فهرست مطالب

فناوری در مهندسی هوافضا - سال پنجم شماره 1 (پیاپی 16، بهار 1400)

نشریه فناوری در مهندسی هوافضا
سال پنجم شماره 1 (پیاپی 16، بهار 1400)

  • تاریخ انتشار: 1400/05/30
  • تعداد عناوین: 6
|
  • ابراهیم امیری، مهدی جعفری ندوشن* صفحات 1-13

    این مقاله به تحلیل ظرفیت بالقوه سیارک ها در تامین مواد و منابع معدنی از سه دیدگاه فنی، اقتصادی و حقوقی پرداخته است. بدین منظور سیارک های نزدیک زمین که دسترس پذیری بهتری دارند، به عنوان کاندیدای معدن کاوی در نظر گرفته شده اند. علاوه بر مرور مسایل فنی، ارزیابی اقتصادی برای دو عنصر پلاتینیوم و طلا ارایه شده است که نتایج بیانگر به صرفه بودن صنعت معدن کاوی فضایی تحت شرایط مفروض است. مهمترین چالش سر راه شکل گیری این حوزه نه مسایل فنی و نه به صرفه بودن اقتصادی است، بلکه خلاء های قانونی و حقوقی است که ریسک سرمایه گذاری را بالا برده و بهره برداران و سرمایه گذاران را دچار سردرگمی و ابهام می کند. با این وجود بهره برداری از سیارک های نزدیک زمین از نظر فنی امکان پذیر است و در آینده نزدیک با توجه به رشد و بلوغ فناوری فضایی، نیاز بشر به فلزات و مواد معدنی، کمبود آن بر روی زمین و افزایش هزینه های استخراج، مورد توجه طیف وسیعی از دولت ها و شرکت های خصوصی قرار خواهد گرفت.

    کلیدواژگان: معدن کاوی سیارکی، سیارک های نزدیک زمین، مدل اقتصادی، رژیم حقوقی فضایی
  • زهیر صبوحی*، محمد رزمجوئی صفحات 15-28

    در این مقاله، به بررسی انتقال حرارت و فناشوندگی عایق های حرارتی مورد استفاده در موتور و نازل پرداخته شده است. معادلات انتقال حرارت و جرم در دو بعد در یک نازل همگرا-واگرا در نظر گرفته شده است. برای حل این معادلات از روش حجم محدود و از روش ضمنی برای وابستگی زمانی استفاده شده است. معادله تجزیه که به فرم آرنیوس نوشته شده با استفاده از روش رانگ-کوتا حل شده و چگالی و شار جرمی گاز تولیدی در هر گام زمانی بدست آمده است. همچنین مدلی برای لحاظ نرخ پسروی ارایه شده است. اعتبارسنجی مدل با نتایج تجربی رایز در عایق سیلیکافنولیک مقایسه شده و نشان از انطباق خوب نتایج حاصل از شبیه سازی با مشاهدات تجربی می باشد. پس از صحه گذاری نتایج بدست آمده به بررسی تاثیر ضریب تصحیح دمش پرداخته شده است، نتایج نشان می دهد که برای طراحی دقیق عایق های فناشونده این ضریب بسیار حایز اهمیت است.

    کلیدواژگان: فناشوندگی، عایق، معادله تجزیه
  • علی کثیری، فرهاد فانی صابری*، روژین شکری خانقاه صفحات 29-43

    هدف اصلی از انجام این پژوهش، ارایه یک روند طراحی به منظور طراحی بادبان کاهش مدار برای ماهواره های مستقر در مدارهای ارتفاع پایین (لیو) با در نظر گرفتن الزامات ماموریت است. در این راستا ابتدا الزامات و ملاحظات طراحی بادبان کاهش مدار مورد مطالعه قرار گرفته است. در ادامه مدل های اتمسفری متفاوت و روابط لازم برای طراحی اولیه بادبان کاهش مدار ارایه گردیده است. سپس به کمک ابزار Life-time در نرم افزار STK زمان کاهش مدار چندین ماهواره با نسبت های جرم به سطح متفاوت، با استفاده از سه مدل تراکم اتمسفری استاتیکی و دینامیکی Harris-priester، Jacchia-Roberts و MSISE2000از ارتفاع اولیه 700 و 800 کیلومتری محاسبه شد. در انتها با استفاده از روابط و نمودارهای ارایه شده، برای مدارزدایی یک ماهوره 20 کیلوگرمی از ارتفاع اولیه 800 کیلومتری بادبانی با نسبت جرم به سطح 01/0 کیلوگرم بر متر طی یک روند منظم طراحی شده است.

