立方體衛星
關注創建者：Ansys中國 創建時間：2023-11-01
立方體衛星的視頻教程
立方體球形缺角HyperMesh六面體網格劃分
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Dyna入門操作——立方體受壓
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精品課-ABAQUS-細觀模擬-鋼纖維立方體軸壓模型
本課程為精品課程-ABAQUS-細觀模擬-鋼纖維超高性能混凝土立方體軸壓模型（全接觸設置）ABAQUS/abaqus。視頻講解 保姆式操作 50分鐘視頻講解 適用對象： 全國各高校結構工程方向的研究生，尤其是課題與立方體軸壓、受壓本構、細觀模擬及超高性能混凝土UHPC有關的。 課程亮點：非以往視頻的簡單介紹，核心步驟實操講解，各個環節，詳細介紹。干貨中的干貨，精品中的精品。
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立方體衛星的實例教程
在航空航天工業領域中，立方體衛星（CubeSats）已然是一種低成本、易制造的航天光學系統的解決方案。通過制造一組更小、更實惠的系統，使得為航天產品開發生產線方法成為可能。
立方體衛星光學系統的制造商們需要一個準確并可靠的方法來開發光學設計和對系統進行光機械封裝，以及對系統在軌時的結構和熱影響進行建模分析。本系列文章將利用 Ansys Zemax 和 Ansys 其它軟件，對立方體衛星系統進行高階開發。我們將介紹一個集成的軟件工具包是如何精簡設計和分析工作流程的。（聯系我們獲取文章附件）
簡介
幾十年來，光學系統已被開發用于低、中、高地球軌道運行。對于許多光學系統來說，封裝的外形約束和源于這種約束的光機設計都是經過逐個系統設計驗證得到的。立方體衛星是一類輕型納米衛星，可以容納從激光通信到地球成像等應用領域的光學系統，其獨特之處在于，它們采用了標準化的尺寸和外形約束。
在本系列文章中，我們在開發立方體衛星光學設計時參考的論文是 Optical Design of a Reflecting Telescope for CubeSat1。
這是本系列文章的第一部分，我們將解釋立方體衛星外形約束的標準，并介紹在 OpticStudio 的序列模式下構建立方體衛星光學系統的背景細節。
立方體衛星設計背景
立方體衛星的外形約束標準最初是由加州理工大學（California Polytechnic State University）和斯坦福大學（Stanford University）的空間系統開發實驗室（SSDL）2合作提出的。
標準立方體衛星系統的構建模塊是1U，即 “一個單位”，是尺寸為10x10x10cm的立方體。
展開 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。
展開 1
在本系列的第一部分中，我們將介紹標準化立方體衛星的外形尺寸，并詳細介紹在Ansys Zemax OpticStudio序列模式中構建立方體衛星光學系統的背景知識。
立方體衛星設計背景
該立方體衛星的外形尺寸基于最初由加州州立理工大學和斯坦福大學空間系統開發實驗室（SSDL）合作開發的標準。2
標準立方體衛星系統采用邊長為10厘米的立方體構建塊（1U，即一個單位）。雖然1U是立方體衛星的基本尺寸，但立方體衛星可以通過添加更多的1U構建塊來實現更大的外形尺寸。下圖是NASA提供的標準化立方體衛星尺寸示意圖。3
圖1：NASA提供的標準化立方體衛星尺寸
本系列文章中引用的立方體衛星光學設計，是一種Ritchy-Chretian類型的離軸分段反射式望遠鏡。該設計旨在滿足標準化的3U立方體衛星外形尺寸，即10 x 10 x 30厘米。為了最大限度地擴大視場，該設計由兩個矩形的雙曲面鏡組成。主反射鏡和副反射鏡的尺寸分別為80 x 80毫米和41 x 24毫米。
