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Ansysブログ

December 25, 2021

シミュレーションによるジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の設計

渦巻き銀河 NGC 2336

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

ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の設計要件

JWSTには、宇宙に行くだけでなく、これまで見たことのないものを見るための先駆的な技術が必要です。この望遠鏡には、これまでに作られた中で最大かつ最も精密な光学機器 が搭載されています。また、華氏マイナス400度、摂氏マイナス240度に近い極寒の環境下でも使用できるように設計されています。

ハッブル(左)とJWST(右)の主鏡の比較(NASAより

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

エンジニアはできる限りの構造を作る必要がありました。

  • 永久に太陽の光を浴び続けることができる
  • テニスコートほどの大きさの構造物をロケットに折りたたむ
  • 100万マイル以上離れた宇宙へ
  • 数十個のメカニズムを遠隔操作で展開する、複雑な機械的オーケストレーション・バレエ

シンプルですよね。

これらの繊細な操作の一つでも失敗すれば、ミッションは損失となります。344件の「シングルポイント失敗」があるため、 JWSTは歴史上最もリスクの高いミッションの1つです。

地球から約100万マイル(150万km)離れたJWSTの軌道を示すNASAの画像

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

Pervasive Engineering Simulationでリスクを軽減する

JWSTは実際にすべてをテストするには大きすぎますし、地上でのテストと宇宙でのテストは同じではありませんので、エンジニアは望遠鏡が運用環境でどのように機能するかをシミュレーションしました。Northrop Grumman社は、JWST の設計と製造を担当しており、シミュレーションはそのプロセスにおいて重要な役割を果たしています。「設計し、製造し、それを模倣するコンピュータモデルを設計します。」とNorthrop Grumman Space Systems社のジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡担当副社長であるScott Willoughby氏は述べています。エンジニアリングシミュレーションツールの世界的なリーディングカンパニーであるAnsysは、このミッションをサポートできたことを誇りに思っています。

DRM, 軌道決定, SRP

エンジニアは, システムズツールキット(STK)の Astrogator Ansys 社の AGI の機能 を使用して, 複雑な設計参照ミッション (DRM)を構築しました.このミッションでは、秤動点(L2)軌道における複雑な重力の摂動を考慮し、ステーションキーピングの必要性を推定します。また、AGI の Orbit Determination Tool Kit (ODTK) を使用して、運用軌道の決定を行います。JWSTに配備されている大型の太陽シールドにかかる太陽からの光の圧力をモデル化するために、彼らはODTKのカスタム solar radiation pressure (SRP) プラグインポイントを使用し、ODTKの高度な推定アルゴリズムに独自のモデルを挿入しました。

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

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

ミラーポインティング

エンジニアは, Ansys Mechanical のシミュレーションを利用して, 構造物の固有振動数を考慮した上で,正確なミラーの向きを決めるためのソリューションを特定しました.また,Mechanical 社では,連結されたセグメント状のミラーの効果を確認しました.目標は,セグメントが外乱に対して一体型のミラーと同じように反応することです.

セグメント間の詳細な接続のシミュレーション

Fig 5. Simulation of the detailed connections between the segments

ミラーアラインメント

Ansys Zemax ソフトウェアは、望遠鏡内の多数の金メッキされたミラーセグメントの複雑な光学系をシミュレーションしました。また、JWST の主鏡を構成する 18 個の六角形のセグメントは、100 ナノメートル以上の滑らかな表面を持つ 1 枚の鏡として機能しなければなりません。エンジニアはZemaxソフトウェアを使用して、最初のセグメント検索から最終的なFine Phasingまで、アライメントプロセスのすべてのステップを設計およびテストしました。

彼らは、独自の"Coarse Phasing" ステップを設計しました。このステップでは、スペクトルを分析して、セグメント間のピストンエラー(他のセグメントよりも前過ぎたり後ろ過ぎたりするセグメント)を修正します。また、アライメントの最終チェックであるマルチフィールドステップの設計にもZemaxモデルが使用されました。実際の望遠鏡の7分の1の大きさのテストベッドを作り、実際のハードウェアでアライメントを行う前に、Zemaxを使って各アライメントステップのシミュレーションを行いました。Flightモデルは、テストベッドの望遠鏡を、軌道上で発生する実際のアライメント状況に変換しました。ZemaxのFlightモデルは、アライメントプロセスの各段階で主鏡がどのような状態になる可能性が高いかを予測する統計モデルを作成し、セグメントアクチュエータの設計をサポートするとともに、他の搭載機器が有用な情報を受け取るタイミングを予測しました。

Ansys Zemax OpticStudioにおけるJWST望遠鏡モデル

Fig 6. JWST telescope model in Ansys Zemax OpticStudio

主鏡位置のピストン誤差を含んだJWST主鏡のシミュレーション波面図と、主鏡の位置合わせ後の波面図

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

JWSTの大きさ、地上での試験時の重力、JWSTの受動的な冷却システムなどの理由により、望遠鏡の開発期間中、あらゆる種類のシミュレーションがその精度の限界にまで達しました。地上での試験では、直接試験できるシミュレーションの部分を検証し、検証されたモデルで観測所の軌道上での挙動を予測しました。軌道上では、観測所からのデータをもとに、多くのモデルの最終的な検証を行います。Ansysソフトウェアのユーザーは、未来のテクノロジーを設計しています。Ansysは、JWST チームが宇宙を理解するという素晴らしいミッションを成功させることを願っています。

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