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ANSYS 部落格

December 25, 2021

透過模擬設計詹姆斯·韋伯太空望遠鏡

隨著詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(JWST) 成功發射，NASA 於 2021 年 12 月 25 日再次開始一項任務，改變我們對宇宙的理解。數十年來，NASA 的哈伯太空望遠鏡傳回令人驚歎的遙遠星系、星雲和星體圖像。不過，JWST 現在預計會讓我們對宇宙的理解有非凡的突破。擁有比哈伯望遠鏡收集光線能力多六倍的主鏡和更長的影像波長，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）將使科學家能夠回顧宇宙最早的形成階段。

螺旋星系 NGC 2336

圖1.螺旋星系 NGC 2336 圖像出處：ESA/哈伯太空望遠鏡與 NASA V. Antoniou；特別感謝：Judy Schmidt，來自哈伯影像庫

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡設計要求

JWST 需要開創性的技術，不僅要進入太空，也需要觀察之前不曾看過的景象。這款望遠鏡擁有有史以來最大、最精準的光學儀器，其設計可經受將近華氏負 400 度或攝氏負 240 度的極度低溫。 

NASA 哈伯望遠鏡 (左) 和 詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 (右) 之主鏡比較

圖2.NASA 哈伯望遠鏡 (左) 和 詹姆斯·韋伯太空望遠鏡 (右) 之主鏡比較

工程師必須創造出一個能夠：

  • 在恆久的太陽輻射下運行
  • 將網球場大小的結構摺疊放入火箭中
  • 可飛到超過一百萬英里以外的太空
  • 從遠端展開數十種以錯綜複雜的機械式編排動作而成的機械裝置

很簡單，對吧？ 

這些精妙的操作若有任何一項執行失敗，任務便會以失敗告終。JWST 有 344 次「單點故障」，是歷史上風險最高的任務之一。

來自 NASA 的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡軌道影像，距離地球約 100 萬英里 (150 萬公里)

圖3.來自 NASA 的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡軌道影像，距離地球約 100 萬英里 (150 萬公里)

用普及的工程模擬來降低風險

因為 詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的體積太大，無法親自測試每一項功能，而在地球上測試並不同於在太空中測試，所以工程師模擬望遠鏡在其操作環境中會如何運作。Northrop Grumman 是設計和製造詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的主要承包商，而模擬在設計和製造的過程中發揮重要作用。Northrop Grumman Space Systems 的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡副總裁 Scott Willoughby表示：「你設計並製造望遠鏡，然後設計一個電腦模型來模仿它。」作為全球主要的工程模擬工具供應商，Ansys 很榮幸能夠支援這項任務。

DRM、軌道定位與 SRP

工程師使用一家 Ansys 公司 AGI 提供的 Systems Tool Kit (STK) Astrogator 功能，來建立複雜的設計參考任務 (DRM)。其解釋成功抵達的平動點 (L2) 軌道上的複雜引力擾動，以估算固定軌道位置的要求。他們也會使用 AGI 的Orbit Determination Tool Kit (ODTK) 來決定營運軌道。為了模擬來自太陽的光對於部署在 JWST 上大型遮陽罩所形成的壓力，他們在 ODTK 上使用自訂的太陽輻射壓力 (SRP) 外掛點，以便在 OTK 的進階估測演算法中插入專用模型。 

鏡面指向

工程師使用 Ansys Mechanical 模擬，根據已知的結構自然震動頻率，確定精準鏡面指向的解決方案。Mechanical 協助確定連接起來的拼接鏡面有何效果。拼接鏡面對於干擾的反應與單片鏡面相同。 

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的拼接鏡面之間詳細的連接情況模擬

圖5.模擬拼接鏡之間的詳細連結

鏡面對齊 

Ansys Zemax 軟體模擬望遠鏡中多個單獨鍍金拼接鏡面的複雜光學。詹姆斯·韋伯太空望遠鏡主鏡由 18 個六角形拼接鏡面組成，當作單一鏡面使用，其表面平滑度超過 100 奈米。從初始拼接鏡面搜尋到最終的精細調相階段，工程師使用 Zemax 軟體來設計和測試對齊過程的每個步驟。(請參閱「與太空望遠鏡開發者一起觀星」)

他們設計獨特的「粗略相位」步驟，分析光譜以修正鏡面之間的波長誤差，即向前或向後距離其他鏡面太遠。Zemax 模型還用於設計多照野步驟，這是對齊的最後檢查。透過建構望遠鏡的物理測試台 (實際尺寸的七分之一)，在實際硬體中執行對齊之前，工程師使用 Zemax 模擬每個對齊步驟。然後，飛行模型將測試台望遠鏡轉化為軌道上發生的真實對齊情況。Zemax 中的飛行模型產生統計模型，可以預測對齊過程中主鏡在每個步驟的最可能狀態，以支援鏡面致動器的設計，並預測其他機上儀器何時會收到有用的資訊。 

Ansys Zemax OpticStudio 中的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡模型

圖6.Ansys Zemax OpticStudio 中的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡模型

鏡面位置中詹姆斯·韋伯太空望遠鏡主鏡含有波長誤差的模擬波前圖，以及主鏡調整後的波前圖

圖7.鏡面位置中 詹姆斯·韋伯太空望遠鏡主鏡含有波長誤差的模擬波前圖，以及主鏡調整後的波前圖

由於詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的大小、在地面測試時的重力，以及 JWST 的被動冷卻系統，在望遠鏡研發過程中，各種模擬都必須盡量追求準確度的極限。地面測試驗證模擬中可以直接進行測試的部分，而通過驗證的模型接著預測觀測站在軌道上的行為。來自觀測站的資料將對許多模型進行最終驗證。Ansys 軟體使用者正設計著未來的技術，而 Ansys 希望詹姆斯·韋伯太空望遠鏡團隊能夠順利完成他們探索宇宙的偉大任務。