光学系统 | 借助Ansys Zemax从概念到立方体卫星光机械设计（2）

本文原刊登于Ansys Blog：《From Concept to CubeSat Part 2: Using Ansys Zemax OpticsBuilder to Generate CubeSat Opto-Mechanics》

作者：Kerry Herbert | Ansys产品营销经理

编辑整理：胡皓胜 | Ansys高级应用工程师

在航空航天行业中，立方体卫星是一种适用于太空光学系统的低成本、易于制造的解决方案。本博客系列阐述了如何使用Ansys Zemax软件将立方体卫星从最初的光学设计转变为光机械封装，以便进行光机热耦合系统性能（STOP）分析。

在设计了光学系统后，可以对有效载荷的光机械进行建模。通过Creo Parametric中的Ansys Zemax OpticsBuilder，将光学模型导出到计算机辅助设计（CAD）环境的过程变得简化而直观。OpticsBuilder通过为每个光学组件生成原生几何结构，将光学模型引入Creo。借助OpticsBuilder，光学仿真也可以直接在Creo中运行，从而减少在光学设计工具和CAD软件之间传输光学系统的情况。这有助于提高工程效率。

在第一部分内容中，最初的光学设计是针对立方体卫星而建模的。光学设计完成后，需要设计光机械以将光学元件保持在合适的容差范围内。为了在我们的系统中轻松构建光机械，光学设计可以通过OpticsBuilder从Ansys OpticStudio导出到CAD环境。

如要导出光学设计，可以使用OpticStudio中的Prepare for OpticsBuilder工具。导出时，OpticStudio会将所有相关信息打包到.ZBD文件中，并为您自动执行一些任务。

图1：Prepare for OpticsBuilder工具

该工具先会确认光学设计中的所有表面和物体都与Creo兼容，然后再运行光线追迹来分析系统性能。一旦将.ZBD文件导入到OpticsBuilder中，此光线追迹的结果将被用作对比基础。当该文件导入到Creo中的OpticsBuilder时，将通过动态运行新的光线追迹来进行第二次仿真。此光线追迹用于验证导入的光学系统的系统性能未发生变化。

图 2.导入OpticsBuilder后的光线追迹仿真

接下来，需要设计立方体卫星的外部框架和光机械。在设计流程的这一环节需要考虑几个因素，包括：

1. 有效载荷尺寸限制

2. 在轨运行温度和压力条件

3. 有效载荷在发射到轨道期间经历的振动载荷

4. 材料选择导致的热胀/冷缩

5. 防杂散光的挡板设计

6. 确保光机械设计不会干扰光束路径

OpticsBuilder的仿真工具可以将光学元件作为原生几何结构导入CAD环境中，简化光机械设计工作流程。因为无需为了特定任务在光学设计软件和CAD之间持续传输设计，所以工程师能够以更高的效率应对这些设计挑战。

在此立方体卫星工作流程示例中，光机械设计为标准的立方体卫星外形尺寸，即3个单位（U）。1U的空间相当于10厘米×10厘米×10厘米。立方体卫星标准由斯坦福大学空间系统开发实验室和圣路易斯-奥比斯波的加州州立理工大学创建。有关制定的标准的更多信息，请参见此处。

首先，在Creo Parametric中绘制了3-U立方体卫星的外部框架。下图显示了没有任何光学元件的外部框架。

图 3.3-U 立方体卫星的外部框架

随着外部框架的开发，光学设计被添加到了该结构中。然后，构建光机械结构以装配光学元件，并将其与外部框架相匹配。

图4：为3-U 立方体卫星完成光学机械设计

在光机械设计完成后，可以使用仿真工具，在Creo Parametric中对这些组件对光学性能的影响进行仿真。在最后的仿真中，完整光机械模型被太阳能电池板包裹装配。

光线追迹仿真验证了光机械对光学性能没有重大影响。现在可以将构建的整个系统导出到有限元分析（FEA）软件，开始STOP分析。

图 5.最终光学机械设计的光线追迹仿真

借助OpticsBuilder，可以缩小光学工程与机械工程之间的文件形式差异。通过简化、直观的工作流程，工程团队可以更高效地应对光机械设计的挑战。