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ANSYS BLOG

December 25, 2021

Wie das James-Webb-Weltraumteleskop mit Simulation entwickelt wurde

Die NASA hat sich erneut  auf eine Mission begeben, die am 25. Dezember 2021 unseren Blick auf das Universum verändern wird. Seit Jahrzehnten  liefert das Hubble-Weltraumteleskop  der NASA beeindruckende  Bilder von fernen Galaxien , Nebeln  und  Sternen.  Das James-Webb-Weltraumteleskop (JWST)  könnte  uns jedoch einen ganz neuen Blickwinkel  auf das Universum geben. Mit einem Hauptspiegel, der sechsmal mehr Licht als Hubble auffangen kann, und längeren Bildwellenlängen wird das JWST  den  Wissenschaftlern ermöglichen, einen Blick in die Vergangenheit auf die frühesten Formationen des Universums zu werfen.

Spiralgalaxie NGC 2336

Fig 1. Spiral Galaxy NGC 2336 Image credit: ESA/Hubble and NASA, V. Antoniou; Acknowledgment: Judy Schmidt from Hubble Image Gallery

Anforderungen an das Design des James-Webb-Weltraumteleskops

Hinter dem JWST steht eine  bahnbrechende  Technologie. Nicht  nur , weil es darum geht in den Weltraum zu schauen. Sondern auch vor allem, um zu erkunden, was noch nie zuvor gesehen wurde.  Das Teleskop verfügt über das größte und präziseste optische Instrument, das jemals gebaut wurde; ein Instrument, das so entwickelt wurde, dass es extrem kalt bleibt - fast minus  400 Grad Fahrenheit  oder minus 240 Grad Celsius. 

Vergleich der Hauptspiegel von Hubble (links) und JWST (rechts) von der NASA

Fig 2. Comparison of the primary mirrors of Hubble (left) and JWST (right) from NASA

Die Ingenieur*innen mussten eine Struktur schaffen, die Folgendes kann:

  • Betrieb bei ständiger Sonneneinstrahlung
  • Eine Struktur von der Größe eines Tennisplatzes zu einer Rakete falten
  • Über eine Million Kilometer ins All fliegen
  • Dutzende von Mechanismen in einem komplizierten, mechanisch  orchestrierten Zusammenspiel auslösen.

Einfach, oder? 

Sollte eines dieser heiklen Manöver fehlschlagen, wäre die Mission erfolglos. Mit 344 "Ein-Punkt-Ausfällen" ist JWST eine der riskantesten Missionen in der Geschichte.

Bild der NASA von der JWST-Umlaufbahn in etwa 1 Million Meilen (1,5 Millionen km) Entfernung von der Erde.

Fig 3. Image from NASA of JWST orbit about 1 million miles (1.5 million km) from Earth

Risikoverringerung mit tiefgreifender technischer Simulation

Da das JWST viel zu groß ist, um alles zu testen, und Tests auf der Erde nicht dasselbe sind wie Tests im Weltraum, simulierten die Ingenieur*innen, wie sich das Teleskop in seiner Einsatzumgebung verhalten wird. Northrop Grumman ist der Hauptauftragnehmer, der das JWST entwickelt und gebaut hat. Simulation spielte dabei eine entscheidende Rolle. "Man entwickelt es, man baut es, man entwirft ein Computermodell, um es zu imitieren," sagte Scott Willoughby, Vice President für das James-Webb-Space-Teleskop bei Northrop Grumman Space Systems. Als weltweit führender Anbieter von technischen Simulationstools ist Ansys stolz darauf, bei dieser Mission unterstützt zu haben.

DRM, Bestimmung der Umlaufbahn und SRP

Die Ingenieur*innen nutzten  Systems Tool Kit (STK)  Astrogator   von  AGI,  einem Ansys-Unternehmen, um komplexe  Design-Referenzmissionen  (DRMs) zu erstellen.  Diese  berücksichtigen die komplexen Gravitationsstörungen in  Librationspunkt-Umlaufbahnen (L2), um die Anforderungen an die Stationserhaltung abzuschätzen. Sie werden auch das Orbit Determination Tool Kit (ODTK) von AGI verwenden, um operative Bahnbestimmungen durchzuführen. Um den Druck des Sonnenlichts auf den großen Sonnenschild des JWST zu modellieren, wurde der benutzerdefinierte solar radiation pressure (SRP) Plugin-Punkt in ODTK verwendet, um ein proprietäres Modell in die fortschrittlichen Schätzalgorithmen von ODTK einzufügen.