該設計是為了在離地700千米的近地軌道（LEO）上充當高分辨率地球成像儀。其有效焦距為685毫米，可用于在可見光譜中工作。在主波長條件下，該設計的地面分辨距離為9.11毫米，使系統工程師能夠對間距大于該距離的兩個不同物體進行成像。地面分辨距離可使用以下公式進行計算：
根據OpticStudio的設計，立方體衛星是假定在室溫下運行的，但在軌道上，光學元件預計在15℃（±3℃）的工作溫度下運行。
展開 圖 2.導入OpticsBuilder后的光線追跡仿真
立方體衛星設計的光機械考量因素
接下來，需要設計立方體衛星的外部框架和光機械。在設計流程的這一環節需要考慮幾個因素，包括：
有效載荷尺寸限制
在軌運行溫度和壓力條件
有效載荷在發射到軌道期間經歷的振動載荷
材料選擇導致的熱脹/冷縮
防雜散光的擋板設計
確保光機械設計不會干擾光束路徑
OpticsBuilder的仿真工具可以將光學元件作為原生幾何結構導入CAD環境中，簡化光機械設計工作流程。因為無需為了特定任務在光學設計軟件和CAD之間持續傳輸設計，所以工程師能夠以更高的效率應對這些設計挑戰。
立方體衛星的光機械設計
在此立方體衛星工作流程示例中，光機械設計為標準的立方體衛星外形尺寸，即3個單位（U）。1U的空間相當于10厘米×10厘米×10厘米。立方體衛星標準由斯坦福大學空間系統開發實驗室和圣路易斯-奧比斯波的加州州立理工大學創建。有關制定的標準的更多信息，請參見此處。
首先，在Creo Parametric中繪制了3-U立方體衛星的外部框架。
展開 殷鋼計量桿固定在結構兩端的立方體衛星框架中，并允許裝置滑動：
圖 4：殷鋼桿
框架本身通過粘合連接：
圖5：粘合連接
在定義機械連接方式后，現在可以稍微調整 Ansys 創建的網格，以滿足我們的仿真需求，因為默認網格設置可能在某些區域的質量不佳，我們需要對其進行適應調整。調整兩個反射鏡的網格尺寸，使每個像面至少達到 10000 個節點。這樣才能在 OpticStudio STAR 模塊中獲得良好的擬合質量。下圖展示了用于光機結構和反射鏡的最終網格。
圖6：Ansys Mechanical 中的網格
圖7：次級反射鏡網格
載荷與邊界條件
對于此設計，唯一存在的載荷是一種熱條件，它導致了元件根據其熱膨脹系數 (TCE) 膨脹，并且選擇離散溫度條件來近似模擬立方體衛星在近地軌道運行期間將經歷的工作溫度范圍。假設立方體衛星的輻射控制系統將使光學器件免受溫度大幅波動的影響，那么這將光學器件的工作溫度范圍將會限制在 15°C ± 3°C 范圍內。
假設在 OpticStudio 中建立的名義設計是在 21°C 室溫環境中建立的，這是定義幾何結構通常的參考溫度。
在 Ansys Mechanical 中實施模擬的溫度如下：
圖8：溫度定義
在結構分析中，裝配體需要保持固定。對于光學分析來說，使用弱彈簧將導致模擬不夠精確。因此，整個組件是通過 Remote Displacements 組合來固定的。傳感器平面的移動將受到限制，因為傳感器作為像平面并且 OpticStudio 中無法對像面施加變形效果。旋轉在前框架處受到限制，因此不會把傳感器的彎曲當做是整個裝配體的旋轉。
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立方體衛星的最新內容
摘要
光分束器設備在光譜學、干涉測量和光通信領域的許多應用中發揮著關鍵作用。一種常見的分光器是基于受抑全內反射（FTIR）的效果，由兩個玻璃棱鏡組成，它們被一個非常薄的層分開。如果該層足夠薄，部分光線將通過邊界，由倏逝波通道到另一側，而其余的將被反射。
系統設置
非序列追跡
通道配置模式設置為“手動配置”時，用戶可以為系統中的每個曲面分別指定仿真中遵循的光路。執行仿真時