    کلیدواژگان: بادبان کاهش مدار، بازگشت به جو، مدل اتمسفری، زباله فضایی، مدار زدایی
  • میلاد عظیمی*، صمد مرادی صفحات 45-56

    این مقاله به طراحی قانون کنترلی برای مانور وضعیت و کاهش ارتعاشات باقی مانده یک فضاپیمای انعطاف پذیر پرداخته است. تیوری توسعه یافته مبتنی بر طراحی تابع لیاپانوف با لحاظ دینامیک چرخ عکس العملی و حسگر/عملگرهای پیزوالکتریک و استفاده از کنترلر فیدبک نرخ کرنش برای ارتعاشات باقی مانده پس از فاز دستیابی به زاویه مطلوب ارایه شده است. معادلات حرکت غیرخطی سیستم با لحاظ دینامیک غیر خطی و کاملا کوپل جسم صلب-انعطاف پذیر فضاپیمای در مانور تک-محوره با پیاده سازی روش مودهای فرضی و اصل همیلتون استخراج شده است. پایداری کلی سیستم صلب -انعطاف‏پذیر با استفاده از ورودی های پیوسته (چرخ عکس العملی) و ناپیوسته کنترلی (تراستر) اثبات و ارتعاشات باقیمانده به حداقل رسیده است. عملکرد سیستم کنترل توسعه یافته پیشنهادی در مقایسه با نمونه رایج آن و رویکرد کنترلی جانمایی قطبها بررسی شده است. شبیه سازیهای انجام شده برای یک مانور با زاویه بزرگ و کاهش قابل ملاحظه ارتعاشات ناشی از تحریک پنل‏های انعطاف‏پذیر بیانگر مزیت و کارایی روش پیشنهادی می‏باشد.

    کلیدواژگان: کنترل ارتعاشات، دینامیک عملگر، فضاپیمای انعطاف پذیر_ کنترلر توسعه یافته لیاپانوف، وصله های پیزوالکتریک
  • مطالعه صدای منتشرشده محفظه احتراق توربین گاز مدل هنگام چسبیدگی شعله به سرمشعل
    امیر آقابیگی، امیر مردانی*، حسنا باهنر صفحات 57-65

    در این مقاله مطالعه میدان جریان یک محفظه احتراق توربین گاز مدل در حالت سرد برای حالت معمول و چسبیدگی شعله به سرمشعل به روش تجربی و با شبیه سازی گردابه های بزرگ انجام شده است. ابعاد هندسی پلنیوم و نتایج اندازه گیری تجربی صدای محفظه بیانگر تولید صدایی با فرکانس نزدیک به رزونانس پلنیوم دارد. برای بررسی اثر میدان جریان، از نتایج عددی برای حالت معمول و شعله چسبیده استفاده شده است. نتایج عددی نشان می دهد، تغییر نسبت هوا میان چرخاننده بیرونی و داخلی به متمایل شدن لایه برشی خروجی به سرمشعل و ایجاد جت کواندا منجر می شود. میدان جریان حاصل از شبیه سازی عددی نشان می دهد در حالت چسبیدگی شعله، ناحیه جریان بازگشتی داخلی سرعت های منفی کوچک تر به خود می گیرد و ناپایداری لایه برشی در خروجی نازل بیرونی و گردابه های آن در اثر چسبیدگی جریان به دیواره از بین می روند. حذف ناپایداری لایه برشی در خروجی یکی از نازل ها می تواند عامل حذف یکی از دو فرکانس پایه نوسانات در اندازه گیری های تجربی باشد.

