[技術]紅外望遠鏡系統(tǒng)的并行工程 [復制鏈接]

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只看樓主倒序閱讀樓主發(fā)表于: 2020-11-04

文章來源：Geis J, Lang J, Peterson L, et al. Concurrent engineering of an infrared telescope system[C]//Optical Modeling and Performance Predictions V. 2011, 8127.

摘要：

我們提出了一種用于設計和分析天基電光（EO）傳感器的并行工程方法。紅外望遠鏡有效載荷的詳盡設計由機械、結構、熱和光學工程師的跨學科團隊使用模擬驅動工程（SDE）軟件環(huán)境開發(fā)。望遠鏡有效載荷設計還包括有效載荷任務的太空段的概念設計。我們還描述了并發(fā)設計過程的流程，并提供設計輸出。

簡介：

我們的整個目標是提供一個可靠的產品，以滿足其性能要求，并在預算和計劃人力范圍內實現這一目標。這種類型的項目通常具有三個特點。這項工作通常需要共同擁有解決產品設計和交付所有領域所需的經驗和技術知識的不同項目的專家（SMEs）共同努力。第二個特點是每個學科領域的工作通常是在CAD或CAE計算機工具的協(xié)助下進行。最后，復雜產品的設計和生產經過一系列設計周期或產品設計的迭代更改來演變，這對于產品開發(fā)、解決問題和矛盾等是所必需的。

并行工程通過更有效地整合SME參與者的努力，來處理復雜產品設計和交付的總體目標。通過減少不同學科領域之間的信息交換的延遲和增加信息交換的頻率，設計周期可以得到顯著改善。減少收斂到滿意結果所需的設計周期數需要通過在整個設計過程中及早和經常地深入了解設計問題和矛盾。這能夠使我們盡早發(fā)現問題，并減少進行返修的工作量。

航空航天公司的概念設計中心（CDC）提供了這樣一個環(huán)境，其空間系統(tǒng)可以由跨學科工程師團隊在各種級別的保真度要求下設計。本文提供了一個示例，說明這種集成設計環(huán)境如何用于天基紅外望遠鏡系統(tǒng)的端到端設計和分析。首先從望遠鏡光學設計的開發(fā)開始。然后我們展示如何為有效載荷開發(fā)初始CAD設計和結構模型，以及如何集成這兩個，允許CAD工程師改進CAD設計，以獲得滿足發(fā)射負載環(huán)境要求的最小質量解決方案。接下來，我們展示了如何使用有效載荷設計作為太空段設計研究的輸入，其中開發(fā)了包含IR望遠鏡有效載荷任務的空基部分所有方面的頂層設計。研究表明，有效載荷可以由運載火箭容納，并提供研發(fā)有效載荷熱設計所需的基本參數（軌道、太陽能陣列大小和位置）。然后開發(fā)有效載荷的初始熱設計，以及對在軌熱環(huán)境對望遠鏡圖像質量影響的預測。

這里提供的說明材料代表了通過整個IR望遠鏡系統(tǒng)的設計的初始，其為每個技術學科區(qū)域提供了堅實的設計起點，以及對系統(tǒng)的不同部件之間的相互作用的物理洞察。現在可以迭代相同的集成模型以糾正每個技術學科領域中的設計問題，同時評估這些設計變化對系統(tǒng)性能的所有方面的影響。

航空公司的協(xié)同EO傳感器設計環(huán)境

本文的工作報告由CDC的兩個并行設計團隊-電光有效負載團隊（EOPT）和太空段團隊（SST）完成。EOPT是一個小型、跨學科（機械、結構、熱、光學和控制）的工程師團隊，旨在EO傳感器有效載荷的詳細設計。通過使用由Comet Solutions, Inc (http: //www.cometsolutions.com)開發(fā)的比較新的模擬驅動工程（SDE）軟件實現并行工作方式，跨學科邊界集成工作。該SDE軟件具有以下特性：