建模任務
光線分束器件在光譜學、干涉測量學和光通信領域的許多應用中發揮著至關重要的作用。一種常見的分束器是基于受抑全內反射（FTIR）的效果，因此由兩個玻璃棱鏡組成，并被一層非常薄的層隔開。如果該層足夠薄，由于倏逝波隧穿到另一側，一部分光將透射通過邊界，而其余部分將會被反射。
摘要
光線分束器件在光譜學、干涉測量學和光通信領域的許多應用中發揮著至關重要的作用。一種常見的分束器是基于受抑全內反射（FTIR）的效果，因此由兩個玻璃棱鏡組成，并被一層非常薄的層隔開。如果該層足夠薄，由于倏逝波隧穿到另一側，一部分光將透射通過邊界，而其余部分將會被反射。
建模任務
連接建模技術：亞波長間隙
與表面交互的可用建模技術：
對于通過亞波長間隙傳播的特殊情況
摘要
在光譜分析、干涉測量和光通信領域的許多應用中，分束器設備都發揮著至關重要的作用。一種常見的分束器是基于受抑全內反射（FTIR）：設置第一個玻璃棱鏡是為了讓入射光線在全內反射條件下照射到其中一個表面，第二個棱鏡直接置于其后面，這樣兩個棱鏡之間就只有一層非常薄的密度較低的材料（例如空氣）。 如果分隔層足夠薄，則全內反射至少會被穿過狹縫的倏逝波部分抑制，從而實現入射能量在分束器兩個輸出端之間的重新分配
摘要
在光譜分析、干涉測量和光通信領域的許多應用中，分束器設備都發揮著至關重要的作用。一種常見的分束器是基于受抑全內反射（FTIR）：設置第一個玻璃棱鏡是為了讓入射光線在全內反射條件下照射到其中一個表面，第二個棱鏡直接置于其后面，這樣兩個棱鏡之間就只有一層非常薄的密度較低的材料（例如空氣）。 如果分隔層足夠薄，則全內反射至少會被穿過狹縫的倏逝波部分抑制
摘要
光線分束器件在光譜學、干涉測量學和光通信領域的許多應用中發揮著至關重要的作用。一種常見的分束器是基于受抑全內反射（FTIR）的效果，因此由兩個玻璃棱鏡組成，并被一層非常薄的層隔開。如果該層足夠薄，由于倏逝波隧穿到另一側，一部分光將透射通過邊界，而其余部分將會被反射。
建模任務
連接建模技術：亞波長間隙
受抑全內反射（FTIR）
作為學習項目的一部分，羅伊特林根教育大學的學生們在比辛根集中營紀念地的博物館中使用 3Dfindit 動畫立方體模型進行了學習。作為歷史教學研討會的一部分，學生們研究了巴登-符騰堡州比辛根在 1944 年至 1945 年戰爭最后幾年當地頁巖油生產的歷史。
集中營紀念地博物館中的研究項目
1944 年 8 月至 1945 年
摘要
光線分束器件在光譜學、干涉測量學和光通信領域的許多應用中發揮著至關重要的作用。一種常見的分束器是基于受抑全內反射（FTIR）的效果，因此由兩個玻璃棱鏡組成，并被一層非常薄的層隔開。如果該層足夠薄，由于倏逝波隧穿到另一側，一部分光將透射通過邊界，而其余部分將會被反射。
建模任務
連接建模技術：亞波長間隙
摘要
在光譜分析、干涉測量和光通信領域的許多應用中，分束器設備都發揮著至關重要的作用。一種常見的分束器是基于受抑全內反射（FTIR）：設置第一個玻璃棱鏡是為了讓入射光線在全內反射條件下照射到其中一個表面，第二個棱鏡直接置于其后面，這樣兩個棱鏡之間就只有一層非常薄的密度較低的材料（例如空氣）。如果分隔層足夠薄，則全內反射至少會被穿過狹縫的倏逝波部分抑制，從而實現入射能量在分束器兩個輸出端之間的重新分配
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光線分束器件在光譜學、干涉測量學和光通信領域的許多應用中發揮著至關重要的作用。一種常見的分束器是基于受抑全內反射（FTIR）的效果，因此由兩個玻璃棱鏡組成，并被一層非常薄的層隔開。如果該層足夠薄，由于倏逝波隧穿到另一側，一部分光將透射通過邊界，而其余部分將會被反射。
建模任務
連接建模技術：亞波長間隙
與表面交互的可用建模技術：
對于通過亞波長間隙傳播的特殊情況
