詹姆斯·韦伯空间望远镜的仿真设计

随着詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)的成功发射，美国国家航空航天局(NASA)再次开始了一项探索太空的任务转变我们的理解2021年12月25日几十年来，美国宇航局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。然而，JWST现在有望提供一个非凡的我们理解上的飞跃宇宙的。JWST的主镜能够收集比哈勃望远镜多六倍的光，并且图像波长更长，这将使科学家能够回顾宇宙最早形成的时间。

工程师们必须创造一种结构，它可以:

• 在永久的太阳辐射下操作
• 将网球场大小的结构折叠成火箭
• 飞到一百万英里外的太空
• 远程展开数十个机制，在一个复杂的机械编排芭蕾

简单,是吧?

如果这些微妙的动作中的任何一个失败，这次任务都将是失败的。与344个“单点故障”，JWST是历史上最危险的任务之一。

用普遍的工程模拟降低风险

由于JWST太大了，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，工程师们模拟了望远镜在其操作环境中的行为。诺斯罗普·格鲁曼公司是设计和建造JWST的主承包商，模拟在这一过程中发挥了关键作用。“你设计它，你建造它，你设计一个计算机模型来模仿它，”诺斯罗普·格鲁曼太空系统公司詹姆斯·韦伯太空望远镜的副总裁斯科特·威洛比说。作为世界领先的工程仿真工具提供商，Ansys很自豪能够支持这一使命。

DRM，轨道确定和SRP

工程师使用系统工具箱(STK)宇航员能力从Ansys旗下的AGI公司来构建复杂的设计参考任务(drm)。这些解释了在它成功到达的振动点(L2)轨道上复杂的引力扰动，以估计保持空间站的要求。他们也会使用AGI轨道测定工具包(ODTK)执行操作轨道确定。为了模拟来自太阳的光在JWST上部署的大型遮阳板上的压力，他们使用了这个习惯太阳辐射压力(SRP)在ODTK的插件点插入一个专有模型到ODTK的高级估计算法。

镜子指向

工程师使用Ansys机械模拟识别解决精确的镜面指向给定结构的固有振动频率。机械帮助确定了有一个连接的、分段的镜子的效果。这些片段对干扰的反应与单片镜像的反应相同。

镜子对准

Ansys Zemax档案软件模拟了望远镜中众多镀金镜面的复杂光学结构。JWST主镜的18个六边形片段作为一个单一的镜子，表面光滑超过100纳米。工程师使用Zemax软件来设计和测试校准过程的每一步，从最初的分段搜索到最后的精细相位。(参见“与太空望远镜开发人员一起向星星射击。"）

他们设计了一种独特的“粗相位”步骤，分析光谱以纠正活塞误差-段之间太向前或太向后的部分。同时利用Zemax模型进行多场步长设计，最后进行校直校核。通过建造一个望远镜的物理试验台——只有实际尺寸的七分之一工程师们使用Zemax在实际硬件中运行对齐之前，模拟每个对齐步骤。然后，飞行模型将测试台望远镜转换为发生在轨道上的真实对准情况。Zemax中的飞行模型生成的统计模型可以预测对准过程中每一步主镜最可能的状态，以支持分段执行器的设计，并预测其他机载仪器何时会接收到有用的信息。

由于JWST的尺寸，地面测试时的重力，以及JWST的被动冷却系统，在望远镜开发过程中，各种模拟都被拉伸到其精度的极限。地面测试验证了可以直接测试的模拟片段，然后验证的模型预测了天文台的在轨行为。来自天文台的数据将对许多模型进行最后的验证。Ansys软件用户正在设计未来的技术，Ansys希望JWST团队在他们了解宇宙的惊人任务中好运。