1. 在公共軟件環(huán)境中存儲和查看所有工程數據（材料屬性、邊界條件、網格劃分參數等）和CAD/CAE仿真結果，而無需知道如何運行每個工程學科的基本CAD / CAE工具。
2. 項目數據以樹形結構組成，獲取設計歷史記錄并確保版本控制。
3. 從詳細設計中提取頂級摘要數據（質量、圖像質量度量、關鍵參數值），并顯示在“控制面板”區(qū)域，供工程、系統(tǒng)工程和管理人員查看。
4. 復雜的跨學科分析的專業(yè)能力可以由學科工程師開發(fā)，經過捕捉，在仿真過程重復使用，大大減少了設計和重復這些分析所需的設計周期。
5. SDE軟件通過適配器與其他商業(yè)現貨軟件（COTS）工程軟件協(xié)同工作，允許學科工程師使用他們已經用于日常工作的相同CAD/CAE工具進行詳細工作。

詳細的工程設計和分析工作是通過SDE接口訪問學科工程熟悉的COTS軟件。在航空航天公司的設計環(huán)境中，機械CAD設計可以使用Pro/Engineer(http://www.ptc.com)或SolidWorks(http://www.solidworks.com)來完成，結構工作使用MSC Nastran (http://www.mscsoftware.com)或Abaqus(http://www.simulia.com)，
熱工程利用Thermal Desktop(http://www.crtech.com)，
光學設計使用Code V(http://www.opticalres.com)，
控制工作使用Matlab/Simulink(http://www.mathworks.com)。另一個COTS軟件工具SigFit (http://www.sigmadyne.com)用于將熱變化和結構變形轉換為可輸入到Code V中的形式，以評估其光學性能影響。參考文獻[1]中給出了Comet SDE軟件環(huán)境及其并行工程原理的更多詳細介紹。此SDE軟件環(huán)境對飛行載荷中關鍵透鏡子組件的集成結構/熱/光（STOP）分析的優(yōu)先研究請參考文獻[2]。

使用IR望遠鏡有效載荷的太空段任務的初步概念設計是由SST開發(fā)，他們使用了與太空段設計相關的每個技術學科領域主題專家（SME）開發(fā)的電子表格工具。系統(tǒng)模塊捕獲摘要信息，并為每個學科領域開發(fā)的模型之間的沖突進行集成和解決提供了一個平臺。可用于姿態(tài)確定和控制（定向和穩(wěn)定模式）、天體動力學（軌道參數）、航天器的命令和數據處理、收集和處理數據所需的地面部分配置、有效載荷和地面之間的通信、有效載荷功率和數據處理要求、推進、軟件、總體結構要求、遙測和追蹤、熱控制系統(tǒng)的尺寸和成本。還產生用于支持有效載荷所需的航天器、總線和其他子系統(tǒng)（太陽能陣列等）的概念級CAD設計。SST通常開發(fā)一個太空段設計基線，在考慮許多感興趣的變體之前滿足總體任務要求，例如插入新技術或軌道參數的改變。對航空航天公司的CDC和各種利用它并行設計團隊的更詳細的描述在參考文獻[3]和[4]中提供。

IR望遠鏡光學設計

望遠鏡的光學設計如圖1所示，其一階屬性在表1中給出。波前誤差在整個視場上3.2微米波長處達到衍射極限。選擇孔徑（60cm）是因為與成本較低的市售運載火箭兼容，例如Minotaur-1或Falcon。帶有出瞳的無焦輸出適合用作具有多個可互換的MWIR儀器（偏振儀、光譜儀或照相機）的冷光闌。滿足我們設計要求的是一個卡塞格倫望遠鏡，后面是一個空氣隙雙膠合透鏡。增加了調整雙膠合透鏡的焦點位置的機理，以便在有效載荷的熱偏移上保持輸出光束準直。基于空間飛行經驗和成本選擇材料。在光學設計階段進行的權衡表明，硼硅酸鹽反射鏡結合鈦金屬結構，將會提供非常輕的、堅硬的望遠鏡而且可以同時使玻璃反射鏡和金屬結構之間的熱膨脹系數失配最小。

