她力量 | “曾参与人类史上最强天文望远镜的设计工作,我感到很自豪”
发布者:cadit2022 发布时间:2022/5/10 阅读:44 次

她于NASA发射的詹姆斯韦伯太空望远镜项目上工作了十年。她目前是Zemax首席研发工程师和光学应用开发工程部负责人。本文是关于她在该具有历史意义项目中使用Zemax OpticStudio的分享。

受访者:Erin Elliott | Ansys-Zemax首席研发工程师,光学应用开发工程部光学经理

为詹姆斯韦伯太空望远镜 (JWST) 项目工作是我航空航天和光学设计职业生涯的一个成长阶段。和许多人一样,我也在去年12月25日凌晨四点起床见证了这一历史。一台位于平台上方的摄像机捕捉到了展开的太阳能电池板反射的第一缕阳光,这对我以及我在JWST的前同事来说是一个激动人心和令人自豪的史诗时刻。

这种激动人心与我目前日常工作中的动力是相似的。现在,我在Zemax工作,我特别欣赏我们的客户在各种抱负追求中所付出的辛勤工作和热情,以及他们追逐成功所需软件和硬件的独特视角。如果没有Zemax的帮助,我就无法完成我在JWST所做的工作——而如果没有在JWST的经验,我就不会像现在这样积极地构建工程师所需要的软件工具。


设计并部署世界上最大的天文望远镜

镜面——超过哈勃望远镜的2.5倍

JWST的独特之处在于其复杂的多段主镜,由18块单独的镀金超轻量铍镜片组成。这些镜片在发射后展开校准以充当一个口径为6.5米(约21英尺)的镜面。这种空间组装概念是望远镜设计的核心,因为它比以前的同类仪器可以收集更多的光,它还实现了为完成JWST任务目标所需的更高水平的分辨率和解析度,包括观察恒星如何变成行星系统、测量行星系统的物理和化学特性、分析星系的形成和演化以及寻找第一个星系或大爆炸后形成的发光物体。

当时我在JWST工作时,就使用Zemax OpticStudio来帮助设计和测试用于校准多段主镜的软件,并对校准过程中采用的近红外相机(NIRCam)的硬件光学系统进行设计和构建。

图 1. JWST反射镜系统展开过程的四个阶段,完全展开的望远镜位于右下方(照片来源:美国国家航空航天局)

上个月,地面控制人员花费了两天时间展开了这些组件并将它们定位以进行最终校准。一周前,望远镜已经充分冷却,工作人员打开了NIRCam,它将传回镜片校准过程的图像。现在,JWST已经开始使用我们的定制波前传感控制 (WFSC) 软件来校准和控制各个子反射镜。一旦这些都到位并且所有的初步测试都检查完毕,望远镜将可供研究团队使用,这些团队已获得JWST评选委员会的预约时间和访问权限。

图 2. 这是18个子镜的1/6比例模型,位于我们在JWST设计和测试期间使用的光学测试台中(照片来源:美国国家航空航天局)

展望航空航天发展的未来

——仿真将发挥关键作用

NASA有一句名言:“一边飞行一边测试。” 换句话说,在设计和制造时,如果可能的话应该在实际飞行条件下进行测试。但是,JWST太大而无法一次全部测试,我们不得不分段测试它。因此,基于软件的仿真对这一过程至关重要。我们可以对整个系统进行建模,并使用可以测试的部件来验证这些模型。这让我们相信这些模型正在为真实在轨条件给出正确的反馈。
对于WFSC软件,我们制造了一个试验用望远镜,它是飞行系统的一个较小版本。我们在OpticStudio中对望远镜和飞行系统进行了建模,我们使用这些模型来研究和设计WFSC流程的每个步骤,然后,我们可以在测试平台中验证每个步骤。OpticStudio模型还用于将测试结果转换为飞行条件,我们使用飞行模型为每个校对步骤创建统计预测,以便我们知道校对的每个主要步骤中的最坏和最好情况。所有这些仿真都为我们建立了信心,即校准将在轨道上按预期进行。

随着航空航天研究的不断发展,仿真只会显得越来越重要。随着美国宇航局和我们其他人继续思考“我们的生活空间下一步要去向哪里?”这个问题,我们很快就会明白JWST的挑战只是即将发生的事情的一个缩影。望远镜会越来越大,我们可能需要将其在太空中组装,而不是在地面上,这意味着我们必须将它们分成多个部分发射到太空中;而且它们将更加灵活,因此我们将越来越依赖像WFSC这样的软件来确保通信和校准。通过继续发展Zemax软件中的仿真功能,我们可以跟上科学探索的步伐,并满足NASA等团队的需求,以不断建设更大更好的系统。

Zemax:全力满足客户所需

克服困难和挑战,最终为新想法扫清道路,使未来的挑战更加可控。我在JWST项目上的经验为Zemax构建新一代光学仿真软件的目标提供了帮助,我们为JWST所做的所有那些严格的仿真和验证周期,而我的工作,以及Zemax的使命,就是让越来越多的科学家、设计师和工程师更轻松地应对挑战。

去年发布的OpticStudio STAR模块就是一个很好的例证。JWST项目中,在零重力和40 K的工作温度下正确模拟系统的热力和结构载荷至关重要。行业内,这被称为结构、热和光学性能 (STOP) 分析,如果有一个软件工具可以让我们轻松地将STOP建模结果传输到光学模型中,那就太好了。而如今,STAR模块做到了这一点——它让光学设计团队可以快速轻松地将结构和热变形引入光学元件中,以查看它们对光学性能的影响。

我工作中最美好的时刻是与客户讨论他们喜欢使用OpticStudio的哪些功能,以及他们希望我们可以添加哪些优化。在向他们请教并亲身了解JWST项目对STOP分析的迫切需求之后,能够将STAR模块交到他们手中真的很令人很是欣慰。这也是Zemax实现公司使命的一次飞跃,我们每天都在努力朝着这些目标前进,于我而言这真是一份了不起的工作。


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