فهرست مطالب

دانش و فناوری هوافضا - سال چهارم شماره 1 (بهار و تابستان 1394)

نشریه دانش و فناوری هوافضا
سال چهارم شماره 1 (بهار و تابستان 1394)

  • تاریخ انتشار: 1394/06/30
  • تعداد عناوین: 7
|
  • عبدالمجید خوشنود*، ایوب شیبانی صفحات 7-16
    کنترل ارتعاشات سیستم های چندجسمی انعطاف پذیرنظیر ماهواره برهای دارای بوستر جانبی در کاربردهای جاری، به دلیل بالابودن درجات آزادی، با چالش های بسیاری روبروست. در این میان، روش های مدلسازی پاسخ فرکانسی نقش مفیدی دارند. در این نگاه، با یافتن فرکانس های غالب سیستم و فیلتر نمودن فعال آنها، مشابه حذف نوفه در فیلترهای زیرباند، می توان سیستم را در برابر ارتعاشات کنترل کرد. تاکنون در بسیاری از فعالیت های مشابه از روش های تمام باند استفاده شده که نتوانسته اند برای سیستم های پیچیده به کار روند. توانمندی قابل قبول روش های مبتنی بر پردازش سیگنال ها به طراحی کنترل کننده های ارتعاشات کاربردی و قابل استفاده ای منجر می شود. در این مقاله، کاهش ارتعاشات در فضای زیرباند برخط به عنوان یک نوآوری مهم مطرح شده است. در این روش تنها مشکل، کاربرد و مدلسازی روش فوق در حلقه بسته سیستم های کنترل به دلیل وجود تاخیرهای بالا در سیستم های پردازش می باشد که به ناپایداری احتمالی سیستم منجر شده است. در این مقاله، روشی برای رفع این مشکل در حلقه بسته سیستم کنترل ارائه شده است. این روش بر پایه مدلسازی روش پیش بین اسمیت به همراه مدل مرجع تطبیقی بنا شده است. شبیه سازی این روش روی یک ماهواره بر دارای چهار بوستر جانبی نتایج بسیار مطلوبی برای کاهش ارتعاشات با فرکانس های متنوع نشان می دهد.
    کلیدواژگان: کنترل ارتعاشات، ماهواره بر دارای بوستر جانبی، پردازش سیگنال چند نرخی، فیلتر تطبیقی زیرباند، روش پیش بین اسمیت
  • یوسف عباسی*، سیدعلی اکبر موسویان، علیرضا باصحبت نوین زاده صفحات 17-31
    در این مقاله سیستم هدایت و کنترل یک ربات هوایی برای دنبال کردن یک مسیر مرجع طراحی شده است. در الگوریتم ارائه شده، ابتدا فرمان های هدایت با استفاده از خطای مسیر حرکت ربات هوایی، به صورت فرمان های شتاب پسخوراند و پیشخوراند در دستگاه مختصات اینرسی استخراج شده و پس از آن با استفاده از یک ماتریس تبدیل، فرمان های شتاب به دستگاه مختصات بدنه نگاشته شده است. فرمان های شتاب براساس راهبردی جدید در دستگاه مختصات بدنه به فرمان های سرعت، زاویه وضعیت غلت و تاب و نیز زاویه نرخ گردش تبدیل شده، به طوری که مشکلات روش تبدیل قطبی را نداشته و قابلیت های ائرودینامیکی و عملکردی ربات هوایی و نیز محدودیت های متناظر با آنها لحاظ شده باشد. سپس، با استفاده از یک مدل شش درجه آزادی سیستم کنترلی طراحی شده است که بتواند فرمان های هدایت را دنبال کند. نتایج حاصل از شبیه سازی جامع سیستم با در نظر گرفتن مدل شش درجه آزادی ربات های هوایی نشان می دهد که الگوریتم هدایت و کنترل ارائه شده به خوبی فرمان های هدایت را اجرا و ربات هوایی با دقت بیشتری نسبت به روش های قبلی، مسیر مطلوب را دنبال کرده است.
