詹姆斯·韦伯太空望远镜的仿真设计

NASA再次开始了一项任务改变我们的理解2021年12月25日几十年来，NASA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，詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)可能会提供一个不同寻常的发现理解的飞跃宇宙的。JWST的主反射镜能够收集比哈勃望远镜多六倍的光，图像波长也更长，它将使科学家能够回溯宇宙最早形成的时间。

工程师们必须创造出这样一种结构:

• 在永久的太阳辐射下工作
• 将网球场大小的结构折叠成火箭
• 飞到一百多万英里外的太空
• 在一场复杂的机械编排的芭蕾舞中，遥控地展开几十个装置

简单,是吧?

如果这些微妙的策略中的任何一个失败了，这个任务就会失败。与344年“单点故障”,JWST是历史上最危险的任务之一。

通过普适工程模拟降低风险

因为JWST太大了，无法亲自测试所有的东西，而且在地球上测试和在太空中测试是不一样的，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。诺斯罗普·格鲁曼太空系统公司詹姆斯·韦伯太空望远镜副总裁斯科特·威洛比说:“你设计它，你建造它，你设计一个计算机模型来模仿它。”作为世界领先的工程仿真工具提供商，Ansys很自豪能够支持这项任务。

DRM，轨道确定和SRP

工程师使用系统工具包(STK)宇航员能力从Ansys公司AGI来构建复杂的设计参考任务(drm)。这些都解释了在振动点(L2)轨道上复杂的引力扰动来估计空间站保持需求。他们也会使用AGI的轨道确定工具包(ODTK)执行操作轨道确定。为了在JWST上部署的大型遮阳板上模拟来自太阳的光线压力，他们使用了这个定制太阳辐射压力(SRP)在ODTK中的插件点，以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机械模拟来确定精确瞄准镜的解决方案给定结构的固有振动频率。机械帮助确定有一个连接的、分段的镜子的影响。这样做的目的是让这些部件能够像单片镜子一样对外界干扰做出反应。

镜子对准

Ansys Zemax档案软件模拟了望远镜中无数镀金镜面段的复杂光学。JWST的主反射镜的18个六边形部分必须作为一个单一的反射镜，其表面要比100纳米光滑。工程师们使用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终的精细相位。

他们设计了一种独特的“粗相位”步骤，通过分析频谱来纠正活塞误差——在各段之间，一段距离过近或过远。利用Zemax模型进行了多场步进的设计，最后进行了对中校正。通过搭建望远镜的物理测试台(实际尺寸的七分之一)，工程师们使用Zemax来模拟每个对准步骤，然后在实际硬件上运行对准。飞行模型然后将测试台望远镜转换为真实的轨道对齐情况。Zemax中的飞行模型生成了统计模型，可以预测对准过程中每一步主镜的最可能状态，以支持分段驱动器的设计，并预测何时其他机载仪器将接收到有用的信息。

由于JWST的尺寸，地面测试时的重力，以及JWST的被动冷却系统，在望远镜的研制过程中，各种模拟都被拉伸到精度的极限。地面测试验证了可以直接测试的模拟部分，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团队在他们了解宇宙的惊人任务中好运。