کلمات کلیدی: حامل فضایی- ماهواره بر- طراحی مفهومی- طراحی بهینه چند موضوعی- طراحی مقاوم-طراحی چند هدفی- عدم قطعیت- طراحی بهینه مشارکتی فهرست مطالبهدف..........1مقدمه.......2فصل اول) حامل های فضایی51-1- مقدمه61-2- مروری بر فعالیت‌های انجام‌گرفته61-3-تعريف موشک حامل91-4- تقسیم‌بندی موشک‌های حامل101-4-1- کلاس وزني موشک‌های حامل101-4-2-محدوده کاربردي موشک‌های حامل111-4-3-بار محموله موشک‌های حامل111-4-4تعداد دفعات مصرف111-4-5-نحوه ترکيب ساختاري موشک‌های حامل111-4-5-1-تعداد مراحل111-4-5-2-نوع ترکيب موشک‌های حامل131-5- صنايع توليد بخش‌هاي مختلف حامل فضايي131-5-1-بخش طراحي و تحقيقات141-5-2-صنايع موتور141-5-3- صنايع سازه141-5-4صنايع پیشران151-5-5-صنايع هدايت و كنترل151-5-6-صنايع تجهيزات پرتاب151-6- طراحي حامل‌های فضايي151-7- جمع بندی16 فصل دوم) مبانی و مفاهیم172-1- طراحی بهینه چند موضوعی182-1-1- مقدمه182-1-2- لزوم استفاده از طراحی بهینه چند موضوعی192-1-3- انواع روش های طراحی بهینه چند موضوعی222-1-3-1- روش امکان پذیری چند موضوعی232-1-3-2- روش امکانپذیری تک موضوعی242-1-3-3- روش همه در یک مرتبه252-1-3-4- روش مشارکتی262-1-3-5- روش بهینه‌سازی همزمان در زیرفضا282-1-3-6- روش ترکیب سیستم جامع دو مرحله‌ای302-2- روش‌های بهینه‌سازی312-3- عدم قطعیت در طراحی332-3-1- تعریف عدم قطعیت332-3-2- منابع و دسته بندی عدم قطعیت ها362-3-3- تحلیل عدم قطعیت382-3-4- بررسی کلی روش‌های طراحی بر مبنای عدم قطعیت در دسترس382-3-4-2- طراحی بر مبنای قابلیت اطمینان402-3-4-3- طراحی مقاوم402-3-4-3-2- مقاومت هدف432-3-4-3-3- مقاومتامکان‌پذیری432-3-4-3-4- تخمینمیانگینوواریانستابععملکرد442-3-4-3-5- بهینه سازيچند هدفی442-4- جمع‌بندی45فصلسوم) مدل سازی زیرسیستم ها و شبیه سازی پرواز حامل فضایی463-1- مقدمه473-2- زیرسیستم‌های طراحی473-2-1- مأموریت473-2-1-1- نوع مدار483-2-1-2- پایگاه پرتاب493-2-2- احتراق503-2-3- طراحی موتور553-2-3-1- طراحی محفظه احتراق563-2-3-2- طراحی نازل583-2-4- طراحی هندسه593-2-5- تخمین جرم603-2-6- شبیه‌سازی پرواز حامل‌ها623-2-6-1- شبیه‌سازی جاذبه673-2-6-2- شبیه‌سازی اتمسفر683-2-6-3- برنامه زاویه فراز[36]703-2-6-3-1- پرواز عمودی713-2-6-3-2- پرواز مرحله اول713-2-6-3-3- جدايش مرحله اول713-2-6-3-4- پرواز مراحل بعد723-2-6-3-5- جدايش مراحل بعد723-2-6-3-6- جمع بندي محدودیت‌ها و قيود برنامه فراز723-3- جمع بندی72فصل چهارم) طراحی حامل و بررسی نتایج744-1- مقدمه754-2- مثال ریاضی764-3- طراحی حامل به روش مشارکتی794-4- طراحی حامل به روش امکانپذیری چند موضوعی884-5- بررسی اثر عدم قطعیت‌ها روی حامل طراحی‌شده904-6- طراحی بهینه مقاوم مشارکتی یک حامل فضایی با رویکرد چند هدفی935- پیشنهادات1116- مقالات1127- منابع113 فهرست اشکالشکل1-1 شمای موشک حامل سفیر9شکل1-2 تقسیم‌بندی موشک حامل[15]10شکل1-3 تأثیر پارامترها بر انتخاب تعداد مراحل حامل فضایی12شکل1-4 بلوک های حامل فضایی ساترن12شکل1-5 ساختار سری و ساختار خورجینی در موشک حامل13شکل1-6 روند طراحی حامل فضایی16شکل2-1 طراحی هواپیما از نگاه متخصصان