在航空航天行業(yè)中，立方體衛(wèi)星是一種適用于太空光學(xué)系統(tǒng)的低成本、易于制造的解決方案。本博客系列闡述了如何使用Ansys Zemax軟件將立方體衛(wèi)星從最初的光學(xué)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈾C(jī)械封裝，以便進(jìn)行光機(jī)熱耦合系統(tǒng)性能（STOP）分析。

在設(shè)計(jì)了光學(xué)系統(tǒng)后，可以對(duì)有效載荷的光機(jī)械進(jìn)行建模。通過Creo Parametric中的Ansys Zemax OpticsBuilder，將光學(xué)模型導(dǎo)出到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）環(huán)境的過程變得簡化而直觀。OpticsBuilder通過為每個(gè)光學(xué)組件生成原生幾何結(jié)構(gòu)，將光學(xué)模型引入Creo。借助OpticsBuilder，光學(xué)仿真也可以直接在Creo中運(yùn)行，從而減少在光學(xué)設(shè)計(jì)工具和CAD軟件之間傳輸光學(xué)系統(tǒng)的情況。這有助于提高工程效率。

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在第一部分內(nèi)容中，最初的光學(xué)設(shè)計(jì)是針對(duì)立方體衛(wèi)星而建模的。光學(xué)設(shè)計(jì)完成后，需要設(shè)計(jì)光機(jī)械以將光學(xué)元件保持在合適的容差范圍內(nèi)。為了在我們的系統(tǒng)中輕松構(gòu)建光機(jī)械，光學(xué)設(shè)計(jì)可以通過OpticsBuilder從Ansys OpticStudio導(dǎo)出到CAD環(huán)境。

如要導(dǎo)出光學(xué)設(shè)計(jì)，可以使用OpticStudio中的Prepare for OpticsBuilder工具。導(dǎo)出時(shí)，OpticStudio會(huì)將所有相關(guān)信息打包到.ZBD文件中，并為您自動(dòng)執(zhí)行一些任務(wù)。

圖1：Prepare for OpticsBuilder工具

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該工具先會(huì)確認(rèn)光學(xué)設(shè)計(jì)中的所有表面和物體都與Creo兼容，然后再運(yùn)行光線追跡來分析系統(tǒng)性能。一旦將.ZBD文件導(dǎo)入到OpticsBuilder中，此光線追跡的結(jié)果將被用作對(duì)比基礎(chǔ)。當(dāng)該文件導(dǎo)入到Creo中的OpticsBuilder時(shí)，將通過動(dòng)態(tài)運(yùn)行新的光線追跡來進(jìn)行第二次仿真。此光線追跡用于驗(yàn)證導(dǎo)入的光學(xué)系統(tǒng)的系統(tǒng)性能未發(fā)生變化。

圖 2.導(dǎo)入OpticsBuilder后的光線追跡仿真

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接下來，需要設(shè)計(jì)立方體衛(wèi)星的外部框架和光機(jī)械。在設(shè)計(jì)流程的這一環(huán)節(jié)需要考慮幾個(gè)因素，包括：

1. 有效載荷尺寸限制

2. 在軌運(yùn)行溫度和壓力條件

3. 有效載荷在發(fā)射到軌道期間經(jīng)歷的振動(dòng)載荷

4. 材料選擇導(dǎo)致的熱脹/冷縮

5. 防雜散光的擋板設(shè)計(jì)

6. 確保光機(jī)械設(shè)計(jì)不會(huì)干擾光束路徑

OpticsBuilder的仿真工具可以將光學(xué)元件作為原生幾何結(jié)構(gòu)導(dǎo)入CAD環(huán)境中，簡化光機(jī)械設(shè)計(jì)工作流程。因?yàn)闊o需為了特定任務(wù)在光學(xué)設(shè)計(jì)軟件和CAD之間持續(xù)傳輸設(shè)計(jì)，所以工程師能夠以更高的效率應(yīng)對(duì)這些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

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在此立方體衛(wèi)星工作流程示例中，光機(jī)械設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)的立方體衛(wèi)星外形尺寸，即3個(gè)單位（U）。1U的空間相當(dāng)于10厘米×10厘米×10厘米。立方體衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)由斯坦福大學(xué)空間系統(tǒng)開發(fā)實(shí)驗(yàn)室和圣路易斯-奧比斯波的加州州立理工大學(xué)創(chuàng)建。

首先，在Creo Parametric中繪制了3-U立方體衛(wèi)星的外部框架。下圖顯示了沒有任何光學(xué)元件的外部框架。

圖 3.3-U 立方體衛(wèi)星的外部框架

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隨著外部框架的開發(fā)，光學(xué)設(shè)計(jì)被添加到了該結(jié)構(gòu)中。然后，構(gòu)建光機(jī)械結(jié)構(gòu)以裝配光學(xué)元件，并將其與外部框架相匹配。

圖4：為3-U 立方體衛(wèi)星完成光學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)

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在光機(jī)械設(shè)計(jì)完成后，可以使用仿真工具，在Creo Parametric中對(duì)這些組件對(duì)光學(xué)性能的影響進(jìn)行仿真。在最后的仿真中，完整光機(jī)械模型被太陽能電池板包裹裝配。

光線追跡仿真驗(yàn)證了光機(jī)械對(duì)光學(xué)性能沒有重大影響?，F(xiàn)在可以將構(gòu)建的整個(gè)系統(tǒng)導(dǎo)出到有限元分析（FEA）軟件，開始STOP分析。

圖 5.最終光學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)的光線追跡仿真

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借助OpticsBuilder，可以縮小光學(xué)工程與機(jī)械工程之間的文件形式差異。通過簡化、直觀的工作流程，工程團(tuán)隊(duì)可以更高效地應(yīng)對(duì)光機(jī)械設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)。