معرفی نرم افزار STK، شبیه سازی سیستم فضایی

مهندسی فضایی یکی از گرایش‌های مهندسی هوافضا است که به طراحی، تحلیل و مدیریت مأموریت‌های فضایی می‌پردازد. در این رشته، سیستم‌های پیچیده‌ای مانند ماهواره‌ها، پرتابگرها و فضاپیماها با رویکردی سیستمی و چند رشته‌ای بررسی می‌شوند.

مهندسی فضایی ترکیبی از زمینه‌های مختلف است مثل:

• مأموریت‌های فضایی
• سنسورها، عملگرها، مکانیزم‌ها
• ابزارهای پیشرانش
• مهندسی سیستمی

دانشجو در تمام مراحل توسعه فضاپیما (از طراحی تا بهره‌برداری) مهارت کسب می‌کند و با مباحث مدیریتی و کار گروهی چند رشته‌ای هم آشنا می‌شود.

یکی از ابزارهای اصلی در این حوزه، نرم‌ افزار (STK (Systems Tool Kit هست که برای شبیه‌سازی و تحلیل سیستم‌های فضایی در سطح کلان استفاده می‌شود.

سه حوزه تحقیقاتی اصلی این رشته عبارتند از:

1. مهندسی فضاپیما
2. سیستم‌های فضایی
3. پیشرانش فضایی

نرم افزار STK

مانند همه رشته‌های مهندسی، مهندسی فضایی هم نیازمند ابزارهایی برای شبیه سازی و تحلیل سیستم‌ها و محیط‌های مورد نظر است. اگر چه هر یک از تحلیل‌های مرتبط با بحث‌های سازه‌ای (جامداتی)، تحلیل‌های آیرودینامیکی یا به طور کلی‌تر سیالاتی، تحلیل‌های دینامیکی و کنترلی در نرم افزارهای مختص خودشان مانند ANSYS، ABAQUS، MSC Fatigue، Fluent، COMSOL، STAR CCM، MATLAB و ...... با دقت و صحت بالایی انجام می‌شوند. اما در مهندسی فضایی به نرم افزاری نیاز داریم که در سطح سیستم و فارغ از جزییات تحلیل‌های جامداتی، سیالاتی و ... به بررسی ماموریت‌ها بپردازد. از طرفی نرم افزاری لازم است که در آن مشخصات مداری، شرایط فضا، اجزای ماموریت‌های فضایی از ماهواره و پرتابگر گرفته تا آنتن‌ها و سنسورهای سنجش موجود یا قابل مدلسازی باشد. یکی از معروف‌ترین و معتبرترین ابزارهای این حوزه در سراسر دنیا، نرم افزار STK است.

نرم افزار System Tool Kit یا به اختصار STK که قبلا با نام Satellite Tool Kit منتشر می‌شد، یک نرم افزار مولتی فیزیک از شرکت Analytical Graphics, Inc یکی از بخش‌های شرکت بزرگ ANSYS است که مهندسان و محققان را قادر می‌سازد تا تحلیل‌های پیچیده‌ای از سامانه‌های زمینی، دریایی، هوایی و فضایی انجام داده و نتایج را در یک محیط یک پارچه به اشتراک بگذارند.

تاریخچه نرم افزار STK

اولین تلاش‌ها برای تشکیل  Analytical Graphics, Inc در سال 1989 توسط سه مهندس انجام شد که از شرکت GE Aerospace جدا شدند تا Satellite Tool Kit (STK) را به عنوان یک جایگزین برای نرم افزار (سفارشی) مخصوص پروژه‌های هوافضا، ایجاد کنند. اولین نسخه نرم افزار STK تنها بر روی میکروسیستم‌های خورشیدی قابل اجرا بود، اما بعدها با قدرتمندتر شدن کامپیوترها، کدهای این نرم افزار به گونه‌ای تغییر یافت که قابل اجرا بر ویندوز نیز شد.

