太空望远镜 | 大口径反射镜热力耦合仿真

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在无垠的宇宙中，有一类特殊的“眼睛”正在凝视着大地和星辰。它们就是太空望远镜，帮助我们深入了解宇宙、探索未知世界，已经广泛应用于天文观测、空间探测、资源勘探等领域。如，韦布望远镜使我们得以窥见迄今为止最遥远、最清晰的宇宙天体图像。

哈勃（左）和詹姆斯.韦布太空望远镜

大口径反射镜是太空望远镜的关键核心部件，可以将遥远星光聚焦成清晰图像。为了提高望远镜的分辨率和成像质量，对更大口径反射镜的需求是永无止境的。然而，随着反射镜口径增大，会引入自重变形、温差变形、成本增加、空间受限等一系列技术难题。

尺寸对比：人、哈勃主反射镜和韦布主反射镜

太空望远镜在轨工作时置于严酷的空间热环境中，不仅面对4K的深冷空间，而且会受到太阳直照、地球反照、地球红外等外热流影响。大口径反射镜对温度变化非常敏感，一旦光学镜面和空间位置发生变化，将会造成图像模糊不清，严重影响成像质量。

空间外热流

因此，必须开展大口径反射镜热力耦合仿真。通过模拟反射镜在不同温度下的变形情况，为反射镜结构设计和热设计提供理论依据，确保望远镜在极端环境下依然能够保持高精度观测。本文以某望远镜为例，详细讲解大口径反射镜热力耦合仿真分析流程。

1 建立模型

在Zemax中导出反射镜反射曲面，在Solidworks环境下按全口径和径厚比赋予一定厚度，绘制反射镜初始结构。在此基础上，在反射镜背部设置三角形轻量化槽，以减少自重变形对反射镜面形影响。轻量化筋厚保持均匀一致，保证各向自重面形均匀一致。

大口径反射镜三角形轻量化结构

2 传输模型

由于Solidworks已关联Ansys Workbench，因此无需将反射镜另存为中间格式，直接点击工具选择Ansys Workbench，将反射镜模型传输至Workbench的Germetry中，如下图所示。具体参见前期文章：Ansys Workbench关联Solidworks。

大口径反射镜模型数据传输

3 构建流程

通常情况下，温度变化将引起反射镜结构变形，而变形一般较小不会影响温度场分布，因此大口径反射镜热力耦合是单向耦合。此外，反射镜结构较为简单，因此建立结构静力学项目分析流程，在设置边界条件时直接施加温度载荷，如下图所示。

大口径反射镜热力耦合仿真分析流程

4 定义材料

为保证反射镜在复杂力热环境下具有较高稳定性，应选择高弹性模量、高比刚度、低热畸变的基体材料。目前，反射镜常用基体材料见下表。本文选用微晶玻璃，其强度高，热胀系数极低，易加工成型。

反射镜常用基体材料属性

5 划分网格

为避免大口径反射镜镜面失真，反射镜必须使用自动网格划分，以保证分析结果能够反映真实面形变化。根据反射镜口径大小，合理控制网格单元尺寸（一般3~5mm），并进行网格质量检查（如纵横比）。

大口径反射镜有限元网格划分

6 设置边界

点击Static Structural，设置环境温度为18℃。点击Supports，反射镜外圆表面施加远端点位移约束Remote Displacement，所有方向自由度设置为0。点击Loads，反射镜主体结构添加Thermal Condition，在Magnitude输入温度4℃均匀温升。

大口径反射镜热力耦合仿真分析模型

7 分析结果

右击Solution，选择Solve，进行求解计算。求解完成后，点击Deformation，添加Total ，选择反射镜主体结构；添加Directional，选择反射镜面。右击Solution，选择Evaluate All Results，计算完成后查看反射镜总体变形和镜面变形，如下图所示。

