طراحی و تحلیل هواپیما در نرم افزار AAA

نرم افزار AAA (advanced aircraft analysis)  یک برنامه جامع طراحی هواپیما است که به کاربران اختیار کامل برای تمام فرآیندهای طراحی اولیه می دهد. از سایزینگ وزن و عملکرد تا تحلیل آیرودینامیک و پایداری و کنترل، شما می توانید بر همه جنبه های طراحی نظارت داشته باشید. روش های مبتنی بر پایه فیزیک در این نرم افزار با روش های نیمه تجربی تلفیق شده اند تا توانایی مهندسان هوافضا برای تحلیل هواپیماهای غیر متعارف بیشتر را بهبود دهد.

نرم افزار AAA یک چاچوب قدرتمند برای پشتیبانی فرآیندهای تکراری در طراحی اولیه هواپیما را فراهم میکند. این برنامه به مهندسانطراح اجازه می دهد پیکربندی هواپیما را از سایزینگ اولیه وزن، از طریق حلقه های باز و یا بسته ی پایداری و آنالیز حساسیت و با توجه به قیود هزیته و مقررات، به دست بیاورند.

 AAA می تواند برای طراحی هواپیماهای با سرعت بالا و جنگنده نیز استفاده شود. ماژول درگ این قابلیت را دارد که همه ی مسیرها را برای جریان های مافوق صوت انجام دهد. ماژول های مشقات پایداری و کنترل فقط برای جریان زیر صوت (subsonic) کار می کند، اما اکثر ماژول های دیگر وابستگی به سرعت ندارند و برای همه رژیم های سرعتی کاربرد دارند.

نرم افزار AAA برای طراحی اولیه و طراحی سطح II  و همچنین تجزیه و تحلیل پایداری و کنترل هواپیماهای جدید و موجود، استفاده می شود. طراحی کلاس  II شامل وزن و تعادل دقیق، آیرودینامیک، محاسبات پایداری و کنترل شامل تحلیل تریم و کیفیت پرواز در ارتباط با روند طراحی اولیه استفاده می شود. طراحی کلاس II  نصب نیرو محرکه، موقعیت ارابه ی فرود و مکان اجزاء در هواپیما را محاسبه می کند.

این نرم افزار از ماژول های مختلفی تشکیل شده است که در ادامه به برخی از آن ها می پردازیم:

وزن Weight

هدف ماژول در نرم افزار AAA اندازه وزن تخمین سریع اجزای وزن و/یا ضرایب حساسیت زیر است:

• وزن برخاست، WTO
• وزن خالی، WE
• وزن سوخت، WF
• حساسیت وزن برخاست نسبت به پارامترهای آیرودینامیکی، پیشرانشی و ماموریت

این پارامترها بر اساس ورودی زیر تخمین زده می شوند:

• مشخصات ماموریت
• روابط آماری بین وزن خالی و وزن برخاست هواپیماهای مشابه موجود. روش های ایجاد این رابطه آماری برای هر نوع هواپیما در نرم افزار AAA گنجانده شده است.

روش‌ها بر اساس فصل 2، بخش‌های 2.1 تا 2.5 و بخش 2.7 کتاب طراحی هواپیما جلد اول است.

ماژول اندازه وزن شامل یک ویژگی نموداری است که فرآیند تکرار وزن و همچنین نمودار محموله-برد را نمایش می دهد. این ماژول همچنین حاوی روش‌هایی برای محاسبه نسبت‌های لیفت به درگ برای صعود، کروز، چرخش و دور زدن بر اساس وزن‌های بخش مربوطه است. این فرآیند بین ماژول اندازه وزن و ماژول درگ کلاس I تکرار می شود تا در یک راه حل برای وزن برخاست همگرا شود.

عملکرد Performance

هدف ماژول اندازه عملکرد این است که امکان برآورد سریع پارامترهای طراحی هواپیما را فراهم کند که تأثیر عمده ای بر عملکرد هواپیما دارند. هواپیماها معمولاً برای برآوردن اهداف عملکرد در دسته های مختلف بسته به مشخصات مأموریت مورد نیاز هستند. دستیابی به این اهداف عملکرد معمولاً منجر به تعیین محدوده ای برای از مقادیر زیر می شود:

• Wing loading (W/S)
• Thrust loading (T/W) or power loading (W/P)

• حداکثر ضریب لیفت هواپیما

متغیرهای ذکر شده در بالا در قالب یک نمودار تطبیق عملکرد رسم می شوند. این نقشه ها به نوع هواپیما، مشخصات قابل اجرا و مقررات (های) قابل اجرا بستگی دارد. با کمک چنین نموداری می توان ترکیبی از بالاترین بارگذاری بال ممکن و کمترین بار رانش (یا بالاترین توان) ممکن را که تمام الزامات عملکرد را برآورده می کند، تعیین کرد. روش مورد استفاده برای اندازه گیری عملکرد را می توان در جلد 1 کتاب طراحی هواپیما پیدا کرد.

پیشرانش Propulsion

در این ماژول از نرم افزار AAA می توان سیستم تراست و قدرت نصب شده در هواپیما را محاسبه کرد. استخراج نیرو نیز محاسبه می شود. این روش ها برای موتورهای پیستونی، موتورهای الکتریکی، موتورهای جت، موتورهای توربوپراپ و پروفن معتبر هستند. محاسبات در این ماژول بر اساس روش‌های مشخص شده در فصل 6 جلد 6 کتاب طراحی هواپیما است.

