در رشته مهندسی فضایی مثل هر علم دیگری نیازمند ابزارهایی برای شبیه سازی و تحلیل اجزا و محیط های مورد نظر خود است که در سطح سیستم و فارغ از جزییات تحلیل های جامداتی، سیالاتی، کنترلی و ... به بررسی ماموریت ها و سناریوها بپردازد. در حقیقت نرم افزای لازم است که در آن مشخصات مداری، شرایط فضا، اجزای ماموریت های فضایی از ماهواره و پرتابگر گرفته تا آنتن ها و سنسورهای سنجشی موجود یا قابل مدلسازی باشد. معروف ترین و معتبرترین ابزار برای شبیه سازی سیستم های فضایی در سراسر دنیا، نرم افزار STK یا Systems Tool Kit است.
مهندسی فضایی یکی از گرایش های مهندسی هوافضا است که به مطالعه ی همه جانبه ی پرتابگر (حامل) و پرتابه (ماهواره) در فضا می‌پردازد. در شاخه مهندسی فضایی در کنار رویکرد دانشی و مهندسی، دید مدیریتی یا به بیان بهتر دید سیستمی نیز از اهمیت بالایی برخوردار است و در واقع یکی از اصلی ترین رسالت های این گرایش، تربیت سرطراح برای ماموریت های فضایی است. مهندسی فضایی حوزه های متفاوتی از مهندسی را برای درک سیستم های فضایی با عملکرد بالا و اجزای آنها، ترکیب می کند. زمینه های مورد علاقه معمولا عبارت اند از : ماموریت های فضایی، ابزارها و وسایل نقیه فضایی، حسگر (سنسور) ها، عملگر (اکچویتور) ها، مکانیزم ها، ابزارهای پیشرانش و مهندسی سیستمی.
در مهندسی فضایی، شما مهندسی کردن وسایل پیچیده فضایی مانند پرتابگر (لانچر) ها، ماهواره ها و کاوشگرهای فضای عمیق و همچنین زیرسیستم های آن ها با استفاده از یک رویکرد سیستماتیک را خواهی آموخت. شما در هر یک از فازهای توسعه فضاپیماها شامل طراحی ، توسعه، یکپارچه سازی، صحت سنجی، تست و بهره برداری، تخصص و تجربه به دست می آورید. علاوه بر این شما با جنبه های مدیریتی مهندسی مانند برنامه ریزی و کار در تیم های چند رشته ای طراحی آشنا خواهید شد. این ویژگی شما را قادر خواهد ساخت دانش کسب شده ی خود را حتی برای سیستم های فنی پیچیده خارج از مهندسی هوافضا به کار بگیرید.
معمولا اصلی ترین زمینه های تحقیقاتی در 3 قالب کلی زیر خلاصه می شوند:
- مهندسی فضاپیما
- سیستم های فضایی
- پیشرانش فضایی
نرم افزار STK
مانند همه رشته های مهندسی، مهندسی فضایی هم نیازمند ابزارهایی برای شبیه سازی و تحلیل سیستم ها و محیط های مورد نظر است. اگر چه هر یک از تحلیل های مرتبط با بحث های سازه ای (جامداتی)، تحلیل های آیرودینامیکی یا به طور کلی تر سیالاتی، تحلیل های 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 می شوند. اما در مهندسی فضایی به نرم افزاری نیاز داریم که در سطح سیستم و فارغ از جزییات تحلیل های جامداتی، سیالاتی و ... به بررسی ماموریت ها بپردازد. از طرفی نرم افزای لازم است که در آن مشخصات مداری، شرایط فضا، اجزای ماموریت های فضایی از ماهواره و پرتابگر گرفته تا آنتن ها و سنسورهای سنجشی موجود یا قابل مدلسازی باشد. یکی از معروف ترین 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 می شد، یک نرم افزار مولتی فیزیک از شرکت Analytical Graphics, Inc یکی از بخش های بخش های شرکت بزرگ ANSYS است که مهندسان و محققان را قادر می سازد تا تحلیل های پیچیده ای از سامانه های زمینی، دریایی، هوایی و فضایی انجام داده و نتایج را در یک محیط یک پارچه به اشتراک بگذارند.