زیرسیستم ها [16]20شکل2-2 تداخل موضوعات دخیل در طراحی [17]21شکل2-3 منطق تصمیم گیری برای انتخاب روش های بهینه سازی چند موضوعی [18]22شکل2-4 روش امکان پذیری چند موضوعی[13]23شکل2-5 روش تک موضوعی ممکن[13]25شکل2-6 روش همه در یک مرتبه[13]25شکل2-7 روش مشارکتی[13]28شکل2-8 بهینه‌سازی همزمان در زیرفضا[13]29شکل2-9 ترکیب سیستم جامع دو مرحله‌ای[13]30شکل2-10 روند کامل یک فرایند بهینه سازی تحت عدمقطعیت[23]39شکل2-11 حوزه کاربرد مسائل طراحی مقاوم و طراحی بر مبنای قابلیت اطمینان[6]42شکل2-12 تفاوت نقطه بهینه در طراحی مقاوم و طراحی بر مبنای قابلیت اطمینان[28]43شکل3-1 مدار بیضوی[29]48شکل3-2 تعدادی از پایگاه های پرتاب فضایی در دنیا[30]49شکل3-3 نمودار تغییرات ضربه خلأ بر حسب نسبت ترکیب اکسید کننده به سوخت برای پیشران های مختلف[31]52شکل3-4 اثر تغییرات فشار محفظه احتراق بر دمای ادیاباتیک شعله برای پیشران N2O4/UDMH53شکل3-5 اثر تغییرات نسبت اتمیسیته بر فشار محفظه احتراق برای پیشران N2O4/UDMH53شکل3-6 اثر تغییرات نسبت جرم مولکولی گاز ناشی از احتراق بر فشار محفظه احتراق برای پیشران N2O4/UDMH54شکل3-7 اثر تغییرات نسبت اکسید کننده به سوخت بر فشار محفظه احتراق برای پیشران N2O4/UDMH54شکل3-8 تاثیر تغییرات فشار محفظه احتراق و نسبت گرمایی ویژه بر ضربه ویژه57شکل3-9 تاثیر تغییرات فشار محفظه احتراق و فشار خروجی از نازل بر ضربه ویژه58شکل3-10 نحوه چینش باک های پیشران[33]59شکل3-11 قسمت های مختلف تشکیل دهنده در طول یک حامل فضایی[32]60شکل3-12 نیروهای وارد بر موشک حامل64شکل3-13 اثر دوران زمین بر آزیموت پرتاب66شکل3-14 نمودار تغییرات شتاب جاذبه بر حسب تغییرات ارتفاع68شکل3-15 نمودار تغییرات چگالی بر حسب تغییرات ارتفاع70شکل4-1 روندنمای طراحی در این پایان‌نامه75شکل4-2 فضای سه بعدی تابع هدف و قیود76شکل4-3 اثر قیود بر فضای طراحی77شکل4-4 ساختار روش مشارکتی برای حل مثال ریاضی78شکل4-5 متغیرهای طراحی برنامه زاویه فراز81شکل4-6 روندنمای کلی طراحی بهینه مشارکتی حامل فضایی83شکل4-7 تغییرات ارتفاع برحسب زمان حامل طراحی‌شده86شکل4-8 تغییرات سرعت برحسب زمان حامل طراحی‌شده در دستگاه سرعتی و اینرسی86شکل4-9 تغییرات زوایای حمله، فراز و مسیر برحسب زمان حامل طراحی‌شده87شکل4-10 نمودار تغییرات دینامیکی نسبت به زمان88شکل4-11 نمودار تغییرات جرم برحسب زمان88شکل4-12 ساختار طراحی امکانپذیری چند موضوعی حامل فضایی89شکل4-13 روندنمای اعمال عدم قطعیت‌ها روی حامل طراحی‌شده91شکل4-14 نمودار تغییرات ارتفاع برحسب زمان تحت تأثیر عدم قطعیت‌ها92شکل4-15 نمودار تغییرات زاویه حمله برحسب زمان تحت تأثیر عدم قطعیت‌ها92شکل4-16 نمودار تغییرات سرعت برحسب زمان تحت تأثیر عدم قطعیت‌ها در دستگاه سرعتی93شکل4-17 روندنمای طراحی بهینه مقاوم مشارکتی حامل فضایی با رویکرد چند هدفی96شکل4-18 نمودار تغییرات ارتفاع برحسب زمان حامل طراحی شده به روش مقاوم مشارکتی با رویکرد چند هدفی98شکل4-19 نمودار تغییرات سرعت بر حسب زمان حامل طراحی شده به روش مقاوم مشارکتی با رویکرد چند هدفی98شکل4-20 نمودار تغییرات زوایای حمله، مسیر و فراز بر حسب زمان حامل طراحی شده