圖1：IR望遠鏡光學設計

表1：IR望遠鏡一階屬性

IR望遠鏡CAD和結構模型開發(fā)

望遠鏡的CAD設計開始于將光學元件的STEP文件從光學設計軟件（Code V）導入CAD軟件（SolidWorks）。光線軌跡還被作為STEP文件輸出，它的曲線穿過CAD，可以防止CAD設計開發(fā)時基座和測量結構產生光束漸暈。Hub安裝方法（圖2）和使用準直雙透鏡作為聚焦結構使次鏡處的懸臂質量最小，并提供能夠承受發(fā)射振動的輕質、堅硬的望遠鏡的預期。

圖2：望遠鏡CAD設計

然后再從初始望遠鏡CAD中使用 SDE軟件網格劃分生成有限元模型（FEM）結構網格。網格尺寸和質量針對每個組件（主鏡、次鏡、透鏡等）進行了優(yōu)化，然后這些單獨的網格被組合成一個統(tǒng)一的網格。1-G重力負載應用于統(tǒng)一化的網格，以確保所有子組件在所產生的統(tǒng)一FEM模型內正確連接。得到的網格如圖3所示。

然后在SDE軟件內創(chuàng)建了將結構分析與CAD設計綁定的仿真過程，以幫助精煉CAD，確保望遠鏡與所選擇的發(fā)射環(huán)境兼容。該過程包括兩個分析任務。第一個是Nastran任務，用于分析望遠鏡的頻率響應，假定邊界條件剛性界面在雙腳架雙腳之間用于將望遠鏡附接到宇宙飛船。該分析的品質因數是結構的第一基本振動模式的頻率，其必須高于25Hz以滿足總線發(fā)射要求。第二個任務評估望遠鏡結構中的Von Mises應力水平，此時它暴露了三個主要橫向方向中的每一個的準靜態(tài)載荷。我們使用的負載大小（20 G）源自Minotaur I用戶指南中提供的曲線圖，該曲線提供了作為有效載荷質量的函數的G的預期凈重心中心（CG）加速度響應。如果我們的結構模型計算的最大Von Mises應力水平對20G載荷的響應低于鈦的極限強度（220Mpa，安全系數為2X）和鈦的屈服強度（140Mpa，安全系數為1.6X），兩者均具有至少20％的安全裕度，我們的望遠鏡結構認為足夠堅固可以承受發(fā)射載荷。

圖3：望遠鏡結構網格

圖4顯示了通過SDE軟件界面用于此結構分析任務的一些顯示功能。捕獲剛剛描述的結構網格和分析任務的模擬過程與CAD模型視圖、結構網格和望遠鏡的基本振動模式一起顯示在顯示器的上半部分中。顯示器下部的控制板捕獲設計的品質因數，例如質心、轉動慣量、基模頻率和最大Von Mises應力水平。一旦該仿真過程由CAD和結構工程師設置，CAD工程師可以重新使用它來微調CAD設計，而不需要CAD和結構專家之間的進一步切換。例如，CAD工程師能夠改變支撐第二反射鏡的三個葉片的厚度參數，通過對于不同的厚度值重新運行模擬過程并且在他對CAD設計進行期望的改變時評估所得到的品質因數的變化，可以在不到半天內找到仍滿足運載火箭的振動模式和材料強度要求的最小質量設計。

圖4：IR望遠鏡對發(fā)射負載響應的結構分析

IR望遠鏡空間部分的概念設計

SST設計作為發(fā)射任務合并到了IR望遠鏡CAD設計。圖5示出了IR望遠鏡有效載荷與航天器和期望的運載火箭的集成。針對空間段任務的所有方面開發(fā)了頂層設計，包括增長25％的偏差的質量和功率估計，表明設計符合航天器設計和運載火箭的能力。在這里，對于我們的工作特別重要的是，為有效載荷開發(fā)的熱設計-軌道、有效載荷幾何形狀和太陽能陣列尺寸-是SST研究的產物。

圖5：集成航天器和運載火箭的有效載荷

IR望遠鏡有效載荷的初始熱設計

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