تاریخچه نرم افزار STK
اولین تلاش ها 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 پروژه های هوافضا، ایجاد کنند. اولین نسخه نرم افزار STK تنها بر روی میکروسیستم های خورشیدی قابل اجرا بود، اما بعدها با قدرتمندتر شدن کامپیوترها، کدهای این نرم افزار به گونه ای تغییر یافت که قابل اجرا بر ویندوز نیز شد.
پس از آن نسخه های 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 قابلیت های خود را در شبیه سازی سیستم های 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 پلتفرم ها و محموله های در بستر یک ماموریت واقعی، فراهم کرده است.
با نرم افزار STK شما می توانید:
-
عملکرد سیستم های پیچیده را با تمرکز بر محیط های عملیاتی آن ها آنالیز کنید.
-
سیستم های با شبیه سازی 3 بعدی و متغیر با زمان که شامل عوارض زمینی با وضوح بالا، تصویربرداری ارتباطات RF و ..... مدل کنید.
-
مدل های دقیقی از اجزای زمین، دریا، هوا و فضا، انتخاب کنید، بسازید یا از محیط دیگری وارد کنید و برای نمایش دادن سیستم های موجود یا مطلوب، آن ها را ترکیب کنید.
-
سیستم کلی از سیستم ها، 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 شبیه سازی ماموریت ها و سناریوهایی در محیط های فضایی، هوایی، دریایی و خشکی است. اجزای این ماموریت ها سامانه یا سامانه هایی هستند که بتوانند در این محیط ها خدمات ارائه دهند، مانند ماهواره ها، هواپیماها، موشک ها، کشتی ها حتی اتوموبیل ها و .... علاوه بر شبیه سازی و مدل سازی اجزایی که بیان شد، می توان محیط های هوایی و فضایی را هم در نرم افزار STK مدل کرد. همچنین می توان میزان تداخل های رادیویی و گرانش سیاره و ستاره های دیگر را بررسی کرد.
مدلسازی ماهواره به عنوان یک سامانه پیچیده تنها به تولید نقاط مداری آن خلاصه نمی شود. ما با اضافه کردن الحاقات (attachments) آنتن ها مخابرات و سنسورهای سنجشی، می توانیم رویدادها و واکنش های سایر اجزا مثل خورشید، زمین، ایستگاه زمینی و ... را در تقابل با این ماهواره یا هواپیما مرود 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 ورودی های مناسب از طراح ماموریت، خروجی های بسیار جذابی را برای کاربر مهیا می کند. به عنوان چند نمونه از قابلیت ها و ویژگی های نرم افزار STK می توان به طراحی ماموریت های بین سیاره ای، بهینه سازی مصرف سوخت و زمان ماموریت، ارتباط این نرم افزار با محیط های برنامه نویسی مثل MATLAB، C#، JAVA و همچنین نرم افزارهای تحلیلی اشاره کرد.
پشتیبانی و دسترسی کاربران
پشتیبانی های مداومی که شرکت agi از این نرم افزار داشته و همچنین ایجاد انجمن ها و فروم های (تالارهای گفتگو) متفاوتی که در بستر اینترنت فراهم کرده است، باعث شده سناریوهای مختلف در دسترس همه کاربران قرار بگیرد.
البته نسخه های مختلفی از نرم افزار STK با دسترسی های متفاوت وجود دارد که بعضی از آن ها فقط در کشور آمریکا قابل استفاده و بهره برداری است. به همین دلیل در ابتدای استفاده پیغامی بر روی صفحه ظاهر می شود که سوال می کند شما در آمریکا هستید یا خیر. هرچند مانند تعداد زیادی از نرم افزارهای دیگر مهندسی که به طور کرک شده و بدون لایسنس در ایران مورد استفاده قرار می گیرد، نرم افزار STK نیز برای کاربران داخل ایران قابل استفاده است، اما به طبق نظر بسیاری از محققان نتایج به دست آمده در این نسخه ها از نظر دقت با نسخه های اصلی متفاوت است.
نویسنده: ستاره دهقان، کارشناس دپارتمان مهندسی هوافضا