    کلیدواژگان: محفظه احتراق توربین گاز، شبیه سازی گردابه های بزرگ، جت کواندا، صوت
  • شهرام قربانی فر*، محمد طیبی رهنی، مسعود زارع صفحات 67-77

    در این مقاله ، معادله نیرو-جابجایی و نوسانات سه بعدی غیر خطی یک قطره آونگان به صورت عددی بررسی می شود. رشد و جدایش ‏قطره، که به دلیل گرانش از انتهای لوله مویین آویزان است، در نظر گرفته می شود (با فرض نسبتهای چگالی و گرانروی بالا و جریانهای دو ‏فازی غیرقابلاختلاط). از روش شبکه بولتزمن با زمان آرامش سه بعدی برای شبیه سازی رشد ، جدایش و نوسانات قطره استفاده شد. متوجه ‏شدیم که قطره در حال رشد همزمان سه رفتار کششی مختلف را نشان می دهد. نشان داده شد که قطره دارای شتاب نوسانی است. حداکثر ‏دامنه شتاب بدون بعد حدود 35 و فرکانس بدون بعد حدود 40 بود. نتیجه گیری شد که قطره هنگام رشد امواج صوتی را در بالادست تولید ‏می کند. اگرچه جریان در جهت گرانش بود ، نوسانات عرضی با دامنه کم و با فرکانس بدون بعد 500 تا 800 در طول رشد قطره تشخیص ‏داده شد.‏

    کلیدواژگان: جریان دوفازی، قطره در حال رشد، نوسانات قطره، روش شبکه بولتزمن سه بعدی
|
  • Ebrahim Amiri, Mahdi Jafari Nadoushan * Pages 1-13

    In this paper, the potential capacity of asteroids to provide minerals is investigated from technical, economic, and legal points of view. To this end, Near-Earth Asteroids, which are more accessible, are considered as asteroid mining candidates. Reviewing technical issues, as well as economic evaluations for plutonium and gold, are presented. The results prove the economic feasibility of the asteroid mining industry under the assumed conditions. The most critical challenges to realize asteroid mining are not technical or economic, but legal issues. These issues raise uncertainties and hence increase investment risks. Still, Near-Earth Asteroid exploitation is technically possible. With space technology’s maturation in the near future, the demand for minerals on the one hand and their scarcity and increasing excavation costs on Earth, on the other hand, will make many governments and corporates interested in asteroid mining.

    Keywords: Asteroid Mining, Near-Earth Asteroids, Economic Model, Space Law Regime
  • Mohammad Razmjooei Pages 15-28

    This paper investigates the heat transfers and ablation of thermal insulators used in motors and nozzles. The heat and mass transfer equations are considered in two dimensions in a convergent-divergent nozzle. The finite volume method and the implicit method for time dependence have been used to solve these equations. We used the equations finite volume method with implicit formulation for time dependency to solve equations. The reaction equation, which is written in the form of Arrhenius, is solved using the Runge-Kutta method, and the density and the flux of the gas produced at each step are obtained. Also, we represent a model for the rate of recession. The validation of the model is compared with the experimental results in silica-phenolic ablation insulators and shows a good agreement of the simulation results with the experimental observations. After validation of the obtained results. The effect of the blowing correction coefficient has been investigated, the results show that this coefficient is very important for the accurate design of ablation insulators. The blowing correction factor reduces the convection heat transfer coefficient, reduces the surface recession, and thus, reduces the back temperature of the insulation. Therefore, in cases where the thickness of the insulation is significant or the heat of ablation is low. This parameter can be important and affect the final results and thus the final design.

    Keywords: Ablation, Insulator, Reaction Equation, Blowing Correction Factor, Convection Heat Transfer Coefficient
  • Ali Kasiri, Farhad Fani Saberi *, Rojin Shokri Khanghah Pages 29-43

    The main purpose of this paper is to provide a regular design process of drag sail for deorbiting a satellite in LEO orbit concerning the mission requirements. In this regard, the design requirements and manufacturing considerations of the drag sail have been studied at first. The paper continued with different atmospheric models and the necessary equations for the initial design of the drag sail. Then, with the help of the Life-Time (LT) tool in STK software, the deorbiting time of several satellites with different mass to surface ratios from two initial altitudes of 700 and 800 km was obtained. In this calculation, three models of static and dynamic atmospheric density: Harris-Priester, Jacchia- Roberts, and MSISE2000, have been used. Usually, these data and pieces of information are using to design the suitable sail specifications (size, shape and, mass) to remove satellites from the Leo orbit. Finally, using the presented equations and provided diagrams, a drag sail is designed to deorbit a 20 kg satellite from an initial height of 800 km with a mass to surface ratio of 0.01 kg/m. The geometry of this sail is selected in a square shape and based on four beams. This geometry is chosen by compromising between the two elements of reliability and flexibility. The simulation results show that the designed sail can meet the mission requirements of the deorbiting system and take the satellite out of orbit within 3.6 years.

