Ansys stellt Studierenden auf dem Weg zum Erfolg die Simulationssoftware kostenlos zur Verfügung.
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ANSYS BLOG
December 25, 2021
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.
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.
Die Ingenieur*innen mussten eine Struktur schaffen, die Folgendes kann:
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.
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.
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.
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.
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.
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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