    کلیدواژگان: ربات هوایی، هدایت، کنترل، مسیر مرجع، فرمان شتاب، شش درجه آزادی
  • امیررضا کوثری*، مهدی فکور، شیدوش وکیلی پور، وحید بهلوری صفحات 33-45
    هدف این مقاله توسعه فرایند طراحی سیستمی ماهواره است. برای این منظور از روش ماتریس ساختار طراحی به عنوان ابزاری کارآمد برای طراحی و تحلیل سیستم های پیچیده استفاده شده است. با توجه به ویژگی های روش ماتریس ساختار طراحی در مواجهه با سیستمی پیچیده با پارامترهای متنوع، از این روش برای نمایش وابستگی های بین پارامترهای طراحی ماهواره و ارائه فرایند طراحی در سطح سیستمی استفاده شده است. بر اساس این روش، ماهواره به زیرسیستم ها و اجزای کوچک تری تجزیه و پارامترهای اثرگذار در طراحی، با انتخاب هر جزء در سطوح مختلف الزامات، مشخصات ماموریت، سیستم و زیرسیستم استخراج و ارتباط بین این پارامترها شناسایی شده است. نهایتا این ارتباطات به صورت کیفی بیان و فرایند طراحی به سازی می شود. این روش در خصوص طراحی مفهومی یک ماهواره مکعبی که نوع جدیدی از پیکوماهواره هاست انجام شده است. در این رهگذر 135 پارامتر طراحی شناسایی و تاثیر هر یک از آنها بر هم و بر فرایند طراحی در قالب ماتریس پی ریزی شده، شناسایی شده است. با مقایسه کیفی نتایج این روش با دیگر روش ها، مزایایی چون سادگی، فشردگی، اختصار، قابلیت تجزیه و تحلیل و کمی سازی روابط مشخص می شود.
    کلیدواژگان: ماتریس ساختار طراحی، طراحی سیستمی، ماهواره مکعبی، پارامترهای طراحی
  • علیرضا نادری*، علیرضا بیکی صفحات 47-55
    اصولا بال وسائل هوایی سرعت پایین، که در اعداد رینولدز پایین پرواز می کنند، برای افزایش برد و کاهش مصرف سوخت باید همانند پرندگان به صورت بال زن طراحی شود. اما بررسی ایرفویل های نوسانی هارمونی ساده نشان می دهد که هرچند در فراحمله نیروی برا بیش تر از ایرفویل ثابت ایجاد می کنند، اما گاهی کاهش این نیرو در فروحمله بسیار زیاد است؛ پس یا باید از مدهای پیچیده حرکتی استفاده نمود یا ایرفویلی با پروفیل پیچیده طراحی کرد. هدف از تحقیق حاضر بهبود بازده ائرودینامیکی ایرفویل های نوسانی هارمونی ساده سرعت پایین با طراحی فلپ گرنی بر آن می باشد که هم در فراحمله و هم فروحمله بازده ائرودینامیکی بهتر از ایرفویل نوسانی صاف ارائه دهد. برای این منظور از روش عددی فشار پایه حجم المان محدود روی شبکه متحرک استفاده شده است. در کار حاضر، مکان و ارتفاع فلپ های گرنی به عنوان دو پارامتر مهم طرح مطالعه شده است. نتایج حاکی از آن است که هرچه فلپ ها به لبه فرار نزدیک تر باشد، بازده ائرودینامیکی افزایش می یابد؛ هرچند که ارتفاع آنها باید در یک حد خاص محدود شود. گردابه های تولیدشده توسط ایرفویل فلپ گرنی نقشی اساسی را در بهبود بازده ائرودینامیکی ایفا می کنند. این گردابه ها از طریق تغییر توزیع فشار و همین طور تاثیراتی که بر روی جدایش جریان روی سطح بالایی ایرفویل دارند، سبب افزایش بازده ائرودینامیکی می شوند.
    کلیدواژگان: ایرفویل نوسانی، گرنی فلپ، بازده ائرودینامیکی
  • شیدوش وکیلی پور*، مهدی حبیب نیا رمی، روزبه ریاضی، مسعود محمدی صفحات 57-69
    در این مقاله، مطالعه عددی میدان جریان عبوری از مجرای یک توربین گازی فشارپایین تحت بار بالا در شرایط طراحی و خارج از نقطه طراحی انجام شده است. برای این منظور از بسته نرم افزاری اوپن فوم استفاده شده است. در گام نخست، آثار ریزشدن شبکه بر نتایج روش های معادلات میانگیری رینولدز و شبیه سازی گردابه های بزرگ با مدل اسپالارت - آلماراس بررسی و با نتایج تجربی مقایسه شده است. نتایج نشان می دهد که در انتهای سطح فشاری تیغه، یک افت فشار غیرفیزیکی رخ می دهد که به شدت به تراکم شبکه و نوع مدل آشفتگی وابسته است. در گام دوم نشان داده می شود که تنها مدل اسپالارت - آلماراس قادر به پیش بینی جدایش جریان پدیدآمده از گذرش جریان در شبکه بندی با تراکم مختلف نزدیک دیواره است. نتایج عددی این مدل نقطه جدایش را در نزدیکی موقعیت 0/85 طول سطح مکش پیش بینی می کند. این در حالی است که اندازه گیری های تجربی نقطه جدایش را در نزدیکی موقعیت 0/7 طول سطح مکش تعیین کرده اند. در گام سوم، مدلسازی عملکرد خارج از نقطه طراحی تیغه با اعمال زوایای مثبت و منفی جریان ورودی نسبت به شرایط طراحی مجرا صورت می گیرد. نتایج حل عددی با مدل اسپالارت - آلماراس حاکی است که یک حباب جدایش روی سطح فشار به وجود می آید. محاسبه افت فشار کل در شرایط جریان ورودی با انحرافی بین 8+ و 20- درجه نسبت به حالت طراحی نشان می دهد که مدل های ω-k و اسپالارت-آلماراس کمترین افت فشار را در نقطه طراحی پیش بینی می کنند.
