Инженер осматривает сегмент главного зеркала телескопа Уэбба в отделе инженерного проектирования в чистой комнате Центра космических полетов имени Годдарда НАСА. Кредит: НАСА
Космический телескоп Джеймса Уэбба по-настоящему исследует неизведанное, показывая потрясающие изображения ранее невиданных уголков Вселенной, которые стали возможными только благодаря 21-футовому сегментированному зеркалу телескопа, которое разворачивалось и собиралось в космосе.
Десятилетия испытаний ушли на изучение материалов, конструкции и процессов, необходимых для разработки самого большого телескопа в космосе. Однако весь проект был слишком сложен, чтобы его можно было протестировать на земле, в масштабе, при температуре –400°F и в других условиях, подобных космическим.
Вместо этого инженеры полагались на программное моделирование, чтобы понять, как телескоп будет вести себя в различных условиях в космосе, и эта работа помогла продвинуть всю область интегрированного компьютерного моделирования.
«Мы продвинули все, все моделирование, настолько усердно, насколько это было возможно», — сказала Эрин Эллиотт, инженер-оптик из Ansys, Inc., которая создает Ansys Zemax OpticStudio, один из пакетов программного обеспечения для проектирования, используемых для разработки аппаратного и программного обеспечения для телескоп Уэбба.
Технология моделирования значительно улучшилась за последние два десятилетия благодаря увеличению вычислительной мощности и новым способам доступа к внешним вычислительным мощностям в виде облачных услуг. Но дополнительные улучшения восходят непосредственно к разработкам Уэбба.
Эллиотт использовал OpticStudio для поддержки телескопа Уэбба во время работы с другими подрядчиками НАСА, начиная с начала 2000-х годов, а затем в 2015 году начал работу для Zemax, которая позже стала Ansys Zemax, со штаб-квартирой в Кэнонсбурге, штат Пенсильвания.
По словам Эллиотта, на первых порах компания Zemax доработала свое программное обеспечение для телескопа Уэбба. «В то время они внесли для нас некоторые конкретные изменения, связанные с работой с системами координат сегментов», — сказала она, имея в виду 18 шестиугольных сегментов, составляющих главное зеркало телескопа.
Эллиотт также вспомнил, как неоднократно разговаривал с руководством Zemax о необходимости улучшения взаимодействия программного обеспечения с другими программами Microsoft Windows. Компания представила API или интерфейс прикладного программирования для OpticStudio, который позволяет пакету работать с другими программами и обеспечивает дальнейшую настройку. Было много причин добавить эту технологию, но требования Уэбба, вероятно, были среди них значительными, сказал Эллиотт.
Джозеф Ховард, инженер-оптик из Центра космических полетов Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, где были собраны «Уэбб» и модуль научных инструментов, отметил, что использование нескольких пакетов моделирования помогло стимулировать инновации в этой области. «Важно иметь несколько компаний-разработчиков программного обеспечения, которые могут помочь вам не только в перекрестной проверке моделирования, но и потому, что они делают друг друга лучше за счет конкуренции», — сказал он.
Помимо улучшений, внесенных в OpticStudio во время разработки телескопа Уэбба, Ansys Zemax в 2021 году представила модуль «Структурный, термический, анализ и результаты» (STAR), в котором использовались знания, полученные Эллиоттом в ходе работы над проектом НАСА.
Когда зеркало или линза меняют форму из-за перепадов температуры, оптика перемещается. Большая часть моделирования в OpticStudio выполнялась в виде более мелких частей: инженеры самостоятельно запускали тепловое моделирование и добавляли эти данные в следующую оптическую модель, генерируя больше данных для следующего запуска.
Модуль STAR включает анализы из другого программного обеспечения для моделирования непосредственно в оптические модели OpticStudio — эффективность, применимая к телескопам и аэрокосмическим проектам. Эта функция также становится все более важной для автономных транспортных средств, линз сотовых телефонов и другой оптики, работающей в тяжелых условиях.
Будущие телескопы и другие космические аппараты, вероятно, будут включать в себя элементы конструкции Уэбба. Еще больше будет путешествовать в сегментах, которые должны самособираться в космосе, а развитие все более сложной робототехники и оптики будет зависеть от улучшенного программного обеспечения для моделирования.
«Когда мы создавали «Уэбб», мы знали, что не сможем полностью протестировать его на земле перед полетом, поэтому мы во многом зависели от моделирования и анализа, чтобы подготовиться к полету», — сказал Ховард. «Следующая великая обсерватория будет еще больше зависеть от программного обеспечения для моделирования».
Между тем, разработчики других земных технологий уже видят преимущества улучшенной OpticStudio, используя ее для разработки прецизионных эндоскопов, тепловизора для обнаружения воздействия COVID-19 в толпе, дисплеев дополненной реальности и гарнитур, технологии лазерного двигателя для наноспутников, и, конечно же, больше телескопов.
Эллиотт также отметил, что проект телескопа Уэбба подготовил следующую группу строителей телескопов и оптических устройств — тех, кто проектирует и использует технологические побочные продукты телескопа.
«Люди, построившие космический телескоп «Хаббл», руководили телескопом Уэбба», — сказала она. «И теперь молодые инженеры, которые освоили этот проект и извлекли из него уроки, становятся группой людей, которые будут строить следующие конструкции».
Эллиотт утверждает, что проект «стоил того только потому, что обучил эту огромную группу молодых инженеров и выпустил их в области высоких технологий».