به روش مقاوم مشارکتی با رویکرد چند هدفی99شکل4-21 نمودار تغییرات جرم بر حسب زمان حامل طراحی شده به روش مقاوم مشارکتی با رویکرد چند هدفی99شکل4-22 نمودار تغییرات هد دینامیکی بر حسب زمان حامل طراحی شده به روش مقاوم مشارکتی با رویکرد چند هدفی100شکل4-23 نمودار مقایسه ای تغییرات ارتفاع بر حسب زمان حامل های طراحی شده به روش مشارکتی و روش مقاوم مشارکتی با رویکرد چند هدفی102شکل4-24 نمودار مقایسه ای تغییرات سرعت بر حسب زمان حامل های طراحی شده به روش مشارکتی و روش مقاوم مشارکتی با رویکرد چند هدفی103شکل4-25 نمودار مقایسه ای تغییرات زوایای حمله، فراز و مسیر بر حسب زمان حامل های طراحی شده به روش مشارکتی و روش مقاوم مشارکتی با رویکرد چند هدفی103شکل4-26 نمودار مقایسه ای تغییرات هد دینامیکی بر حسب زمان حامل های طراحی شده به روش مشارکتی و روش مقاوم مشارکتی با رویکرد چند هدفی104شکل4-27 نمودار مقایسه ای تغییرات جرم بر حسب زمان حامل های طراحی شده به روش مشارکتی و روش مقاوم مشارکتی با رویکرد چند هدفی105 فهرست جداولجدول الف پرتاب‌کننده‌های حامل فضایی از ابتدا تاکنون...............................................................................................................2جدول3-1 مزایا و معایب انواع موتور در حامل های فضایی[15]55جدول4-1مشخصات بهینه سازها برای حل مثال78جدول4-2 نتایج به دست آمده پس از حل مسئله79جدول4-3 متغیرهای طراحی بهینه‌ساز83جدول4-4پارامترهای طراحی84جدول4-5مشخصات حامل طراحی‌شده به روش طراحی بهینه مشارکتی85جدول4-6مقایسه نتایج طراحی به روش امکانپذیری چند موضوعی و مشارکتی90جدول4-7نحوه اعمال عدم قطعیت‌ها91جدول4-8مشخصات حامل طراحی شده به روش مقاوم مشارکتی با رویکرد چند هدفی97جدول4-9 جدولمقایسه‌ای مشخصات حامل های طراحی شده به روش مشارکتی و روش مقاوم مشارکتی با رویکرد چند هدفی101جدول پ1- موشک های حامل فعال یا درحال توسعه دنیا.....................................................................................................110جدول پ2- حامل های فضایی جمهوری اسلامی ایران.............................................................................................................113هدفهدف از انجام این پایان‌نامه، طراحی یک حامل به کمک روش‌های نوین برای بالا بردن سطح کیفیت و بهینه کردن پرتابگرها است. به این منظور روش طراحی بهینه چند موضوعی انتخاب شد تا با ترکیب با روش طراحی مقاوم، بتوانیم حاملی بهینه به لحاظ جرم و همچنین مقاوم در مقابل عدم قطعیت‌ها طراحی نماییم.مزیت طراحی بهینه چند موضوعی با ساختار مشارکتی در این است که این روش انعطاف پذیر می باشد و طراحان می توانند در صورت نیاز یک موضوع طراحی را بدون وابستگی به سایر موضوعات اضافه و یا کم نمایند یا آن را تغییر دهند. طراحی مقاوم نیز سبب می شود که نامعینی های ناشی از تاثیرات محیطی و یا نقص اطلاعات در طراحی یا فرضیات ساده سازی، در نظر گرفته شده و طرح خروجی طرحی با قابلیت اعتماد بالاتر باشد. مقدمهدستیابی به فضا، رویای همیشگی انسان بود که در سال 1957 شوروی موفق شد به این آرزو جامه عمل بپوشاند و راه را برای دستیابی به فضا باز کند. به دنبال آن سایر کشورها نیز سعی کردند سهمی از فضا و فعالیت‌های فضایی داشته باشند؛ اما چون این عرصه نیازمند داشتن سطح تکنولوژی بالا و زیرساخت‌های لازم است تاکنون تنها چند کشور معدود توانستند محموله‌های فضایی را خود به فضا ارسال کنند. جدول الف پرتاب‌کننده‌های حامل فضایی از ابتدا تاکنون را نشان می‌دهد.