    کلیدواژگان: مجرای توربینی فشار پایین، شبیه سازی گردابه های بزرگ، مدل های آشفتگی معادلات میانگیری رینولدز، جدایش جریان، عملکرد دور از نقطه طراحی
  • محمدرضا محمد علیها*، سید محمد نوید قریشی، حسن فرح بخش صفحات 71-82
    لوله های با درز جوش طولی از جمله انواع متداول لوله های مورد استفاده در صنایعی چون نفت، گاز، پتروشیمی و پالایشگاهی اند. واماندگی و شکست این دسته از لوله ها عمدتا به واسطه رشد ترک ها و ناخالصی های موجود در ناحیه جوش یا ناحیه متاثر از حرارت می باشد. در این مقاله، پس از ارائه حل تحلیلی برای تعیین ضرایب شدت تنش ترک های موجود در لوله ها، برای شناسایی بحرانی ترین ترک در لوله های با درز جوش طولی، تعدادی ترک سه بعدی نیم بیضوی طولی با نسبت منظرهای 0/5 الی 1 در امتداد خط جوش و در جداره های داخلی و خارجی لوله در نرم افزار آباکوس مدل می شوند و ضرایب شدت تنش مود 1، 2 و 3 این ترک ها در سرتاسر جبهه ترک تحت بارگذاری توامان فشار داخلی و پیچش محاسبه می شوند. بر اساس نتایج حاصل مشخص می شود که تاثیر هر سه مود بارگذاری بر رفتار شکست این لوله ها موثر است و عامل فشار داخلی درون این لوله ها مهمتر از سایر پارامترها در رشد ترک های طولی ایجادشده می باشد. همچنین از نتایج چنین برمی آید که ترک های طولی داخلی به عنوان بحرانی ترین ترک ها در لوله های با درز جوش طولی شناخته می شوند.
    کلیدواژگان: لوله با درز جوش طولی، ترک نیم بیضوی، ضرایب شدت تنش، بارگذاری مود ترکیبی، روش المان محدود
  • بهروز شهریاری*، شهرام یوسفی، مهدی تاجداری، محمدرضا کارآموز صفحات 83-98
    با توجه به موقعیت و شرایط کاری سخت دیسک توربین و کمپرسور به عنوان اجزای اصلی روتور در موتور توربین گاز هوایی، طراحی این ادوات اهمیت ویژه ای پیدا می کند. این دیسک ها از یک طرف تحت بار گریز از مرکز قرار دارند که با افزایش سرعت دوران روبه افزایش می نهند و از طرف دیگر تحت بار حرارتی قرار دارند که با افزایش گرادیان حرارتی، به ویژه در اجزای تحت دمای بالا در روتور افزایش می یابد. در این بین، لازم است تا وزن روتور جهت بهبود رفتار دینامیکی، کاهش بار یاتاقان ها و کاهش وزن کل موتور به عنوان یک بخش اصلی وسیله پرنده کمینه گردد. سرعت دورانی، عملکرد در دمای بسیار بالا، گرادیان حرارتی شدید و نیاز به کاهش وزن، شرایط و الزاماتی برای روتور موتورهای توربینی هوایی است که طراحی آن را با مشکل مواجه می سازد. تحلیل استحکامی پیش نیاز تحلیل عمر در یک روتور است؛ زیرا ابتدا باید مقاومت قطعه در برابر بارگذاری استاتیکی قبل از بارگذاری سیکلی محقق شود. هدف این مقاله، طراحی بهینه وزنی سازه دیسک پره دار یکپارچه (بلیسک) توربین در روتور یک موتور مینی توربوجت است. برای این منظور، مشخصات طراحی ائروترمودینامیکی از جمله هندسه، تعداد و موقعیت قرارگیری پره ها، توزیع بارهای ائرودینامیکی، توزیع حرارت و فشار روی روتور و سرعت دورانی به عنوان ورودی مسئله طراحی بهینه بلیسک تحت قیود استحکامی و هندسی در نظر گرفته شده اند. در ادامه، برنامه های مربوط به طراحی و تحلیل بلیسک با استفاده از روش های عددی تدوین و نتایج خروجی با مقایسه با موارد بیان شده در مقالات معتبر اعتبارسنجی شده و در پایان سازه بلیسک توربین یک موتور مینی توربوجت خاص طراحی بهینه شده است.
