عملیات آپولو 13 و شبیه سازی مهندسی.50 سال بعد از آن و آسانی سفرهای فضایی به لطف شبیه سازی
آپولو 13 و شبیه سازی مهندسی
عملیات آپولو 13 و شبیه سازی مهندسی: احتمالا خیلی از شما فیلم زیبای آپولو 13 با بازی تام هنکس را دیده باشید. (خطر اسپویل) آپولو ۱۳ (Apollo 13) هفتمین پرواز سرنشیندار از مجموعه برنامه فضایی آپولو و سومین سفر با هدف فرود بر ماه بود که در سال 1970 انجام شد. در این ماموریت، انفجاری در مخزن اکسیژن ماژول خدماتی، باعث نشت اکسیژن هر دو کپسول این ماژول به فضا شد. به همین علت فضانوردان مجبور به نقل مکان به ماژول ماهنورد شدند و ماژول فرماندهی را برای ذخیره منابع موجود آن برای سفر بازگشت، به حالت خاموش درآورند.
با وجودی که ماژول ماهنورد برای سرویس‌دهی به دونفر برای دو روز طراحی شده بود، مرکز کنترل عملیات در هیوستون تگزاس آن را برای سرویس‌دهی به سه نفر برای مدت سه روز ارتقا داد. مشکل اصلی پیدا کردن راهی برای خوراندن کارتریج‌های تبدیل دی‌اکسید‌کربن ماژول فرماندهی به ماژول ماهنورد با امکاناتی که در اختیار داشتند بود.
در این فیلم، می‌بینید که با آن همه محاسبات و افراد متخصصی که در کار خود بهترین هستند اشتباهی کردند که می‌توانست منجر به خطرات جانی به فضانوردان شود. اما در یک مدت زمان کم همین تیم با امکانات کمتر و زمان کمتر توانستند راه‌حلی برای تصفیه هوای داخل ماژول پیدا کنند و بتوانند فضانوردان را با حداقل انرژی ممکن سالم و سلامت به زمین برگردانند.
برای من نکته خیلی جالب فرود کپسول فضایی بر روی آب اقیانوس بود. اینکه با آن سرعتی که برای بازگشت به زمین و عبور از جو نیاز است و حالا باید آن سرعت را به کمک چتر نجات کم کرد و بعد روی آب فرود آمد. بالن چقدر از سرعت کپسول را می‌تواند کم کند و با چه سرعتی کپسول به آب برخورد می‌کند؟ حرکات کپسول پس از برخورد به آب چطور خواهد بود؟ آیا موجب شکست و متلاشی شدن کپسول میشود؟ آیا خطری جان فضانوردان را تهدید می‌کند؟
قطعا آن موقع تمام اینها را با محاسبات دستی و تستهای آزمایشگاهی تعیین می‌کردند. اما حالا که 50 سال از آن روزها می‌گذرد، با پیشرفت علم و مهندسی ابزاری به نام شبیهسازی هست که خیلی راحت‌تر، کم هزینه‌تر و با سرعت بیشتری ارزیابی می‌کند. شما می‌بینید که خیلی راحت با نرم افزار اباکوس این موضوع شبیهسازی شده است. جالب است بدانید که نتایج این شبیهسازی توسط آباکوس در سال 2011 منتشر شده و با نتایج تست هم برای حالت‌های مختلف فرود که برای کپسولهای آپولو در آب و برای کپسولهای سایوز روسی بر روی زمین خاکی است، مقایسه کرده‌اند.
4 پارامتر اصلی در سناریوی فرود کپسولها اهمیت دارد که در شبیهسازی باید آنها را درنظر گرفت:
- زاویه رول و پیچ کپسول دقیقا قبل از فرود
- مولفههای سرعت عمودی و افقی قبل از ضربه
- جرم کپسول
- مشخصات ناحیه فرود
در جدول زیر مقایسه نتایج تست و شبیهسازی برای فرود کپسول فضایی بر روی آب و خاک را می‌بینید. شبیهسازی تقریبا همان واقعیت است!