大口径反射镜有限元总体变形

8 导出数据

点击Deformation，添加3个Directional，选择反射镜面，下方Geometry选择Apply，修改Orientation中的方向。右击Solution，选择Evaluate All Results，计算完成后逐个右击Export Text File，分别导出镜面X向、Y向、Z向变形分量及初始坐标数据。

导出大口径反射镜镜面变形数据

9 面形拟合

有限元分析得到的反射镜面节点位移包含刚体位移和镜面畸变，需要分离刚体位移获取镜面畸变。通常以Zernike多项式作为拟合工具，在MATLAB环境下编制面形拟合算法，采用最小二乘法获取畸变镜面的Zernike系数，从而得到面形参数PV、RMS等。

大口径反射镜面形

大口径反射镜热力耦合仿真是确保太空望远镜成像质量的关键技术之一。通过深入分析反射镜在各种温度环境条件下的变形情况，我们可以优化设计参数并提高制造精度。随着科学技术不断发展，大口径反射镜将会更加精准、稳定地服务于人类的宇宙探索事业。

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来源：纵横CAE

太空望远镜｜大口径反射镜自由模态分析

自诞生以来，太空望远镜一直是天文学研究的重要工具，它们能够提供比地面望远镜更为精确的天文观测数据。随着科学技术的不断发展，太空望远镜不仅推动了天文学的发展，也成为了连接科学与公众视野的桥梁。迄今最先进望远镜：詹姆斯.韦布太空望远镜模态分析是研究结构动力特性的一种常用方法，通过数值计算分析结构振动时的固有频率和模态振型。大口径反射镜模态分析是研制太空望远镜的关键核心技术，用于评价反射镜轻量化结构在动态载荷下的振动特性。太空望远镜有限元分析模型大口径反射镜需具有较好的动力学性能和面形稳定性，其基频需高于卫星平台的振动频率，避免低频共振区耦合振动。本文以Ansys Workbench为仿真分析工具，详细讲解太空望远镜大口径反射镜模态分析流程。大口径反射镜的固有频率和振型模态云图1 大口径反射镜模态分析主要目的1) 避免共振：通过模态分析可以确定反射镜的固有频率，从而避免在工作过程中与外部激励频率相近，出现共振现象。2) 结构优化：通过模态分析可以了解反射镜的振动特性，有助于优化设计反射镜轻量化结构，提高它的刚度和稳定性。3) 提高性能：通过模态分析可以指导反射镜的装校和调试过程，确保其在工作状态下保持良好的面形精度和光学性能。2 大口径反射镜模态分析具体流程启动Ansys Workbench，添加Analysis Systems中的Modal。模型构建、材料定义、网格划分、分析设置等具体步骤Ansys Workbench模态分析项目流程图大口径反射镜的三角形轻量化结构大口径反射镜有限元网格划分模态阶数设置分析反射镜自身固有振动特性，不设置约束边界条件。进行Analysis Settings设置后，右击Modal，点击Solve，求解模型。单击Solution，查看反射镜前12阶固有频率。其中，前6阶固有频率为0或很小的小数，称为反射镜刚体模态。大口径反射镜前12阶固有频率添加6个变形(total)，分别设置Mode为7~12阶，选择Equivalent All Results。单击Total Deformation，查看模态云图。反射镜的振型分布合理，没有出现明显的局部振动现象，表明该反射镜具有较好的动力学性能和稳定性。大口径反射镜7~12阶模态振型3 大口径反射镜模态分析注意事项1) 建模精度：有限元模型精度直接影响模态分析结果的准确性。因此，在建模过程中需要充分考虑反射镜的几何形状、材料属性、边界条件等因素。2) 边界条件：边界条件的设置对反射镜模态分析结果具有重要影响。在实际应用中，需要根据反射镜的安装方式和工作环境条件合理设置边界条件。3) 激励方式：在实验模态分析中，激励方式的选择和激励信号的施加方式都会影响测量结果的准确性。因此，需要选择合适的激励方式和施加方式。喜欢作者，请点赞和在看来源：纵横CAE