پس از آن نسخه‌های مختلف نرم افزار منتشر شدند تا سال 2020 که نسخه 12.1 این نرم افزار برای اولین بار با نام System Tool Kit منتشر شد تا قابلیت‌های خود را در شبیه‌سازی سیستم‌های دریایی، زمینی و ... نیز به نمایش بگذارد.

قابلیت های نرم افزار STK

طبق بیان سایت AGI ، نرم افزار STK یک اپلیکیشن مهندسی ماموریت برای صنایع هوافضا، دفاعی، مخابرات و .... است. یک محیط دقیق و مدلسازی بر اساس فیزیک برای تحلیل پلتفرم‌ها و محموله‌های در بستر یک ماموریت واقعی، فراهم کرده است.

 با نرم افزار STK شما می توانید:

• عملکرد سیستم‌های پیچیده را با تمرکز بر محیط‌های عملیاتی آن‌ها آنالیز کنید.
• سیستم‌های با شبیه‌سازی سه‌بعدی و متغیر با زمان که شامل عوارض زمینی با وضوح بالا، تصویربرداری ارتباطات RF و ..... مدل کنید.
• مدل‌های دقیقی از اجزای زمین، دریا، هوا و فضا، انتخاب کنید، بسازید یا از محیط دیگری وارد کنید و برای نمایش دادن سیستم‌های موجود یا مطلوب، آن‌ها را ترکیب کنید.
• سیستم کلی از سیستم‌ها، در هر موقعیت و هر زمانی شبیه سازی کنید تا درک روشنی از رفتارهای آن و عملکرد ماموریت به دست آورید.

به بیان دیگر نرم افزار STK  بستری برای شبیه‌سازی ماموریت‌ها و سناریوهایی در محیط‌های فضایی، هوایی، دریایی و خشکی است. اجزای این ماموریت‌ها سامانه یا سامانه‌هایی هستند که بتوانند در این محیط‌ها خدمات ارائه دهند، مانند ماهواره‌ها، هواپیماها، موشک‌ها، کشتی‌ها حتی اتوموبیل‌ها و .... علاوه بر شبیه سازی و مدل سازی اجزایی که بیان شد، می‌توان محیط‌های هوایی و فضایی را هم در نرم افزار STK مدل کرد. همچنین می‌توان میزان تداخل‌های رادیویی و گرانش سیاره و ستاره‌های دیگر را بررسی کرد.

مدلسازی ماهواره به عنوان یک سامانه پیچیده تنها به تولید نقاط مداری آن خلاصه نمی‌شود. ما با اضافه کردن الحاقات (attachments) آنتن‌ها مخابرات و سنسورهای سنجش، می‌توانیم رویدادها و واکنش‌های سایر اجزا مثل خورشید، زمین، ایستگاه زمینی و ... را در تقابل با این ماهواره یا هواپیما مورد بررسی و تحلیل قرار دهیم. نرم افزار STK تنها یک ابزار شبیه سازی سامانه نیست بلکه یک نرم افزار محاسباتی و هوشمند است که با دریافت ورودی‌های مناسب از طراح ماموریت، خروجی‌های بسیار جذابی را برای کاربر مهیا می‌کند. به عنوان چند نمونه از قابلیت‌ها و ویژگی‌های نرم افزار STK می‌توان به طراحی ماموریت‌های بین سیاره‌ای، بهینه‌سازی مصرف سوخت و زمان ماموریت، ارتباط این نرم افزار با محیط‌های برنامه نویسی مثل MATLAB، C++، JAVA و همچنین نرم افزارهای تحلیلی اشاره کرد. البته برای آشنایی بیشتر با این نرم افزار می‌توانید در دوره STK شرکت کنید و اطلاعات بیشتری نسبت به آن کسب کنید.