جدول مقایسه نتایج تست های تجربی و محاسبات شبیهسازی
عملیات آپولو 13 چه بود؟
آپولو 13 هفتمین پرواز سرنشیندار از برنامه فضایی آپولو و سومین مأموریت با هدف فرود بر ماه بود. این مأموریت در سال 1970 انجام شد، اما به دلیل انفجار مخزن اکسیژن، مأموریت فضانوردان برای فرود بر ماه لغو شد و آنها مجبور به بازگشت به زمین شدند.
چه مشکلی در مأموریت آپولو 13 رخ داد؟
انفجاری در مخزن اکسیژن ماژول خدماتی باعث نشت اکسیژن شد، که فضانوردان را مجبور کرد به ماژول ماهنورد نقل مکان کنند. این ماژول که برای دو نفر طراحی شده بود، به کمک مرکز کنترل هیوستون برای سه نفر و مدت سه روز ارتقا داده شد.
چه شبیهسازیهایی برای آپولو 13 انجام شده است؟
با استفاده از نرمافزار Abaqus، شبیهسازیهایی برای ارزیابی فرود کپسول فضایی بر روی آب انجام شد. این شبیهسازیها نحوه کاهش سرعت کپسول با استفاده از چتر نجات و بالن و برخورد آن به آب را مورد بررسی قرار دادند.
پارامترهای اصلی در شبیهسازی فرود کپسولها چیست؟
چهار پارامتر اصلی که در شبیهسازی فرود کپسولهای فضایی باید در نظر گرفته شود شامل:زاویه رول و پیچ کپسول دقیقاً قبل از فرود
مولفههای سرعت عمودی و افقی قبل از ضربه
جرم کپسول
مشخصات ناحیه فرود
نتایج شبیهسازیها چگونه با واقعیت مقایسه شده است؟
نتایج شبیهسازی Abaqus با نتایج تستهای واقعی فرود کپسولهای فضایی بر روی آب و همچنین کپسولهای سایوز روسی که بر روی زمین فرود میآیند، مقایسه شده است. نتایج نشان میدهند که شبیهسازیها تقریباً دقیقاً با واقعیت تطابق دارند.
اهمیت شبیهسازی در عملیات فضایی چیست؟
شبیهسازیها به مهندسان این امکان را میدهند تا با هزینه کمتر و دقت بالاتر سناریوهای مختلفی مانند فرود کپسولها بر روی آب یا خاک را ارزیابی کنند. این روش سریعتر و بهصرفهتر از آزمایشهای واقعی است.
آیا هنوز از شبیهسازی برای مأموریتهای فضایی استفاده میشود؟
بله، شبیهسازیها همچنان نقش کلیدی در مأموریتهای فضایی دارند و به تحلیل مسائل پیچیده مانند استحکام سازهها، برخورد با سطح و پایداری فضاپیماها کمک میکنند.
چه تفاوتی بین فرود کپسول آپولو و سایوز وجود دارد؟
کپسولهای آپولو بر روی آب فرود میآیند، در حالی که کپسولهای سایوز روسی بر روی زمین خاکی فرود میآیند. شبیهسازیها برای هر دو نوع فرود انجام شده و نتایج نشان دادهاند که شبیهسازی Abaqus تقریباً دقیقاً همان نتایج تستهای واقعی را بهدست آورده است.
چه تکنولوژیهای جدیدی برای تحلیل فرود کپسولها استفاده میشود؟
نرمافزارهای شبیهسازی مانند Abaqus و LS-DYNA از تکنولوژیهای پیشرفته تحلیل المان محدود برای مدلسازی دقیقتر رفتار کپسولها هنگام فرود استفاده میکنند، که دقت و سرعت تحلیلها را بهبود بخشیدهاند.