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ANSYS BLOG

December 25, 2021

Conception du télescope spatial James Webb à l'aide d'une simulation

Le 25 décembre 2021, la NASA s'est une nouvelle fois lancée dans une mission visant à transformer notre compréhension de l'univers. Depuis des décennies, le télescope spatial Hubble de la NASA fournit des images impressionnantes de galaxies, de nébuleuses et d'étoiles lointaines. Cependant, le télescope spatial James Webb (JWST) pourrait nous faire faire un bond extraordinaire dans notre compréhension de l'univers. Avec un miroir primaire capable de collecter six fois plus de lumière que Hubble et des longueurs d'onde d'image plus grandes, le JWST permettra aux scientifiques de remonter dans le temps jusqu'aux premières formations de l'univers.

galaxie spirale NGC 2336

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

Exigences de conception du télescope spatial James Webb

Le JWST nécessite une technologie pionnière non seulement pour aller dans l'espace, mais aussi pour voir ce qui n'a jamais été vu auparavant. Le télescope est doté de l'instrument optique le plus grand et le plus précis jamais construit; un instrument conçu pour rester extrêmement froid - près de moins 400 degrés Fahrenheit ou moins 240 degrés Celsius.

Comparaison des miroirs primaires de Hubble (à gauche) et de JWST (à droite) de la NASA

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

Les ingénieurs ont dû créer une structure qui peut :

  • Fonctionne dans un rayonnement solaire perpétuel
  • Plier une structure de la taille d'un court de tennis en une fusée
  • Voler à plus d'un million de kilomètres dans l'espace
  • Déployer à distance des dizaines de mécanismes dans un ballet mécanique complexe et orchestré

Simple, non ?

Si l'une de ces manœuvres délicates échoue, la mission sera un échec. Avec 344 "échecs ponctuels", JWST est l'une des missions les plus risquées de l'histoire.

Image de la NASA de l'orbite de la JWST à environ 1 million de miles (1,5 million de km) de la Terre

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

Atténuer les risques grâce à la simulation d'ingénierie de bout en bout

Parce que le JWST est bien trop grand pour tout tester en personne, et que les tests sur Terre ne sont pas les mêmes que dans l'espace, les ingénieurs ont simulé le comportement du télescope dans son environnement opérationnel. Northrop Grumman est l'entrepreneur principal qui a conçu et construit le JWST et la simulation a joué un rôle essentiel dans ce processus. "Vous le concevez, vous le construisez, vous concevez un modèle informatique pour l'imiter," a déclaré Scott Willoughby, vice-président du télescope spatial James Webb chez Northrop Grumman Space Systems. En tant que premier fournisseur mondial d'outils de simulation d'ingénierie, Ansys est fier d'avoir soutenu cette mission.

DRM, Détermination d'orbite et SRP

Les ingénieurs ont utilisé la capacité STK (Systems Tool Kit) de Astrogator de AGI, une société Ansys, pour construire des missions de référence de conception complexe (DRM). Ces missions prennent en compte les perturbations gravitationnelles complexes des orbites à point de libration (L2) afin d'estimer les besoins en matière de maintien à poste. Ils utiliseront également le kit d'outils de détermination d'orbite (ODTK) de l'AGI pour effectuer des déterminations d'orbite opérationnelles. Pour modéliser la pression de la lumière du Soleil sur le grand écran solaire déployé sur le JWST, ils ont utilisé le point d'extension personnalisé solar radiation pressure (SRP) dans ODTK pour insérer un modèle propriétaire dans les algorithmes d'estimation avancés d'ODTK.

Mission de référence de conception simulée par STK de l'orbite du point de libration du télescope spatial James Webb autour de L2

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

Simulation des connexions détaillées entre les segments

Fig 5. Simulation of the detailed connections between the segments

Alignement des miroirs

Le logiciel Ansys Zemax a simulé l'optique complexe des nombreux segments individuels de miroir plaqué or du télescope. Les 18 segments hexagonaux du miroir primaire du JWST doivent fonctionner comme un seul miroir, avec une surface lisse de plus de 100 nanomètres. Les ingénieurs ont utilisé le logiciel Zemax pour concevoir et tester chaque étape du processus d'alignement, de la recherche initiale des segments à la mise en phase finale.

Ils ont conçu une étape unique "Coarse Phasing" qui analyse les spectres pour corriger les erreurs de piston - un segment trop en avant ou en arrière des autres - entre les segments. Les modèles Zemax ont également été utilisés pour concevoir l'étape multi-champs, la vérification finale de l'alignement. En construisant un banc d'essai physique du télescope - un septième de la taille réelle - les ingénieurs ont utilisé Zemax pour simuler chaque étape de l'alignement avant de l'exécuter dans le matériel réel. Les modèles de vol ont ensuite transposé le télescope du banc d'essai à la situation réelle d'alignement qui se produira en orbite. Les modèles de vol de Zemax ont généré des modèles statistiques permettant de prédire l'état le plus probable du miroir primaire à chaque étape du processus d'alignement, afin d'étayer la conception des actionneurs de segments et de prévoir le moment où les autres instruments embarqués recevront des informations utiles.

Modèle de télescope JWST dans Ansys Zemax OpticStudio

Fig 6. JWST telescope model in Ansys Zemax OpticStudio

Une carte de front d'onde simulée du miroir primaire du JWST contenant des erreurs de piston dans les positions des miroirs, et la carte de front d'onde après l'alignement du miroir primaire

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

En raison de la taille du JWST, de la gravité lors des essais au sol et du système de refroidissement passif du JWST, les simulations de toutes sortes ont été poussées aux limites de leur précision pendant le développement du télescope. Les essais au sol ont permis de vérifier les éléments des simulations qui pouvaient être testés directement, et les modèles vérifiés ont ensuite prédit le comportement en orbite de l'observatoire. Une fois en orbite, les données de l'observatoire permettront d'effectuer les vérifications finales de plusieurs des modèles. Les utilisateurs de logiciels Ansys conçoivent la technologie du futur et Ansys souhaite à l'équipe du JWST la meilleure des chances dans son incroyable mission de compréhension de l'univers.

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