    کلیدواژگان: موتور مینی توربوجت، بلیسک توربین، طراحی بهینه، تحلیل
|
  • Abdol Majid Khoshnood*, Ayoob Sheibani Pages 7-16
    Vibration control of clustered launch vehicles has been significantly encountered with many challenges as a result of multi degree of freedom. The control system must cover all degrees of freedom to approach desired performances. In this regards, frequency response methods play an important role in vibration control of multi body dynamic systems. In this view, vibration control is implemented via dominant frequency estimation and filtering. In several activities used full band adaptive filters, the filtering system cannot apply to complicated vehicles. Powerful properties of signal processing toolboxes lead to design practical and useful vibration control systems. In this paper, vibration reduction is implemented in subband frequency and this is one the main contributions of this study. In this way, high delay made from the subband filtering may lead to degradation of the control system. In this paper, a method is presented for reducing the delay based on the Smith predictor and model reference adaptive approaches. The results of numerical simulation show the proposed approach can satisfactory compensate the problem of delay in the online sub-band filtering. This performance is carried out for a clustered launch vehicle with convenient responses
    Keywords: vibration control, clustered launch vehicle, multi rate signal processing, sub, band adaptive filter, smith predictor
  • Yousef Abbasi*, Seyed Ali Akbar Moosavian, Alireza Basohbat Novinzadeh Pages 17-31
    In this paper, the guidance and control system of an aerial robot for tracking a reference trajectory is designed. The proposed algorithm uses the tracking errors to derive the guidance commands. These errors are in the form of acceleration command along inertial coordinate and the obtained commands are mapped to body fixed coordinated system. Then, using a new analytical approach the commands are converted to suitable inputs for the control system in the form of linear velocity, roll and pith angles. The proposed approach does not use the polar conversion, which in turn does produce nonphysical singularity defects. In addition, the aerodynamic and performance capability of aerial robots and corresponding limitations are considered. Using an aerial robot model with six-DOF, a control system is designed to track the designated guidance commands. Simulation results of a fixed wing aerial robot using six-DOF model reveal that the proposed guidance and control approaches significantly follow the guidance commands. In fact, the aerial robot tracks the desired trajectory with much higher accuracy than previous methods.
    Keywords: aerial Robot, guidance, Control, reference trajectory, acceleration command
  • Amir Reza Kosari*, Mehdi Fakoor, Shidvash Vakilipour, Vahid Bohlouri Pages 33-45
    In this paper, we introduce a new system design process for a cube satellite system which in turn, the design structure matrix method as a powerful design tool is employed for the system analysis. The cube satellite is a type of Pico satellites and the proposed systematic design process is applied to a typical version of these satellites type by illustrating, optimizing the dependency of design parameters driving the satellite conceptual design phase. Based on the systematic decision making logic including in the DSM approach, system design framework could be decomposed into smaller components and parts in design matrix which could show the dependency inherently defined between the actual satellite designs parameters. This fact is demonstrated, based on the supporting theory and considered case study, which the design parameters should influence the selection of each component at multiple levels of design requirements, mission, system and subsystem specified. Finally, the design matrix is developed and should be analyzed for a basic student cube satellite and then design structure matrix could support the enhancing the design formation parameters. In this case, 135 systematic driving and design parameters of cube satellite are identified based on a conceptual design phase activity and then these parameters passing through mathematical clustering procedures to form design process partitions and also design recursive loops.
    Keywords: design structure matrix, system design, cube satellite, design parameters
  • Alireza Naderi*, Alireza Beiki Pages 47-55
    Low speed aerial vehicles which fly at low Reynolds number have been designed like Ornithopter birds to increase the range and reduce fuel consumption. The researches show that although the harmonic oscillating airfoils in upstroke generate more lift than fixed airfoils but sometimes reduction of power at downstroke is enormous. The aim of this study is aerodynamic improvement of low speed simple harmonic oscillation airfoils by using of gurney flap which present better aerodynamic efficiency in upstroke and downstroke than common oscillating airfoils. For this purpose, the pressure based finite volume element numerical method is used on a moving gird. In the present work, the location and height of gurney flaps as the two most important parameters have been studied. The results show, whatever the flaps be closer to trailing edge, the aerodynamic efficiency increases. However, the height should be limited to a certain extent. Generated Vortices by the flap Gurney play a major role in improving aerodynamic efficiency. These vortices by changing the pressure distribution and their effects on flow separation on the upper surface of the airfoil increase aerodynamic efficiency.