جدول الف پرتاب‌کننده‌های حامل فضایی از ابتدا تاکنونردیفپرتابکنندهتاریخ اولین پرتاب1شوروی19572ایالات‌متحده آمریکا19583فرانسه19654ژاپن19705چین19706انگلیس1971-آژانس فضایی اروپا19797هند19808رژیم اشغالگر قدس1988-اوکراین1991-روسیه19929جمهوری اسلامی ایران200910کره شمالی2012 گام اول برای طراحی یک حامل فضایی، طراحی مفهومی این سیستم پیچیده است. مهندس سیستم در فاز طراحی مفهومی آزادی عمل دارد و تنها عاملی که می‌تواند او را محدود کند، قیودی است که کارفرما برای طراح تعیین می‌کند و یا سطح تکنولوژی در دسترس میباشد؛ اما در ادامه هر چه جلوتر برویم آزادی عمل کم می شود تا نهایتا کلیاتی از زیرسیستم‌ها طراحی گردد. این کلیات به هرکدام از واحدهایی که قرار است جزئیات آن زیرسیستم را طراحی نمایند ابلاغ گردیده و آن‌ها موظف خواهند بود طرح کلی ابلاغی را به ثمر نشانند؛ بنابراین ملاحظه می‌شود که برای انتخاب روش طراحی، دست متخصصان سیستم باز میباشد. بنابراین این متخصصان باید روشی را انتخاب کنند که ضمن تحقق نتیجه، طرح بهینه‌ای را در مدت‌زمان حداقلی به‌عنوان خروجی ارائه کنند و هزینه موردنیاز را در کمترین سطح ممکن نگهدارند.حامل‌های فضایی پیچیدگی‌های زیادی دارند و طراحی و ساخت آن‌ها توسط تعداد زیادی از متخصصان انجام می‌گیرد. هر حامل فضایی متناسب با مأموریت خود طراحی می‌گردد. این مأموریت‌ها می‌توانند قرار دادن ماهواره در مدارهای چند صد کیلومتری از سطح زمین باشند یا می‌توانند برای انتقال انسان به فضا برنامه‌ریزی شوند. درهرصورت طراحان یا طراحی جدیدی را آغاز می‌کنند یا به بهینه‌سازی طرح‌های قبلی روی می‌آورند؛ اما متغیرهای هزینه، قابلیت اطمینان و افزایش توان حمل محموله، از مهم‌ترین پارامترهای مدنظر طراحان است. به همین دلیل لازم است متخصصان بر روش‌های نوین طراحی حامل اشراف کامل داشته باشند تا بتوانند با انتخاب یک روش مناسب برای طراحی، کار خود را به‌خوبی انجام دهند. در میان این روش‌ها، طراحی بهینه چند موضوعی از مهم‌ترین روش‌های طراحی میباشد. با توجه به این‌که کشور ما امروز توانسته است در شرایط خاص موجود و در اوج تحریم‌ها و کارشکنی‌ها، به تکنولوژی طراحی و تولید و پرتاب حامل فضایی دست یابد، لازم دانستیم روش نوینی برای طراحی را بررسی نماییم تا ان‌شاءالله در طراحی‌های بعدی با بهره‌گیری از آن بتوانیم حامل‌های پیشرفته‌تر و با کارایی بهتر و بهینه‌تر تولید نماییم.