Progettare il telescopio spaziale James Webb con la simulazione

La NASA ha nuovamente intrapreso una missione per trasformare la nostra comprensione dell'universo il 25 dicembre 2021. Per decenni, il telescopio spaziale Hubble della NASA ha fornito immagini impressionanti di galassie, nebulose e stelle lontane. Tuttavia, il Telescopio Spaziale James Webb (JWST) può fornire un salto straordinario nella nostra comprensione dell'universo. Con uno specchio primario in grado di raccogliere sei volte più luce di Hubble e lunghezze d'onda dell'immagine più lunghe, JWST consentirà agli scienziati di guardare indietro nel tempo alle prime formazioni dell'universo.

Gli ingegneri hanno dovuto creare una struttura in grado di:

• Operare nella radiazione solare perpetua
• Piegare una struttura delle dimensioni di un campo da tennis in un razzo
• Volare nello spazio per oltre un milione di miglia
• Spiega a distanza dozzine di meccanismi in un intricato balletto orchestrato meccanicamente

Semplice, vero? 

Se una di queste delicate manovre fallisce, la missione sarà una perdita. Con 344 «single-point failures», JWST è una delle missioni più rischiose della storia.

Riduzione dei rischi con la simulazione ingegneristica pervasiva

Poiché il JWST è troppo grande per testare tutto di persona, e i test sulla Terra non sono la stessa cosa che testare nello spazio, gli ingegneri hanno simulato come il telescopio agirà nel suo ambiente operativo. Northrop Grumman è il principale appaltatore che ha progettato e costruito il JWST e la simulazione ha svolto un ruolo fondamentale in quel processo. «Lo disegni, lo costruisci, progetti un modello di computer per imitarlo», ha detto Scott Willoughby, Vice Presidente del James Webb Space Telescope presso Northrop Grumman Space Systems. In qualità di fornitore leader mondiale di strumenti di simulazione ingegneristica, Ansys è orgogliosa di aver sostenuto questa missione.

DRM, determinazione dell'orbita e SRP

Gli ingegneri hanno utilizzato la capacità di Astrogator di Systems Tool Kit (STK) diAGI, una società Ansys, per costruire missioni di riferimento di progettazione complesse(DRM). Queste spiegano le complesse perturbazioni gravitazionali nelle orbite dei punti di oscillazione (L2) per stimare i requisiti di mantenimento delle stazioni. Utilizzeranno anche l'Orbit Determination Tool Kit (ODTK) di AGI per eseguire le determinazioni dell'orbita operativa. Per modellare la pressione della luce proveniente dal Sole sul grande schermo solare distribuito su JWST, hanno utilizzato il punto plug-in personalizzato per la pressione della radiazione solare (SRP) in ODTK per inserire un modello proprietario negli algoritmi di stima avanzati di ODTK. 

Puntamento a specchio

Gli ingegneri hanno utilizzato  le simulazioni Ansys Mechanical  per identificare le soluzioni per il puntamento preciso  date le frequenze vibrazionali naturali delle strutture.  Mechanical ha contribuito a determinare gli effetti di avere uno specchio segmentato e connesso. L'obiettivo  è  che i segmenti  rispondano  ai disturbi  nello stesso modo in cui farebbe uno specchio monolitico. 

Allineamento dello specchio 

Il software Ansys Zemax ha simulato la complessa ottica dei numerosi segmenti  individuali di specchio placcati in oro nel telescopio. I 18 segmenti esagonali dello specchio primario di JWST devono funzionare come un unico specchio, con una superficie più liscia di 100 nanometri.  Gli ingegneri hanno utilizzato il software Zemax per progettare e testare ogni fase del processo di allineamento, dalla ricerca iniziale del segmento al Fine Phasing finale. 

Hanno progettato un'esclusiva "Coarse Phasing" che analizza gli spettri per correggere gli errori del pistone , un segmento troppo avanti o indietro rispetto agli altri, tra i segmenti. I modelli Zemax sono stati utilizzati anche per progettare il passo multicampo, il controllo finale dell'allineamento. Costruendo un banco di prova fisico del telescopio - un settimo delle dimensioni reali - gli ingegneri hanno utilizzato Zemax per simulare ogni fase di allineamento prima di eseguire l'allineamento reale. I modelli di volo hanno poi tradotto il telescopio del banco di prova nella reale situazione di allineamento che si verificherà in orbita. I modelli di volo in Zemax hanno generato modelli statistici in grado di prevedere lo stato più probabile dello specchio primario in ogni fase del processo di allineamento per supportare la progettazione degli attuatori di segmento e per prevedere quando altri strumenti di bordo riceveranno informazioni utili.

A causa delle dimensioni del JWST, della gravità durante i test a terra e del sistema di raffreddamento passivo di JWST, simulazioni di ogni tipo sono state portate ai limiti della loro precisione durante lo sviluppo del telescopio. I test a terra hanno verificato i pezzi delle simulazioni che potevano essere testati direttamente e i modelli verificati hanno quindi previsto il comportamento in orbita dell'osservatorio. Una volta in orbita, i dati dell'osservatorio eseguiranno le verifiche finali di molti dei modelli. Gli utenti del software Ansys stanno progettando la tecnologia del futuro e Ansys augura al team JWST buona fortuna per la loro straordinaria missione di comprendere l'universo.