簡介

 

此篇文章為本系列的第2部分，我們將光學設計轉換至非序列模式，并演示將光學系統導入 OpticsBuilder 的過程。然后，我們將演示如何使用 OpticsBuilder 來建立方體衛星的光機結構，并討論在考慮立方體衛星外形尺寸約束的條件下如何安裝光學器件。（聯系我們獲取文章附件）

 

使用非序列模式為 OpticsBuilder 做準備

 

許多光學系統可以直接從 OpticStudio 的序列模式導出到 OpticsBuilder 環境中。將光學設計從序列模式導入到 OpticsBuilder 時，“OpticsBuilder 文件準備”工具會在其保存為 ZBD 文件之前，自動將光學設計轉換為非序列模式。但是，如果文件在非序列模式中不能順利的進行光線追跡，則模型可能轉換失敗。由于立方體衛星設計的特殊性質，此編輯過程必須在非序列中手動實現。

 

在此設計中，光線需要通過主鏡底部的開孔到達像面。由于序列模式中無法針對這種情況設置開孔，因此轉換至非序列后，光線無法追跡到非序列模式中的像面上。

 

圖1：導入非序列模式后的初始狀態

 

由于非序列模式下光線追跡的性質并且反射鏡仍是一個實體，光線會從主鏡上反射回來。我們可以使用原生布爾物體類型運用布爾邏輯來創建一個開孔。

 

從布爾邏輯運算的角度，我們可以將一個圓柱體物體與主鏡的一部分重疊。然后通過原生布爾物體就可以生成一個有著圓柱體開孔的主鏡。這樣主鏡上就會有一個半圓形的開孔，允許光線追跡到像面而不被阻擋。

 

圖2：實現主鏡開孔

 

主鏡開孔后，基礎的光學設計部分就已完成。為了驗證從序列模式導出后光學系統性能沒有改變，可以在非序列模式中使用探測器查看器來查看每個視場點的光斑尺寸。在使用“轉換為 NSC 組”工具將模型轉換至非序列時，軟件會生成與序列模式下像面上的視場點相對應的非序列光源和探測器。執行光線追跡并分析每個探測器上的光斑，將生成的光斑的形狀和尺寸與序列模式下的點列圖的分析結果進行對比。

 

以下面的圖片為例，是序列模式下視場1（軸上）的光斑與在非序列模式下探測器查看器上生成光斑的大小和形狀進行對比。

 

圖3：序列（左）vs非序列（右下）光斑大小

 

對于軸上視場，我們很容易地比較了兩種模式之間的光斑尺寸。非序列模式下的光斑尺寸可以通過探測器查看器底部的“光斑信息”選項卡來確認。另外請注意，在序列模式下的點列圖中的單位是um，而對于非序列探測器查看器，單位則是mm。按照這種方法，我們依次對比每一個視場點的光斑形狀和尺寸。最終，比較完所有視場點在兩種模式下的 RMS 光斑半徑的偏差最大為0.14um。現在我們可以認為光學設計已經成功地從序列模式轉換為非序列模式，并且在非序列模式下修改后的系統性能保持不變。

 

將光學設計導入到 OpticsBuilder

 

在 OpticStudio 中完成光學設計后，我們就可以開始著手光機結構和立方體衛星的外部封裝的研發了。由于立方體衛星系統的外形的標準，尺寸上的限制成為光機結構設計的主要考慮因素。此光學系統設計適用于3U立方體衛星的外形尺寸，因此留給光機結構的空間非常有限。并且還要考慮到，雖然光機結構可以對光學系統起到安全防護的作用，但其本身會在設計中引入應力的影響。

 

首先，我們需要將光學系統導入到CAD環境中，在這里我們使用的軟件是 Creo Parametric 4 。“OpticsBuilder 文件準備”工具是 OpticStudio 的自帶功能，可以準確的將光學設計直接導入到CAD環境中。

 

在將光學系統導入到 CAD 軟件時，OpticStudio 會將相關信息打包到ZBD文件中。為了將光學系統正確轉換為與 CAD 兼容的 ZBD 文件格式，“OpticsBuilder 文件準備”工具會自動為用戶自完成一些操作。

 

由于光學設計此時已經處于非序列模式，所以生成原始 ZBD 文件的過程就省略了。在運行光線追跡之前，“OpticsBuilder 文件準備”工具將確認所有物體對象都與目標 CAD 軟件兼容。一旦 ZBD 文件導入 OpticsBuilder，光線追跡的結果將作為一個重要的參考。

 

ZBD 文件中包含了三個不同的系統度量標準的改變量：整體的光斑尺寸、光束遮擋、像面污染。將 ZBD 文件導入 OpticsBuilder 后，將使用保存的光線集執行模擬，以驗證每個度量標準是否在用戶允許的改變量內。這將確保導入后的光學系統的性能沒有變化。下圖展示了立方體衛星光學設計最初導入到 CREO Parametric 環境下的 OpticsBuilder 的結果。

 

圖4：導入 OpticsBuilder 后的模擬結果

 

