معرفی گرایش های مهندسی هوافضا و نرم افزارهای مرتبط

مهندسی هوافضا (Aerospace Engineering)، یکی از رشته های شاخه فنی مهندسی است که به دلیل ایجاد تکنولوژی های جدید و رشد سریعی که در ارائه پدیده های 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 تلاش های 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 .... می پردازد. مهندسی هوافضا از 5 گرایش اصلی آیرودینامیک، سازه های هوایی، جلوبرندگی، دینامیک پرواز و کنترل و مهندسی فضایی، تشکیل شده است.

آیرودینامیک

گرایش آیرودینامیک، تقریبا معروف ترین شاخه مهندسی هوافضا، حتی برایافراد 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 بندی های علوم، آیرودینامیک، یکی از زیر مجموعه های علم دینامیک سیالات (مکانیک سیالات) است. به عبارت دقیق تر، دینامیک سیالات به دو بخش اصلی دینامیک گاز و مایعات تقسیم می شود و در مرحله ای جزیی تر دینامیک گاز شامل چند شاخه می شود که آیرودینامیک یکی از آن هاست و  به طور خاص به مطالعه حرکت هوا می پردازد. در واقع در این علم رفتار جریان هوا و تاثیری که بر حرکت اجسام پرنده می گذارد، بررسی می شود.

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 می شوند.

یکی از روش های 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 می کند. 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 در این حوزه از مهندسی هوافضا می توان به انسیس فلوئنت (Ansys Fluent)، Ansys CFX، کامسول (COMSOL)، استار سی سی ام (STAR CCM+)، اوپن فوم (OpenFOAM) و .... اشاره کرد.

جهت آشنایی با سایر رشته های مهندسی پیشنهاد می کنیم مقاله " رشته های مهندسی و معرفی گرایش های مختلف آنها " را مطالعه کنید. 

سازه های هوایی

این گرایش همان طور که از اسمش پیداست به طراحی و تحلیل سازه ها در وسایل هوایی می پردازد. گرایش سازه های هوایی را می توان معادل گرایش جامدات در رشته مهندسی مکانیک در نظر گرفت. دردانشکده های مهندسی هوافضا، شروع مطالعات در این شاخه با دروس مقاومت مصالح، تحلیل سازه های هوایی، طراحی سازه های هایی و ... در دوره کارشناسی آغاز می شود. سپس در دوره ی کارشناسی ارشد دروس ديناميكسازه، تحليل پيشرفته سازه هاي هوافضايی، روش اجزاءمحدود، مكانيك موادمركب، طراحي پيشرفته سازه هاي هوافضايي، آيروالاستيسيته، مكانيك محيط هاي پيوسته بعنوان دروس تخصصی اصلی گذرانده می شوند. البته واحدهایی مانند خستگي- شكست- خزش، طراحي پيشرفته وسايل نقليه هوافضايي، پايداري سازه هاي هوايي، ارتعاشات اتفاقي، ارتعاشات پيشرفته و ... در لیست دروس انتخابی ارائه می شوند.

به طور کلی هدف گرایش سازه در مهندسی هوافضا طراحی بخش های مختلف از سازه های هوافضایی و تحلیل آن ها 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.

اگر نرم افزارهای مورد نیاز این زمینه از مهندسی هوافضا را بررسی کنیم.ابتدا به ابزارهایی برای مدلسازی نیاز داریم، بنابراین نرم افزارهای CAD مانند اتوکد (AutoCAD)، سالیدورکس (SolidWorks)، کتیا (CATIA)، زیمنس ان ایکس (Siemens NX)، اینونتور (Autodesk Inventor) و ... مورد توجه قرار میگیرند. پس از مدلسازی گام بعدی قطعا تحلیل سازه ها است که باید در نرم افزارهای مثل آباکوس (Abaqus)، انسیس ورکبنج یا مکانیکال (Ansys Workbench)، ال اس داینا (LS-DYNA)، ادمز (MSC Adams)، MSC Fatigue و ... انجام شود البته گاهی برای بهبود نتایج تحلیل ها به تولید شبکه (مش زنی) های تخصصی و دقیق نیازمندیم که در نرم افزاری مانند هایپرمش (HyperMesh) قابل انجام است.

جلوبرندگی (پیشرانش)

گرایش پیشرانش مانند آیرودینامیک، مبنای سیالاتی دارد و می توان اصول اولیه مشترکی دارند. هدف اصلی این شاخه از مهندسی هوافضا بررسی بخش های 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 پیچیدگی های خاصی را به دنبال دارد.

اصلی ترین درس های تخصصی این گرایش شامل جلوبرنده پيشرفته، طراحي آيروديناميكي توربوماشين ها، سوخت واحتراق پيشرفته، آيروترموديناميك موتورهاي موشك، روشهاي عددي درتوربوماشين ها، ديناميك سيالات عددی، جريان لزج پيشرفته و ديناميك گازها می شود. 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 می شوند.

