詹姆斯·韦伯太空望远镜的模拟设计

随着詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)的成功发射，美国宇航局(NASA)再次开始了一项探索太空的任务转变我们的理解将于2021年12月25日观测到宇宙。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，JWST现在有望提供一个不同寻常的理解的飞跃宇宙的。JWST的主镜能够收集比哈勃望远镜多6倍的光，图像波长更长，它将使科学家能够回顾宇宙最早的形成。

工程师们必须创造一个结构，可以:

• 在永久太阳辐射下工作
• 将一个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
• 在复杂的机械编排的芭蕾舞中远程展开数十个机制

简单,是吧?

如果这些微妙的操作失败了，这次任务就会是一个损失。与344个“单点故障”，JWST是历史上最危险的任务之一。

通过普及工程模拟降低风险

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运行环境中的工作方式。诺斯罗普·格鲁曼公司是设计和建造JWST的主承包商，仿真在这一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。”作为全球领先的工程模拟工具提供商，Ansys为能够支持这一使命而感到自豪。

DRM，轨道确定和SRP

工程师使用系统工具包(STK)宇航员能力从AGI是一家Ansys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)轨道上的复杂引力扰动，以估计保持站的需求。他们也会使用AGI的轨道测定工具包(ODTK)执行运行轨道测定。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，他们使用了定制太阳辐射压(SRP)插件指向ODTK，将专有模型插入到ODTK的高级估计算法中。

镜子指向

工程师使用Ansys机械识别模拟解决了精确的镜面指向已知结构的固有振动频率。机械帮助确定有一个连接的，分割的镜子的效果。这些片段对干扰的反应与单片镜子相同。

镜子对准

Ansys Zemax档案软件模拟了望远镜中众多单独的镀金镜段的复杂光学。JWST主镜的18个六角形部分作为一个单一的镜子，表面光滑超过100纳米。工程师们使用Zemax软件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。(参见“与太空望远镜开发者一起拍摄星空。”)

他们设计了一个独特的“粗相位”步骤，分析频谱以纠正活塞误差-段之间的一个段过于向前或向后。利用Zemax模型设计了多场步长，进行了最后的对准检查。通过建造望远镜的物理试验台——只有实际尺寸的七分之一——工程师使用Zemax在实际硬件中运行对齐之前，模拟每个对齐步骤。然后，飞行模型将试验台望远镜转换为发生在轨道上的真实对准情况。Zemax中的飞行模型生成了统计模型，可以预测对准过程中每个步骤中主反射镜最可能的状态，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。

由于JWST的尺寸，地面测试时的重力，以及JWST的被动冷却系统，在望远镜的发展过程中，各种模拟都被拉伸到了精度的极限。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。来自天文台的数据将对许多模型进行最后验证。Ansys软件用户正在设计未来的技术，Ansys祝愿JWST团队在了解宇宙的惊人任务中好运。