시뮬레이션을 사용하여 제임스 웹 우주 망원경 설계하기

제임스 웹 우주 망원경((James Webb Space Telescope, JWST)의 성공적인 발사와 함께 NASA는 2021년 12월 25일 우주에 대한 이해를 ‍변화시키는 임무에 다시 한 번 착수했습니다. 수십 년 동안 NASA 허블 우주 망원경은 먼 은하, 성운 및 별의 경외심을 불러일으키는 이미지를 제공했습니다. 그러나 JWST는 이제 우주에 대한 엄청난 이해의 도약을 제공할 것으로 기대됩니다. 허블보다 6배 더 많은 빛을 수집할 수 있는 주경(primary mirror)과 더 긴 이미지 파장을 통해 JWST는 과학자들이 우주의 초기 형성을 시간을 거슬러 볼 수 있도록 해줍니다.

엔지니어는 다음을 수행할 수 있는 구조를 작성해야 합니다.

• 태양 복사로 영구 작동
• 테니스 코트 크기의 구조물을 로켓 안에 접어 넣기
• 우주로 백만 마일 이상 비행
• 기계적으로 매우 정밀한 수십 개의 메커니즘을 원격으로 펼침

간단하지요? 

이 정교한 기동 중 하나라도 실패했다면 임무는 실패했을 것입니다. 344개의 "단일 장애 지점"‍이 있는 JWST는 역사상 가장 위험한 임무 중 하나였습니다.

‍엔지니어링 시뮬레이션‍의 보편화를 통한 위험 완화

JWST는 직접 모든 것을 테스트하기에는 전체적으로 너무 크고 지구에서의 테스트는 우주에서의 테스트와 다르기 때문에 엔지니어는 망원경이 작동 환경에서 어떻게 작동하는지 시뮬레이션했습니다. Northrop Grumman은 JWST를 설계하고 제작한 주요 계약자이며 그 과정에서 시뮬레이션은 중요한 역할을 했습니다. Northrop Grumman Space Systems의 제임스 웹 우주 망원경 담당 부사장인 스콧 윌러비(Scott Willoughby)는 "직접 설계하고, 만들고, 이를 모방하기 위한 컴퓨터 모델을 설계하십시오."라고 말했습니다. 세계 최고의 엔지니어링 시뮬레이션 ‍툴 제공업체인 Ansys는 이‍와 ‍같은 ‍중요 ‍미션을 지원하게 ‍되어 자랑스럽 습니다.

DRM, Orbit Determination및 SRP

엔지니어는 Ansys‍에 소속된 AGI의 STK(Systems Tool Kit) Astrogator 기능을 사용하여 복잡한 설계 참조 임무(DRM)를 구축했습니다. 이는 스테이션 유지 요구 사항을 추정하기 위해 성공적으로 도달한 칭동점(libration point) (L2) 궤도의 복잡한 중력 섭동을 설명합니다. 또한 AGI의 ODTK(Orbit Determination Tool Kit)를 사용하여 작동 궤도 결정을 수행합니다. JWST에 배치된 대형 태양 보호막에서 태양 빛의 압력을 모델링하기 위해 그들은 ODTK의 맞춤형 태양 복사압(SRP) 플러그인 포인트를 사용하여 독점 모델을 ODTK의 고급 추정 알고리즘에 삽입했습니다. 

미러 포‍인팅

엔지니어는 Ansys Mechanical 시뮬레이션을 사용하여 구조의 자연 진동 주파수를 고려한 정확한 미러 포인팅에 대한 솔루션을 식별했습니다. Mechanical은 연결되고 분할된 미러의 효과를 확인하는 데 도움이 되었습니다. 각 세그먼트는 모놀리식 미러와 같은 방식으로 교란에 대응합니다. 

미러 정렬 

Ansys Zemax 소프트웨어는 망원경에 있는 수많은 ‍각각의 도금‍된 미러 세그먼트의 복잡한 광학을 시뮬레이션했습니다. JWST 주경의 18개 육각형 세그먼트는 표면이 100 나노미터보다 매끄러운 단일 미러 역할을 합니다. 엔지니어는 Zemax 소프트웨어를 사용하여 초기 세그먼트 검색부터 최종 미세 단계까지 정렬 프로세스의 모든 단계를 설계하고 테스트했습니다. ("우주 망원경 개발자와 함께 큰 꿈에 도전(Shooting for the Stars with Space Telescope Developers)"를 참조하십시오.)

엔지니어는 스펙트럼을 분석하여 세그먼트 간에 피스톤 오류(너무 앞에 있거나 뒤에 있는 세그먼트)를 수정하는 고유한 "코스 페이징(Coarse Phasing)" 단계를 설계했습니다. Zemax 모델은 정렬의 최종 점검인 다중 필드 단계를 설계하는 데도 사용되었습니다. 망원경의 실제 테스트 베드(실제 크기의 7분의 1)를 구축함으로써 엔지니어는 실제 하드웨어에서 정렬을 실행하기 전에 Zemax를 사용하여 각 정렬 단계를 시뮬레이션했습니다. 그런 다음 비행 모델은 테스트 베드 망원경을 궤도에서 발생한 실제 정렬 상황으로 변환했습니다. Zemax의 비행 모델은 세그먼트 액추에이터의 설계를 지원하고 탑재된 다른 계측기가 유용한 정보를 수신할 시기를 예측하기 위해 정렬 프로세스의 각 단계에서 가장 가능성이 높은 주경 상태를 예측할 수 있는 통계 모델을 생성했습니다. 

JWST의 크기, 지상에서 테스트할 때의 중력, JWST의 수동 냉각 시스템 때문에 망원경 개발 중 모든 종류의 시뮬레이션이 정확도의 한계까지 확장되었습니다. 지상에서 실행한 테스트는 직접 테스트할 수 있는 시뮬레이션의 일부를 검증했으며 검증된 모델은 관측소의 궤도 상 동작을 예측했습니다. 관측소의 데이터는 많은 모델의 최종 검증을 수행합니다. Ansys 소프트웨어 사용자는 미래의 기술을 설계하고 있으며, Ansys는 JWST 팀이 우주를 이해하는 ‍멋진 임무에서 ‍성공하길 기원합니다.