از دید نرم افزارهای مناسب و مرتبط با این زمینه از مهندسی هوافضا، چند رویکرد وجود دارد. برخی از مهندسان به طراحی و تحلیل توربوماشین ها مانند کمپرسور و توربین و .... علاقه مند هستند که با ابزارهایی مانند گسترب (GasTurb)، کانسپت انرک (Concept Nrec)، بلیدجن و توبوگرید (BladeGen & TurboGrid) و ... کار میکنند. گروهی دیگر به تحلیل های CFD مانند شبیه سازی احتراق موتور و .... در نرم افزارهایی مثل انسیس فلوئنت (Ansys Fluent) می پردازند. و عده ای نیز به کدنویسی در این حوزه علاقه مند هستند که اغلب زبان فرترن اولین انتخاب آنهاست.

دینامیک پرواز و کنترل

همانطور که می دانیم، دینامیک علم تعیین وضعیت اجسام و حرکت آن هاست. ویژگی این دانش در مهندسی هوافضا این است دینامیک پرواز به تعیین وضعیت وسایل هوافضایی که اصطلاحا پرنده نامیده می شوند، می پردازد. 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 می شود تحت عنوان اقدامات کنترلی شناخته می شود و به کمک علم کنترل محقق می شود.

ديناميك پروازپيشرفته، هدايت وناوبري، تئوري كنترل بهينه، كنترل پيشرفته، محاسبات عدديپيشرفته، طراحي هواپيماپيشرفته، مدلسازي سيستم ها يديناميكي در هوافضا، از درس های 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، سيستم هاي كنترل مقاوم، كنترل فازي، شبكه هاي عصبي، كنترل غيرخطي، ديناميك پرواز بالگردها، شناسائي سيستم و تخمين پارامترهاي پرواز، مباني آزمايش هاي پروازي، فيلترهاي تطبيقي، طراحي بهينه چند موضوعي، طراحي ساختاري موشك، طراحي سيستم هاي كنترلي، تحليل سيستم هاي غيرخطي، كنترل ديجيتالي، روش هاي بهينه سازي، فرآيندهاي تصادفي هدايت وسايل پرنده جز واحدهای انتخابی هستند.

برای استفاده از رایانه در موضوعات دینامیک پرواز، هدایت، کنترل و موارد مشابه، معمولا مهندسان به سراغ کدنویسی و ایجاد حلقه های کنترلی از طریق برنامه نویسی می روند. زبان های C++، پایتون (Python)، فرترن (Fortran) و ... زبان های رایج این حوزه هستند. البته نرم افزار متلب (MATLAB) با امکان کدنویسی متنی در محیط mfile و همچنین کدنویسی از طریق بلوک های آماده در محیط سیمولینک (Simulink)، متناسب ترین ابزار برای علاقه مندان گرایش دینامیک و کنترل است.

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 می شود، 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 می شود.

مهندسی فضایی در کلی ترین تعریف به مطالعه موضوعات مرتبط با ماهواره و ماهواره بر (حامل) می پردازد. هر ماهواره به عنوان یک سیستم در مهندسی هوافضا، دارای زیر سیستم هایی 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 می باشد. مهندسان نیز معمولا در یکی از این حوزه ها فعالیت دارند البته ارتباط شدید بین زیر سیستم ها نیازمند همکاری و ارتباط نزدیک بین افراد است.

دروس تخصصی اصلی در این گرایش؛ مكانيك مدارپيشرفته، روش هاي بهينه سازي، طراحي سيستمي ماهواره، مدلسازي سيستم هاي ديناميكي درهوافضا، طراحي سيستمي ماهواره بر، ديناميك پروازوكنترل فضاپيما، ديناميك وكنترل پروازماهواره بر است و همانند سایر گرایش های مهندسی هوافضا، واحدهایی مانند ( بالستيك خارجي، طراحي ابزارهاوسيستم هايژيروسكوپي، موادسازه هاي فضايي، پيشرانه هاي فضايي، كاربرداطلاعات دورسنجي، هدايت وكنترل فضاپيما، ارتعاشات سازه هاي فضايي، سيستم هاي پشتيبان حيات درفضا، كنترل حرارتي ماهواه، مديريت تكنولوژي هوافضا، محيط عملكردي فضاپيما، مباني طراحي سيستمي، مهندسي سيستم هاي فضايي، شناسايي مدارووضعيت، طراحي ماموريت هاي فضايي، شبيه سازي پرواز، سيستم هاي مخابرات فضايي وايستگاه هاي زميني، تكنولوژي ساخت صنايع فضايي، قابليت اطمينان وتست درصنايع فضايي، زيست شناسي فضايی، آيروديناميك سامانه هاي 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 وناوبري فضایي، اصول كيهان شناسي مشاهداتي، اصول سنجش از راه دور، ديناميك مدارپيشرفته، طراحي وتحليل ماموريت بين سياره اي، طراحي بهينه چندموضوعي فضاپيماها) بعنوان دروس انتخابی قابل اخذ توسط دانشجویان هستند.

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

همانطور که گفته شد مهندسی فضایی به دلیل مفاهیم مشترک با سایر گرایش ها، از نرم افزارهای مشابهی نیز بهره میبرد. به طور مثال برای مباحث هدایت و کنترل ماهواره ها، مانند مهندسان گرایش کنترل از MATLAB یا برای تحلیل سوخت و احتراق حامل ها از Fluent و .... استفاده می کنند. یکی از ابزارهای خاص این شاخه از مهندسی هوافضا، نرم افزار STK است که از طراحی ماموریت و مدار تا جزییات دریافتی های آنتن های ماهواره ها را می توان در آن شبیه سازی و تحلیل کرد.

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