STK-Simuliertes Design der Referenzmission des James-Webb-Weltraumteleskops Librationspunkt-Umlaufbahn um L2

Fig 4. STK-Simulated Design Reference Mission of James Webb Space Telescope Libration Point Orbit around L2

Ausrichtung von Spiegeln

Die Ingenieur*innen verwendeten Ansys Mechanical-Simulationen, um Lösungen für die genaue Ausrichtung der Spiegel unter Berücksichtigung der Eigenschwingungsfrequenzen der Strukturen zu finden. Mechanical half dabei, die Auswirkungen eines verbundenen, segmentierten Spiegels zu bestimmen. Das Ziel war,  dass  die Segmente auf Störungen genauso reagieren wie ein monolithischer Spiegel.

Simulation der detaillierten Verbindungen zwischen den Segmenten

Fig 5. Simulation of the detailed connections between the segments

Spiegelausrichtung

Die Software Ansys Zemax simulierte die komplexe Optik der zahlreichen einzelnen vergoldeten Spiegelsegmente des Teleskops. Die 18 sechseckigen Segmente des JWST-Primärspiegels müssen wie ein einziger Spiegel funktionieren, dessen Oberfläche  glatter  als 100 Nanometer ist. Die Ingenieur*innen nutzten die Zemax-Software, um jeden Schritt des Ausrichtungsprozesses zu entwickeln und zu testen: von der anfänglichen Segment-Suche bis zur abschließenden Feinjustierung. 

Sie  entwarfen  einen einzigartigen "Coarse Phasing"-Schritt, der die Spektren analysiert, um Kolbenfehler  —  ein Segment, das zu weit vor oder hinter den anderen liegt —  zwischen den Segmenten zu korrigieren. Zemax-Modelle wurden auch für die Entwicklung des  Multifeld-Schrittes verwendet,  der  abschließenden Überprüfung der Ausrichtung.  Durch den Bau  eines physischen Prüfstands des Teleskops - ein Siebtel der realen Größe - simulierten die  Ingenieur*innen mit Zemax  jeden Ausrichtungsschritt, bevor sie die Ausrichtung in echter Hardware durchführten.  Die Flugmodelle übertrugen dann  das Testteleskop  auf die reale Ausrichtungssituation, die in der Umlaufbahn auftreten wird. Die Flugmodelle in Zemax generierten  statistische Modelle, die den wahrscheinlichsten Zustand des Primärspiegels bei jedem Schritt des Ausrichtungsprozesses vorhersagen konnten. Dadurch wurde die Konstruktion der Segmentaktuatoren unterstützt und es konnte vorausgesagt werden, wann andere Instrumente an Bord nützliche Informationen erhalten werden. 

JWST-Teleskopmodell in Ansys Zemax OpticStudio

Fig 6. JWST telescope model in Ansys Zemax OpticStudio

Eine simulierte Wellenfrontkarte des JWST-Primärspiegels, die Kolbenfehler in den Spiegelpositionen enthält, und die Wellenfrontkarte nach der Ausrichtung des Primärspiegels.

Fig 7. A simulated wavefront map of the JWST primary mirror containing piston errors in the mirror positions, and the wavefront map after the primary mirror is aligned

Aufgrund  der Größe  von JWST, der Schwerkraft bei Tests am Boden und des passiven Kühlsystems von  JWST  wurden Simulationen aller Art während  der  Entwicklung des  Teleskops bis an die Grenzen ihrer Genauigkeit geführt. Bei den Tests am Boden wurden die Teile der Simulationen überprüft, die direkt   getestet werden konnten, und die überprüften Modelle sagten  dann das Verhalten des Observatoriums in der Umlaufbahn voraus. Sobald das Observatorium in der Umlaufbahn ist, werden die Daten des Observatoriums  viele  der  Modelle endgültig überprüfen.  Ansys-Software-Anwender*innen entwickeln die Technologie der Zukunft. Ansys wünscht dem JWST-Team viel Glück bei seiner beispiellosen Mission, das Universum zu ergründen. 

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