    Keywords: oscillating airfoil, Gurney flap designing, aerodynamic efficiency
  • Shidvash Vakilipour*, Mehdi Habibnia Rami, Roozbeh Riazi, Masoud Mohammadi Pages 57-69
    In present investigation, the flow field passing through a highly loaded low pressure (LP) turbine cascade is numerically studied at design and off-design conditions. The Field Operation and Manipulation (OpenFOAM) platform is used as the Computational Fluid Dynamics (CFD) tool. Firstly, the influences of grid resolution on the results of RANS k-ε and k-ω models and LES utilizing Spalart-Allmaras subgrid scale model (LES-SA) are investigated and compared with those of the experimental measurements. Numerical results show that a pressure under-shoot is obtained near the end of blade pressure surface which is highly sensitive to grid resolution and flow turbulence modeling. Secondly, it is shown that the LES-SA model is able to resolve separation on the coarse and fine grid resolutions. The LES-SA results show the separation about S/C=0.85 whereas the experiments measure it about S/C=0.75.Thirdly, the off-design flow condition is modeled by imposing negative and positive inflow incidence angles. The numerical results of LES-SA model show that a separation bubble is generated on blade pressure side. The calculation of total pressure drop at incidence angles between -20 and +8 degrees illustrates that the k-ω and LES-SA models could estimate the minimum total pressure drop at the design point.
    Keywords: low, pressure turbine cascade, large, eddy simulation (LES), RANS turbulence models, flow separation, off, design performance
  • Mohammad Reza Mohammad Aliha*, Seyed Mohammad Navid Ghoreishi, Hassan Farahbakhsh Pages 71-82
    Longitudinally seam welded pipes are frequently used in the oil and gas industries. Failure of such pipes may be occurred due to the crack growth initiated in the weld zone. At service conditions, cracks existing in these pipes usually experience complex tensile-shear deformations. For estimating the onset of fracture in the cracked pipes during their service life it is necessary to obtain the stress intensity factors. Hence in this paper, several 3D semi elliptical cracks initiated longitudinally along the weld line in the outer and inner wall of a welded pipe with different aspect ratios ranging from 0.5 to 1 are analyzed using ABAQUS software. It is shown that the contribution of all three modes (KI, KII and KIII) may affect significantly the onset of fracture in the investigated pipes. However, the effect of mode I deformation (KI) is more pronounced than the shear mode deformations (KII and KIII). It was also shown that the value of equivalent stress intensity factor in the inner wall is greater than the outer wall of cracked pipe.
    Keywords: longitudinally seam weld pipe, semi elliptical crack, stress intensity factors, mixed mode loading, finite element method
  • Behrooz Shahriari*, Shahram Yousefi, Mehdi Tajdari, Mohammad Reza Karamooz Pages 83-98
    As the main parts of rotor of aero-gas turbine engine, due to arduous working conditions, the design of turbine as well as compressor disks is of importance. These disks are loaded under centrifugal and thermal forces which gets higher with increasing rotating speed, and the gas’s pressure and temperature. To improve the rotor dynamic behavior, decrease the bearing’s load and motor’s weight, the weight of the rotor, as the main part of the motor, should be minimized. Rotating speed, high temperature working condition, high temperature gradient, and the demand for minimum weight, imply serious restrictions on the design of rotor, especially turbine’s rotor. On the other hand, the strength analysis is prior to the study of rotor’s life because, to assess the cyclic loading, first the static one should be investigated. The aim of this study is to optimum the weight of a turbine integrally bladed disk (blisk) of a mini-turbojet engine. Aero-thermodynamic design parameters such as geometry, blades’ number and location, aerodynamic loads’ distribution, temperature and pressure distribution on the rotor, and rotating speed are the input parameters of the optimum design problem of the rotor’s disk under strength and geometrical constraints. To do so, numerical programs for design, analysis and optimization of the disk is developed and the obtained results are validated through previous ones in the literature. In addition, the structure of a special mini-turbojet engine is designed in an optimum manner.
    Keywords: mini, turbojet engine, turbine blisk, optimum design, analysis