به این منظور در فصل اول مقدماتی را در خصوص حامل‌های فضایی، ساختار و نحوه تقسیم‌بندی آن‌ها آورده‌ایم. در فصل دوم مفاهیم مرتبط با طراحی بهینه چند موضوعی آمده است. همچنین اطلاعاتی در خصوص عدم قطعیت‌ها و مفهوم طراحی مقاوم آورده شده است. فصل سوم به مباحث مرتبط با طراحی زیرسیستم‌های حامل می‌پردازد. بخش شبیه‌سازی حامل نیز در این فصل ارائه شده است. در فصل چهارم به طراحی حامل پرداخته شده است. برای این کار ابتدا ساختار مشارکتی تشکیل شده و یک مثال ریاضی در آن حل شده است. سپس حامل فضایی با این ساختار طراحی شده و نتایج به دست آمده برای بررسی صحتشان با نتایج حاصل از طراحی حامل به روش امکانپذیری چند موضوعی مقایسه شده‌اند. در ادامه اثر عدم قطعیت‌ها روی حامل فضایی تحلیل می‌شود و پس‌ازآن برای دستیابی به حاملی با ساختار مقاوم نسبت به عدم قطعیت‌ها، روش مشارکتی را با روش طراحی مقاوم ترکیب می‌کنیم. در این روش رویکرد حل مسئله به‌صورت چند هدفی است و نهایتاً حاملی طراحی می‌شود که ضمن تلاش برای کاهش جرم اولیه، مقاوم در برابر عدم قطعیت‌ها باشد.در نهایت و در قالب جمع بندی و نتیجهگیری، حامل های طراحی شده به روش مشارکتی و مقاوم مشارکتی با یکدیگر مقایسه می شوند.این مقدمه را با کلامی از مولا علی علیه‌السلام به پایان می‌برم. ایشان می‌فرمایند:«العلم سلطان، من وجده صال به و من لم یجده صیل علیه»علم، سلطنت و قدرت است. هر که آن را بیابد، با آن یورش برد و هر که آن را پیدا نکند، بر او یورش برند./شرح نهج‌البلاغه، ابن ابی الحدید، جلد 20، ص 319. 1- فصل اولحامل های فضایی 1-1- مقدمهحاملهای فضایی به روش‌های مختلفی طراحی می‌شوند. نوع مأموریت و رویکرد طراحان از مهم‌ترین عوامل تأثیرگذار بر انتخاب روش طراحی هستند. در این پایان‌نامه نگاه نویسنده، استفاده از روش‌های نوین طراحی حامل و همچنین طراحی یک حامل قابل‌اعتماد در مقابل عدم قطعیت‌ها است. بنابراین قصد داریم به کمک روش طراحی بهینه چند موضوعی و ساختار مشارکتی و همچنین روش طراحی مقاوم یک حامل فضایی طراحی نماییم.بدین منظور در این فصل ابتدا مروری بر فعالیت‌های صورت گرفته در این زمینه خواهیم داشت و در ادامه به معرفی حامل‌ها و انواع آن‌ها می‌پردازیم. سپس توضیحاتی در خصوص طراحی سیستمی بیان می‌شود.با توجه به این‌که در این پایان‌نامه، طراحی حامل با روش طراحی بهینه چند موضوعی با ساختار مشارکتی و ترکیب آن با روش طراحی مقاوم انجام می‌شود، در این بخش سعی شده است فعالیت‌های مرتبط با این حوزه مرور گردد.اولینبارآقايسیوزبحثبهینه‌سازیچندموضوعیاتفاقیرادرسال1995مطرحکرد.این مقولهدرسال1998توسطآقايجیو[1] مجدداًمطرحشدوایشاندرسال1999حلیکمسئلهچند موضوعیراازنظرمقاومتازروشبدترینوضعیتبهبودداد[1] .بهدنبالآندرسال2000 و 2001 مقالاتیدرزمینهمسئلهچندموضوعیمقاومتوسطکخ[2]وماوریس[3]منتشرشدند[2, 3]. چن و همکارانش در سال 2000 [4]کارهايقبلیخودوسایرپژوهشگرانقبلیرادرزمینهتلفیق طراحی بهینه چند موضوعی باطراحیمقاومتکمیلکردندوروشیبهنامتحلیلعدم قطعیتیکپارچهزیرسیستماصلاح‌شده[4] (MCSSUA) رامعرفیکردندکهبهبودیافتهکارهايقبلییعنیتحلیلعدم قطعیتیکپارچه زیرسیستم[5] (CUSSA) بود. چنوهمکارانش درسال2001 [5] طراحیمقاومراواردساختاربهینه‌سازیمشارکتیکردندویکساختار سلسه‌مراتبی[6] ابداعنمودندکهشاملسهسطحسیستم،زیرسیستم،وسطحتحلیلعدم قطعیتمی‌شد.آن‌هاگزارشکردندکهاگرچهاینروشکارآمداست،ولیبهدلیلوجودمشکلهمگراییبهینه‌سازیمشارکتیوحساسیتبهنقطهشروعدربهینه‌سازیزیرسیستم،دربرخیازمسائلبامشکل مواجهمی‌شود[6].