سازه Structural

هدف این ماژول تخمین اندازه و وزن اجزای سازه است. این کار با استفاده از خواص مواد و نتایج حاصل از محاسبه بارهای داخلی کل برای جزء از ماژول بارها انجام می شود. در این زیر ماژول خواص موادی که در جدول مواد موجود در نرم افزار AAA ذکر نشده اند را می توان اضافه کرد و ویژگی های آنها را تعریف کرد. این مواد به دسته تعریف شده توسط کاربر جدول مواد موجود اضافه می شود.

هزینه Cost

هدف این ماژول برآورد هزینه های مختلف برنامه های طراحی هواپیما است. روش‌های برآورد به گونه‌ای ارائه شده‌اند که بتوان آن‌ها را برای همه نوع هواپیماهای غیرنظامی و نظامی اعمال کرد. ضریب افزایش هزینه (CEF) مورد استفاده در این ماژول، نرم افزار AAA می تواند تورم را محاسبه می کند. تعاریف مختلف هزینه و روش‌های تخمین هزینه مورد استفاده برای این ماژول مانند فصل 1 تا 7 قسمت هشتم کتاب طراحی هواپیما بحث شده است.

اتمسفر Atmosphere

هدف ماژول اتمسفر محاسبه خواص اتمسفر استاندارد در ارتفاع معین و تغییر دما است. چگالی هوا، فشار، دما، سرعت صوت و شتاب گرانش به عنوان تابعی از ارتفاع محاسبه می شود. برای سرعت معین، عدد ماخ محاسبه می شود.

شرایط پرواز Flight Condition

هدف از پنجره Flight Condition تنظیم و تعریف هر یک از شرایط پرواز برای گنجاندن در تجزیه و تحلیل است. یک پروژه هواپیما می تواند یک یا چند شرایط پروازی تعریف شده داشته باشد. همه پارامترها بسته به سرعت، وزن، انحراف فلپ و مرکز ثقل را می توان به طور جداگانه در هر شرایط پرواز ذخیره کرد. در نرم افزار AAA می توان شرایط پرواز را ویرایش، انتقال، کپی و از پروژه حذف کرد.

آیرودینامیک Aerodynamic

این ماژول شامل زیرماژول های لیفت، درگ پولار، گشتاور، مرکز آیرودینامیکی، نسبت فشار دینامیکی، ایرفوبل و ..... است.

زیر ماژول Lift را می توان برای تخمین ویژگی های برا (lift) سطوح ایجاد لیفت هواپیما و تجهیزات با لیفت بالا استفاده کرد. حداکثر ضریب لیفت برای ایرفویل و بال، دم افقی، دم عمودی، دم V و کانارد محاسبه می شود. افزایش حداکثر ضریب لیفت ناشی از چندین تجهیز تولید لیفت محاسبه می شود. کاربر می تواند چندین بخش منحصر به فرد را روی بال تعریف کند.

پایداری و کنترل Stability and Control

هدف از ماژول مشتقات محاسبه ضرایب آیرودینامیکی بی بعدی، مشتقات پایداری و کنترل برای یک هواپیمای صلب در یک شرایط پروازی معین (یعنی برای وزن، ارتفاع و سرعت معین و مکان C.G) است. ماژول مشتقات شامل مشتقات پایداری طولی، مشتقات پایداری جهت جانبی، مشتقات کنترل طولی و مشتقات کنترل جهت جانبی است. مشتقات را می توان برای دم عقب، کانارد، تنظیمات سه سطحی و بال پرواز محاسبه کرد.

هندسه Geometry 

هدف ماژول هندسه کمک به کاربران نرم افزار AAA در تعریف هندسه بدنه، بال، دم افقی، دم عمودی، V-tail و canard و محاسبه پارامترهای مربوطه است. روش مورد استفاده برای محاسبه هندسه اجزای هواپیما در بخش طراحی هواپیما توضیح داده شده است. هندسه دو بعدی را می توان برای سطوح بالابر مستقیم و میل لنگ تعریف کرد. برای سطوح بالابر با میل لنگ، یک سطح بالابر معادل تعریف شده توسط نوک ثابت یا وتر هندسی متوسط ایجاد می شود. حجم سوخت در بال با استفاده از روش‌های کلاس I و کلاس II محاسبه می‌شود و سوخت را در بال‌های میل لنگ محاسبه می‌کند. برای دم افقی، دم عمودی، V-tail و canard ضریب حجم قابل محاسبه است. سطوح کنترل به همراه سطوح بالابر مربوطه را می توان رسم کرد. طول وتر، نسبت ضخامت ایرفویل و پیچش هر سطح بالابر در یک ایستگاه spanwise مشخص را می توان تعیین کرد.

همانطور که بیان شد نرم افزار AAA (advanced aircraft analysis)  یک برنامه جامع طراحی هواپیما است که برای اکثر پیکربندی های بال ثابت (مسافربری، جنگنده و باربری) به خوبی پیکربندی های غیر متعارف مانند VTOL، flying wing و ... کاربرد دارد و به مهندسان طراح این امکان را می دهد که پیکربندی هواپیما را به سرعت به دست آوردند.

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