模擬完成后，我們看到三個度量標準都已滿足，并且系統已經成功導入。現在，在 OpticsBuilder 中展示了完整的光學系統，可以根據需要修改設計并創建光機結構。對設計所做的任何更改都將保存到 ZBD 文件中。ZBD 文件格式十分方便于在 OpticStudio 和 OpticsBuilder 之間傳輸文件。通過這種簡化的工作流程，光學工程師和光機工程師可以直接對設計進行迭代調整。

 

立方體衛星設計的光機結構注意事項

 

在設計太空有效載荷時，需要考慮在軌工作溫度、有效載荷以及在發射過程中將經歷的振動等因素。在本例中，工作溫度是我們在設計時主要考慮的因素。

 

在設計在近地軌道上運行的光機結構時，光機結構和光學器件將受到溫度波動的影響。由于立方體衛星有效載荷在軌道上會經歷不同的溫度，光學系統和光機結構的膨脹和收縮會降低光學性能。因此，應仔細考慮反射鏡基板和光機結構的材料選擇，以盡量減少 CTE 不匹配。由此導致的光學性能的下降可以在之后的建模步驟中使用 FEA 分析和 OpticStudio STAR 模塊進行模擬評估。

 

對于太空有效載荷，雜散光的影響也是需要著重考慮的，我們可以在光機結構中加入擋板以減少雜散光。但是在本設計中，我們假設立方體衛星的太陽能電池板可以保護探測器免受大多數雜散光的影響，從而簡化了設計。

 

此外，光機結構對光線路徑的影響也是必須要考慮的。立方體衛星的外形尺寸較小，可用于光機系統結構的空間有限，這對我們的光機設計來說是一個挑戰。光機結構設計的是否成功可以使用 OpticsBuilder 仿真工具進行評估。此功能將在 CAD 環境中運行光線追跡，并考慮所有相關的光機結構的影響。如果某些機械組件對結果不會產生影響，則可以利用 OpticsBuilder 中的 Region of Interest 功能在仿真時排除它們。然后我們可以重新計算在添加光機系統支撐結構之后的光斑尺寸、光束遮擋、像面污染的改變量，以分析由此導致的性能變化。如果這三個指標在先前設置的允許改變量范圍內，則可以認為光機結構不會對光學性能產生不可接受的負面影響。這些設計注意事項是我們在建立此立方體衛星案例的最終光機結構時必須要考慮的。

 

立方體衛星光機結構設計

 

首先，我們設計立方體衛星的外部框架，為滿足3U設計的標準外形尺寸約束，其中2U的空間用于光學設計和光機結構，最后1U的空間分配給電子設備和探測器。

 

為了設計立方體衛星的外部框架，這里采用了加州理工大學創建的規格圖作為參考。

 

圖5：3U立方體衛星的外部框架規格2

 

以此規格圖為參考，在 CREO Parametric 軟件中繪制3U立方體衛星的外部結構。下圖顯示的是不包含任何光學元件的外部框架。

 

圖6：3U立方體衛星的外部框

 

開發外部框架后，ZBD 文件被放置在結構中。然后創建光機結構以固定光學元件并將它們與外部框架結合。綜合考慮上述提到的注意事項，設計了如下的3U立方體衛星的光機結構。

 

圖7：立方體衛星光機設計

 

主框架（上圖中的C和B）由碳纖維（C）和36根銦鋼棒（B）的組合制成，以防止整個系統膨脹。為了補償反射鏡在不同溫度下的膨脹，光學元件用彈簧螺栓（D）固定。為了防止光束剪切，副鏡使用角鋼結構（A）固定。光機結構設計完成后，可以使用 OpticsBuilder 仿真工具直接在 CREO Parametric 中測試這些組件對光學性能的影響。對于圖8所示的最終仿真，整個模型被保護層包裹。

 

通過運行仿真，我們可以看到所有設計指標都已滿足。在 OpticsBuilder 中完成光機結構模型的設計后，現在可以完全建好的系統導出到有限元分析（FEA）軟件中。FEA 軟件可用于生成兩個反射鏡的結構形變數據集。最后，這些數據可以導出到 OpticStudio 的STAR模塊進行進一步分析。

 

圖8：最終光機模型的仿真

 

結論

 

在本文中，我們介紹了立方體衛星在導入非序列模式后如何驗證其光學性能。然后演示了如何將最終的光學設計導入 OpticsBuilder，并詳細介紹了用于封裝3U立方體衛星的光機結構。最后，我們詳細介紹了如何在光機結構最終確定后使用OpticsBuilder仿真工具驗證光學性能。

 

參考文獻

 

1.Jin H, Lim J, Kim Y, Kim S. Optical Design of a Reflecting Telescope for CubeSat. J Opt Soc Korea. 2013;17(6):533-537. doi:10.3807/josk.2013.17.6.533
2.Cubesat Specification Drawings.;2020. https://static1.squarespace.com/static/5418c831e4b0fa4ecac1bacd/t/621941d8e53eb916a609611d/1645822427304/CDS+Rev14_1+Drawings.pdf. Accessed May 19, 2022.