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Ansys博客

December 25, 2021

借助仿真设计詹姆斯·韦伯太空望远镜

2021年12月25日,美国宇航局再次 次启动一项任务 以改变我们 对宇宙的理解 。几十年来, 美国宇航局 的哈勃太空望远镜  提供了 令人惊叹的遥远星系、星云 和 恒星的图像。 无论如何, 詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST) 可能 会助力  我们 在理解宇宙的任务中 实现巨大的飞跃。WST的主镜能够收集比哈勃望远镜多6倍的 光 和更长的 图像 波长, 这  将 帮助科学家及时回顾宇宙最早的形成。

旋涡星系NGC 2336

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

詹姆斯·韦伯太空望远镜设计要求

JWST不仅需要 开创性的技术   进入太空,还要看到前所未见的东西。 该望远镜拥有 目前最大、最精确的光学仪器; 它被 设计成可以保持极低温度—— 接近零下 400 华氏度 零下240摄氏度。 

美国宇航局的哈勃(左)和JWST(右)主镜对比

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

工程师必须创建一个具备以下能力的结构:

  • 在永久的太阳辐射下运行 
  • 将网球场大小的结构折叠成火箭
  • 飞 越100万英里进入太空
  • 在复杂的机械 编排芭蕾舞中,远程展开数十个机制

很简单,对吧? 

如果这些微妙的操作中有任何一次失败,该任务将是一大损失。 JWST有 344个“单点故障”, 是历史上风险最高的任务之一。

美国宇航局拍摄的JWST轨道距离地球约100万英里(150万公里)的图像

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

利用无处不在的工程仿真降低风险

由于 JWST规模太大,  工程师无法亲自测试所有东西,而且 在地球上的测试与在太空中的测试不同,因此他们对望远镜在其工作环境中的运行方式进行了仿真。诺斯罗普·格鲁曼公司(Northrop Grumman)是设计和建造JWST的主要承包商,仿真在此过程中发挥了关键作用。诺斯罗普·格鲁曼空间系统公司詹姆斯·韦伯太空望远镜副总裁Scott Willoughby称:“你设计它,建造它,你设计一个计算机模型来模拟它,”。作为全球领先的工程仿真工具提供商,Ansys  非常荣幸能够为这项任务提供支持 。

DRM、轨道确定和SRP

工程师使用Ansys旗下公司AGI的系统工具套件(STK)Astrogator功能来构建复杂的设计参考任务(DRM)。这就解释了平动点(L2)轨道上复杂的引力扰动,以估计空间站保持要求。他们还将使用AGI的轨道确定工具套件(ODTK)来执行运行轨道确定。为了对部署在JWST上的大型遮阳板上的太阳光压力进行建模,他们使用ODTK中的定制太阳辐射压力(SRP)插件点,将专有模型插入到ODTK的高级估计算法中。 

詹姆斯·韦伯太空望远镜平动点L2附近轨道的STK仿真设计参考任务

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

镜像指向

在给定结构的固有振动频率的情况下,工程师利用Ansys Mechanical仿真来确定精确镜像指向的解决方案。Mechanical帮助确定了连接的分段镜子的效果。其目标是让这些分段镜子像单片镜一样对干扰做出响应。  Ansys Mechanical 仿真来确定 精确镜像指向的解决方案 。 Mechanical 帮助确定了连接的分段镜子的效果。其目标是让这些分段镜子像单片镜一样对干扰做出响应。      

分段之间细节连接的仿真

Fig 5. Simulation of the detailed connections between the segments

镜像对齐 

Ansys Zemax 软件对望远镜中众多独立镀金镜段的复杂光学进行了仿真 。JWST主镜的18个六边形分段必须作为单个镜面使用,其表面 光滑度 超过100纳米。从初始段搜索到最终的精细相位, 工程师使用 Zemax软件来设计和测试对齐过程的每一步。 

  他们设计了一个独特的“粗相位”步骤,通过分析光谱来纠正  分段之间的活塞误差,即活塞段太靠前或落后  于其他段。Zemax模型还用于设计 多场步骤,  即最终对齐检查。 通过构建 望远镜的物理测试台(实际尺寸的七分之一),  工程师使用Zemax 来仿真每个对齐步骤,然后在真实硬件中运行对齐。 然后,飞行模型将 试验 台望远镜转换为将在轨道上发生的实际对齐情况。Zemax中的飞行模型生成了 统计模型,可以在对齐过程中的每一步预测主镜最可能的状态,以支持分段执行器的设计,并预测其他机载仪器何时会收到有用的信息。 

Ansys Zemax OpticStudio中的JWST望远镜模型

Fig 6. JWST telescope model in Ansys Zemax OpticStudio

包含反射镜位置活塞误差的JWST主镜的仿真波前图,以及主镜对齐后的波前图

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

由于  JWST的尺寸、地面测试时的重力以及 JWST 的被动冷却系统,在望远镜的  研发 过程中,各种仿真的精度都达到了极限。地面测试验证了可以直接 测试的仿真部分, 然后验证的模型预测了天文台的 在轨行为。一旦进入轨道,来自天文台的数据将 对 许多 模型 进行 最终验证。 Ansys软件用户正在设计未来的技术,Ansys祝愿JWST团队在他们理解宇宙的伟大任务中取得惊人的成就。 

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