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ANSYS 部落格

December 25, 2021

透過模擬設計韋伯太空望遠鏡

2021 年 12 月 25 日,NASA 再次著手進行改變人類對宇宙的理解的任務。數十年來,NASA 哈伯太空望遠鏡提供了令人驚嘆的星系、星雲和恆星影像。然而,韋伯太空望遠鏡 (JWST) 可能會為人類對宇宙的理解帶來一個非凡的大跳躍。藉由可收集比哈伯太空望遠鏡多六倍的光,和更長的影像波長的主鏡面,JWST 將可讓科學家回顧最早宇宙形成。

螺旋星系 NGC 2336

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

韋伯太空望遠鏡的設計規範

JWST 需要具開創性的技術,不僅要進入太空,還要可以看到以前從未見過的東西。該望遠鏡擁有有史以來最大、最精確的光學儀器更需將其望遠鏡保持在極冷溫度 — 接近華氏零下 400 度或攝氏零下 240 度。

NASA 哈伯望遠鏡 (左) 和 JWST望遠鏡 (右) 之主鏡比較

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

工程師必須建立結構,以進行下列事項:

     
  • 在恆久的太陽輻射下運行
  • 將網球場大小的結構摺入火箭中
  • 飛到一百萬英里外的太空
  • 如芭蕾舞般的複雜機械編排中,從遠端展開數十個機制
 

聽起來很簡單,對吧?

若在這些細微動作中,有任何一個失效了,則任務將會失敗。JWST 具備344 個「單點故障」,是歷史上風險最高的任務之一。

來自 NASA 的 JWST 望遠鏡軌道影像,距離地球約 100 萬英里 (150 萬公里)

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

以無處不在的工程模擬降低風險

由於整個 JWST 望遠鏡實在太大,無法以人工方式測試所有東西,且在地球上的測試與在太空中的測試是不同的,工程師們需模擬望遠鏡在其操作環境中的運行方式。Northrop Grumman 公司是設計和建造 JWST 望遠鏡的主要承包商,模擬在設計該望遠鏡的過程中發揮了關鍵作用。Northrop Grumman JWST 太空望遠鏡計畫副總裁 Scott Willoughby ,在開發過程中表示:「你設計它、你建造它,然後你設計一個電腦模型來模擬它。」作為領先業界的工程模擬軟體供應商,Ansys 為協助達成此一使命感到無比榮幸。

設計參考任務 (DRM)、軌道測定與日射壓 (SRP)

工程師使用 Systems Tool Kit (STK)Astrogator (源自 Ansys 公司 AGI ) 功能來建構複雜的設計參考任務(DRM)。這些說明了天平動點 (L2) 軌道中複雜的引力擾動,以預估位置保持要求。他們還將使用 AGI 的軌道測定工具包 (ODTK) 來執行運行軌道測定。為了對 JWST 上的大型遮陽罩上需承受的太陽光壓力進行建模,其使用了 ODTK 中的自訂太陽輻射壓力 (SRP) 插入點,將專有模型插入 ODTK 的進階估測演算法中。

 
韋伯太空望遠鏡天平動點繞 L2 軌道的 STK 模擬設計參考任務

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

鏡像指向

考慮到結構的固有振動頻率,工程師利用 Ansys Mechanical 模擬來辨識精確的鏡像指向解決方案。Mechanical 協助確認連接分節鏡的效果,目的是讓各個分節以與單鏡面相同的方式回應干擾。

模擬分節之間的詳細連結

Fig 5. Simulation of the detailed connections between the segments

鏡像對齊

Ansys Zemax軟體模擬望遠鏡中眾多獨立鍍金鏡段的複雜光學。JWST 望遠鏡主鏡的 18 塊六邊形鏡片必須以單一鏡面的方式運作,表面光滑度須超過 100 奈米。工程師使用 Zemax 軟體設計並測試對齊過程的每一個步驟,從最初的分段搜尋到最終的精細調相。

他們設計了一個獨特的「粗調相」步驟,無論是太靠近或與前段分節距離太遠,都可透過分析光譜來修正分節之間的活塞誤差。Zemax 模型也適用於設計多場步驟,即對齊的最終檢查。透過建構望遠鏡的物理測試台 (實際大小的七分之一),工程師利用 Zemax 來模擬每個校準步驟之後,才在真實的硬體中進行校準。接著,飛行模型會將試驗台望遠鏡轉換為將在軌道上進行的真實對齊狀況。Zemax 中的飛行模型所生成的統計模型,可預測主鏡在校準過程中每一步驟的狀態,以支援分節致動器的設計,並預測其他儀器收到有用資訊的時間。

Ansys Zemax OpticStudio 中的 JWST 望遠鏡模型

Fig 6. JWST telescope model in Ansys Zemax OpticStudio

鏡像位置中活塞誤差之 JWST 望遠鏡主鏡的模擬波前圖,以及主鏡調整後的波前圖

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

由於 JWST 望遠鏡的尺寸、地面測試時的重力以及 JWST 望遠鏡的被動冷卻系統,在望遠鏡的開發過程中,各種模擬都在精準度表現上的展現其極限。地面測試驗證了可直接測試的模擬部分,經驗證的模型則可預測天文台的在軌道上行為。一旦進入軌道,來自天文台的資料將會對許多模型進行最終驗證。Ansys 軟體使用者正在設計未來的技術,Ansys 祝福 JWST 團隊可以成功達成了解宇宙秘密的使命。

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