده: ستاره دهقان، کارشناس دپارتمان مهندسی هوافضا گروه آموزشی پارس پژوهان