Skip to Main Content

ANSYS 블로그

December 25, 2021

시뮬레이션 설계를 통한 제임스 웨브 우주망원경

NASA는 2021년 12월 25일, 다시 우주 에 대한 사람들의 이해를 변화시키는 임무에 착수했습니다. 지난 수십 년 동안, NASA의 허블 우주 망원경 은 멀리 있는 은하들, 성운들, 그리고 별들에 대해 우리에게 영감을 주는 이미지들을 제공했습니다.  그러나, 제임스 웨브 우주망원경(JWST)은 우주를 이해하는 데 큰 발전을 제공할 수 있습니다. 허블과 긴 이미지 파장보다 6배더 많은 빛을 수집할 수 있는 주경을 통해, JWST는 과학자들이 우주의 초기 형성을 시간을 돌아볼 수 있게 해줄 것입니다.

 
나선은하 NGC 2336

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

James Webb 우주 망원경 설계 요구사항

JWST는 우주에 도달할 뿐만 아니라 이전에는 볼 수 없었던 것을 볼 수 있는 선구적인 기술을 필요로 합니다. 망원경에는 가장 크고 정확한 광학 장치가 장착되어 있습니다. 즉, 섭씨 영하 400도, 섭씨 영하 240도까지 극도로 차가운 상태를 유지하도록 설계된 것입니다.

나사의 허블 (왼쪽) 과 JWST (오른쪽) 의 1차 거울 비교

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

엔지니어는 다음을 수행할 수 있는 구조를 작성해야 합니다.

  • 영구 태양 복사 작동
  • 테니스 코트의 크기를 로켓으로 바꾸기
  • 백만 마일 이상의 공간을 확보하십시오.
  • 기계적으로 조정된 복잡한 발레에서 수십 개의 메커니즘을 제거하십시오.

단순하지 않습니까? 

이 섬세한 작전 중 하나가 실패하면 그 임무는 손실이 될 것이다. 344 " 단일 위치 장애가 있는 경우, JWST는 히스토리에서 가장 위험한 임무 중 하나입니다.

지구로부터 약 100만 마일 (150만 km) 궤도를 돌고 있는 NASA의 이미지

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

Pervasive 엔지니어링 시뮬레이션을 통한 위험 완화

JWST는 전적으로 사람의 모든 것을 테스트하기에는 너무 크기 때문에, 지구에서의 테스트는 우주에서의 테스트와 같지 않기 때문에, 엔지니어들은 망원경이 작동하는 환경에서 어떻게 작동하는지를 시뮬레이션 했습니다. 노스롭 그루먼 (Northrop Grumman)은 그 과정에서 중요한 역할을 담당하는 핵심적인 역할을 담당하는 업체이다. "설계하고, 빌드하고, 컴퓨터 모델을 모방하도록 설계했습니다." Northrop Grumman Space Systems의 James Webb Space Telescope (James Webb Space Telescope) 의 VP, 스콧 윌러비 (Scott Willoughby) 입니다. 엔지니어링 시뮬레이션 도구를 제공하는 세계 선두 업체인 Ansys는 이러한 임무를 지원한 것을 자랑스럽게 생각합니다.

DRM, Orbit Determination및 SRP

엔지니어 사용 STK(Systems Tool Kit) Astrogator Ansys 회사인 기능 ~ 복잡한 DRM(설계 참조 임무 )을 구축합니다. 이것은 스테이션 유지 요구 사항을 추정하기 위해 libration-point(L2) 궤도의 복잡한 중력 섭동을 설명합니다. 그들은 또한 AGI의 ODTK(Orbit Determination Tool Kit) 를 사용하여 작전 궤도 결정을 수행할 것입니다. JWST에 배치된 대형 태양 보호막에서 태양으로부터 오는 빛의 압력을 모델링하기 위해 SRP(태양 복사 압력) 플러그인 포인트를 사용하여 ODTK의 고급 추정 알고리즘에 독점 모델을 삽입했습니다.

STK-제임스 웹 스페이스 텔레스코프 천칭자리의 설계 참조 미션 (L2)

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

세그먼트 간의 세부 연결 시뮬레이션

Fig 5. Simulation of the detailed connections between the segments

미러 정렬

Ansys Zemax 소프트웨어는 망원경에 있는 수많은 개별 금도금된 미러 세그먼트의 복잡한 광학장치를 시뮬레이트합니다. 1차 거울의 18개의 6각형 세그먼트는 100나노미터가 넘는 표면을 갖는 단일 미러로서 기능해야 한다. 엔지니어들은 Zemax 소프트웨어를 사용하여, 초기 세그먼트에서 최종 미세한 Phasing 까지 정렬 프로세스의 모든 단계를 설계하고 테스트하였다. 

그들은 정확한 피스톤 오류에 대한 스펙트럼을 분석하는 고유의 "이미지 보정" 단계를 설계했습니다. 즉, 세그먼트 간에 너무 멀리 있거나 다른 세그먼트 뒤에 있는 세그먼트입니다. 또한, 다중 필드 단계를 설계하기 위해 Zemax 모델이 사용되었습니다. 망원경의 물리적 테스트 베드를 구축함으로써, 실제 엔지니어들은 Zemax를 사용하여 실제 하드웨어에서의 정렬을 실행하기 전에 각각의 얼라인먼트 단계를 시뮬레이션하였습니다. 비행 모델은 그 후 시험 베드 망원경을 궤도 상에서 발생할 실제 정렬 상황으로 변환시켰습다. 제맥스 (Zemax)는 세그먼트 액츄에이터의 설계를 지원하고 다른 온보드 기기가 유용한 정보를 수신할 때를 예측하기 위하여 정렬 공정의 각 단계에서 주 미러의 가장 가능한 상태를 예측할 수 있는 통계 모델을 생성하였습다. 

Ansys Zemax OpticStudio의 JWST 망원경 모델

Fig 6. JWST telescope model in Ansys Zemax OpticStudio

미러 위치에서 피스톤 오류를 포함하는 JWST 기본 미러의 시뮬레이션된 파면 맵과, 1차 미러가 정렬된 후의 파면 맵

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

JWST의 크기로 인해 지면에서 테스트할 때 중력, 그리고 JWST의 수동 냉각 시스템으로 인해, 모든 종류의 시뮬레이션이 망원경의 개발 중에 정확도의 한계까지 확장되었다. 그라운드 기반 테스트는 직접 테스트할 수 있는 시뮬레이션의 조각들을 검증했고, 검증된 모델들은 관측소의 온궤도 거동을 예측했다. 궤도에 진입하면, 관측소의 데이터는 많은 모델들의 최종적인 검증을 수행할 것이다. Ansys 소프트웨어 사용자들은 미래의 기술을 설계하고 있으며, Ansys는 우주를 이해하기 위한 그들의 놀라운 임무에 최선을 다하고 있는 것이다. 

Ansys가 귀사를 위해 무엇을 할 수 있는지 알아보십시오.

문의하기

* = 필수 항목

문의해 주셔서 감사합니다!

We’re here to answer your questions and look forward to speaking with you. A member of our Ansys sales team will contact you shortly.

바닥글 이미지