    Keywords: Orbit Reduction Sail, Re-entry, Atmospheric Model, Space Debris, De-orbiting
  • Milad Azimi *, Samad Moradi Pages 45-56

    This paper presents a study concerning active vibration control of a smart, flexible spacecraft during attitude maneuver using thrusters/ a reaction wheel and piezoelectric patches. The large-angle maneuver and residual vibration of the spacecraft are controlled utilizing an extended Lyapunov-based design (ELD) and strain rate feedback (SRF) theory. The single-axis fully coupled rigid-flexible dynamic of the system is derived applying a Lagrangian approach and Assumed Mode Method (AMM). The system's overall stability, including energetic terms covering a hub, two flexible appendages, PZT sensor/actuator, RW dynamics, and torsional spring, has been proved, and the control law has been derived accordingly. A pulse-width pulse-frequency (PWPF) modulation is used to alleviate the excitations of high-frequency flexible modes. However, due to the fast maneuver, there are still residual vibrations in the system. Hence, the SRF algorithm using PZT is applied to prepare further vibration suppression. The performance of the proposed extended controller is compared to the conventional Lyapunov and pole placement control algorithms. The numerical results for simultaneously large angle attitude and vibration control of a flexible spacecraft through a comparative study verify the merits of the proposed approach.

    Keywords: Thrusters, Vibration Control, Flexible Spacecraft, Lyapunov Controller, Piezoelectric Patches
  • Study of emitted sound of a gas turbine model combustor when flame adheres to burner head
    Amir Aghabeigi, Amir Matdani *, Hosna Bahonar Pages 57-65

    Experimental and numerical analysis of a gas turbine model combustor is performed for two cases of regular operation, and attached flow (Coanda jet). The flame shape is visualized experimentally to reveal the differences in the flame structure of the two casesThe combustor sound frequency is measured experimentally and is close to the plenum's resonance frequency. Analysis of the measured resonance sound in frequency space reveals two fundamental frequencies for the normal operation and only one for the case of attached flow. After verifying the numerical results for the cold flow of the burner under normal operation, numerical modeling of both cases is performed using a large eddy simulation. Numerical results predict the attachment of the flow (in the form of a Coanda jet) to the dump plane of the burner for a change in a split ratio of flow between the inner and outer nozzles. In the case of flow attachment, it is shown that less negative axial velocities exist at the chamber entrance and outer nozzle instability ceases. In this way, the plenum acts as a normal single neck Helmholtz resonator with one fundamental frequency for resonance when flow adheres to the burner head. ‌‌

    Keywords: Gas Turbine Model Combustor, Large Eddy Simulation, Coanda Jet, Acoustics
  • Sh. Ghorbanifar*, M. Taeibi Rahni, M. Zareh Pages 67-77

    In this work, the force-displacement equation and non-linear threedimensional oscillations of a pendant drop are investigated numerically. The presented novel force-displacement function allows following the dynamics of a pendant drop and realizing its elastic behavior. The growth and detachment of drop, which is pending due to gravity from a capillary tip, is considered (assuming high density and high viscosity ratios and immiscible two-phase flows). The three-dimensional multirelaxation time lattice Boltzmann method (MRT-LBM) was used to simulate the growth, detachment, and oscillations of the drop. It was realized that the growing drop shows three different elastic behaviors simultaneously (hardening, linear, and softening). It was shown that the growing drop has oscillatory acceleration (in the direction of flow). The acceleration had a maximum dimensionless amplitude of about 35 and a dimensionless frequency of about 40. It was concluded that drop generates acoustic waves upstream while growing. Although the flow was in the gravity direction, low amplitude transverse oscillations with the dimensionless frequency of 500 to 800 were detected during the drop growth.

    Keywords: Two-phase Flow, Growing Drop, Drop Oscillations, ThreedimensionalLattice Boltzmann Method