پشتیبانی و دسترسی کاربران

پشتیبانی‌های مستمر شرکت AGI از نرم‌ افزار STK و همچنین ایجاد انجمن‌ها و تالارهای گفتگوی تخصصی در بستر اینترنت، موجب شده تا سناریوها و تجربیات مختلف کاربران در سطح جهانی به‌ راحتی در دسترس دیگران قرار گیرد. این بستر تعاملی، امکان یادگیری و توسعه‌ بهتر کاربردهای STK را برای کاربران در سطوح مختلف فراهم کرده است.

لازم به ذکر است که نسخه‌های مختلفی از این نرم ‌افزار با سطح دسترسی‌های متفاوت ارائه شده‌اند؛ به ‌گونه‌ای که برخی از نسخه‌ها تنها در ایالات متحده قابل استفاده هستند. به همین دلیل، هنگام اجرای اولیه‌ نرم ‌افزار پیامی نمایش داده می‌شود که از کاربر درباره‌ موقعیت جغرافیایی‌اش (داخل یا خارج از آمریکا) سؤال می‌کند.

هرچند مانند بسیاری از نرم ‌افزارهای مهندسی دیگر، STK نیز به‌ صورت کرک‌ شده و بدون لایسنس در ایران مورد استفاده قرار می‌گیرد، اما طبق نظر بسیاری از پژوهشگران، نتایج حاصل از این نسخه‌ها ممکن است از نظر دقت محاسبات و قابلیت‌های عملکردی، تفاوت‌هایی با نسخه‌های اصلی و دارای مجوز داشته باشد.

موقعیت‌های شغلی مرتبط با STK در مهندسی فضایی

موقعیت‌های شغلی مختلفی برای افرادی که با STK آشنایی دارند وجود دارد، از جمله مهندس شبیه‌سازی فضایی، تحلیلگر داده‌های فضایی، مهندس سیستم‌های فضایی، توسعه‌ دهنده نرم ‌افزار (STK API) و مدیر پروژه فناوری فضایی. این موقعیت‌ها شامل وظایف متنوعی از طراحی و تحلیل سیستم‌های فضایی تا مدیریت پروژه‌های بزرگ هستند.

این نرم‌ افزار، ابزار مهمی در تحلیل و طراحی سیستم‌های فضایی به شمار می‌رود و به‌ طور گسترده در صنایع هوافضا، دفاعی و مخابراتی کاربرد دارد.

جمع بندی

مهندسی فضایی یکی از شاخه‌های تخصصی مهندسی هوافضا است که به طراحی، تحلیل و مدیریت مأموریت‌های فضایی می‌پردازد و شامل مباحث مختلفی مانند مأموریت‌های فضایی، سنسورها، عملگرها، پیشرانش و مهندسی سیستمی است. دانشجویان این رشته با طراحی و توسعه فضاپیماها از مرحله طراحی تا بهره ‌برداری آشنا می‌شوند.

یکی از ابزارهای اصلی در این حوزه، نرم‌ افزار STK (Systems Tool Kit) است که برای شبیه‌سازی و تحلیل سیستم‌های فضایی و محیط‌های مختلف استفاده می‌شود. این نرم ‌افزار، توسعه یافته توسط شرکت Analytical Graphics, Inc. (AGI)  و بخش‌هایی از شرکت ANSYS، به مهندسان و محققان کمک می‌کند تا تحلیل‌های پیچیده‌ای از سیستم‌های زمینی، دریایی، هوایی و فضایی انجام دهند.

STK به ‌ویژه برای شبیه‌سازی مأموریت‌های فضایی، تحلیل مداری، مدل‌سازی سنسورها و آنتن‌ها، شبیه‌سازی حرکت فضاپیماها، تعامل با داده‌های واقعی و مدل‌سازی محیط‌های مختلف استفاده می‌شود. این نرم‌ افزار با محیط سه‌ بعدی و تحلیل‌های دقیق فیزیکی خود، بستری مناسب برای شبیه‌سازی ماموریت‌ها و سناریوهای پیچیده فضایی و غیر فضایی فراهم می‌آورد.

نویسنده: ستاره دهقان، کارشناسی ارشد مهندسی هوافضا-سایه صفاییان، کارشناسی مهندسی مواد