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在航空航天工业领域中，立方体卫星（CubeSats）已然是一种低成本、易制造的天基光学系统的解决方案。通过制造一组更小、更实惠的系统，使得为天基产品开发生产线方法成为可能。
立方体卫星光学系统的制造商们需要一个准确并可靠的方法来开发光学设计和对系统进行光机封装，以及对系统在轨时的结构和热影响进行建模分析。本系列文章将利用Ansys Zemax和Ansys其它软件，对立方体卫星系统进行高级开发。我们将介绍一个集成的软件工具包是如何精简设计和分析工作流程的。
作者：Jordan Teich & Flurin Herren 合作翻译：武汉宇熠 - 刘博
简介
几十年来，光学系统已被开发用于低、中、高地球轨道运行。对于许多光学系统来说，封装的外形约束和源于这种约束的光机设计都是经过逐个系统设计验证得到的。立方体卫星是一类轻型纳米卫星，可以容纳从激光通信到地球成像等应用领域的光学系统，其独特之处在于，它们采用了标准化的尺寸和外形约束。
在本系列文章中，我们在开发立方体卫星光学设计时参考的论文是Optical Design of a Reflecting Telescope for CubeSat1。
在本系列的第2部分中，我们将光学设计转换至非序列模式，并演示将光学系统导入OpticsBuilder的过程。然后，我们将演示如何使用OpticsBuilder来建立方体卫星的光机结构，并讨论在考虑立方体卫星外形尺寸约束的条件下如何安装光学器件。
使用非序列模式为 OpticsBuilder 做准备
许多光学系统可以直接从OpticStudio的序列模式导出到OpticsBuilder环境中。将光学设计从序列模式导入到OpticsBuilder时，“OpticsBuilder文件准备”工具会在其保存为ZBD文件之前，自动将光学设计转换为非序列模式。但是，如果文件在非序列模式中不能顺利的进行光线追迹，则模型可能转换失败。由于立方体卫星设计的特殊性质，此编辑过程必须在非序列中手动实现。
在此设计中，光线需要通过主镜底部的开孔到达像面。由于序列模式中无法针对这种情况设置开孔，因此转换至非序列后，光线无法追迹到非序列模式中的像面上。
图1：导入非序列模式后的初始状态
由于非序列模式下光线追迹的性质并且反射镜仍是一个实体，光线会从主镜上反射回来。我们可以使用原生布尔物体类型运用布尔逻辑来创建一个开孔。您可以在以下知识库文章中阅读有关原生布尔物体和如何使用它的更多相关信息：How to use the Boolean CAD, Boolean Native and Compound Lens objects, and the Combine Objects tool。
从布尔逻辑运算的角度，我们可以将一个圆柱体物体与主镜的一部分重叠。然后通过原生布尔物体就可以生成一个有着圆柱体开孔的主镜。这样主镜上就会有一个半圆形的开孔，允许光线追迹到像面而不被阻挡。
图2：实现主镜开孔
主镜开孔后，基础的光学设计部分就已完成。为了验证从序列模式导出后光学系统性能没有改变，可以在非序列模式中使用探测器查看器来查看每个视场点的光斑尺寸。在使用“转换为NSC组”工具将模型转换至非序列时，软件会生成与序列模式下像面上的视场点相对应的非序列光源和探测器。执行光线追迹并分析每个探测器上的光斑，将生成的光斑的形状和尺寸与序列模式下的点列图的分析结果进行对比。
以下面的图片为例，是序列模式下视场1（轴上）的光斑与在非序列模式下探测器查看器上生成光斑的大小和形状进行对比。
图3：序列（左）vs非序列（右下）光斑大小
对于轴上视场，我们很容易地比较了两种模式之间的光斑尺寸。非序列模式下的光斑尺寸可以通过探测器查看器底部的“光斑信息”选项卡来确认。另外请注意，在序列模式下的点列图中的单位是um，而对于非序列探测器查看器，单位则是mm。按照这种方法，我们依次对比每一个视场点的光斑形状和尺寸。最终，比较完所有视场点在两种模式下的RMS光斑半径的偏差最大为0.14um。现在我们可以认为光学设计已经成功地从序列模式转换为非序列模式，并且在非序列模式下修改后的系统性能保持不变。
将光学设计导入到OpticsBuilder
在OpticStudio中完成光学设计后，我们就可以开始着手光机结构和立方体卫星的外部封装的研发了。由于立方体卫星系统的外形的标准，尺寸上的限制成为光机结构设计的主要考虑因素。此光学系统设计适用于3U立方体卫星的外形尺寸，因此留给光机结构的空间非常有限。并且还要考虑到，虽然光机结构可以对光学系统起到安全防护的作用，但其本身会在设计中引入应力的影响。
首先，我们需要将光学系统导入到CAD环境中，在这里我们使用的软件是Creo Parametric 4 。“OpticsBuilder文件准备”工具是OpticStudio的自带功能，可以准确的将光学设计直接导入到CAD环境中。
在将光学系统导入到CAD软件时，OpticStudio会将相关信息打包到ZBD文件中。为了将光学系统正确转换为与CAD兼容的ZBD文件格式，“OpticsBuilder文件准备”工具会自动为用户自完成一些操作。您可以在以下知识库文章中了解有关“OpticsBuilder文件准备”工具的更多信息:Prepare for OpticsBuilder。
由于光学设计此时已经处于非序列模式，所以生成原始ZBD文件的过程就省略了。在运行光线追迹之前，“OpticsBuilder文件准备”工具将确认所有物体对象都与目标 CAD 软件兼容。一旦ZBD文件导入OpticsBuilder，光线追迹的结果将作为一个重要的参考。
ZBD文件中包含了三个不同的系统度量标准的改变量：整体的光斑尺寸、光束遮挡、像面污染。将 ZBD 文件导入 OpticsBuilder 后，将使用保存的光线集执行模拟，以验证每个度量标准是否在用户允许的改变量内。这将确保导入后的光学系统的性能没有变化。下图展示了立方体卫星光学设计最初导入到CREO Parametric环境下的OpticsBuilder的结果。
图4：导入 OpticsBuilder 后的模拟结果
模拟完成后，我们看到三个度量标准都已满足，并且系统已经成功导入。现在，在OpticsBuilder中展示了完整的光学系统，可以根据需要修改设计并创建光机结构。对设计所做的任何更改都将保存到ZBD文件中。ZBD文件格式十分方便于在OpticStudio和OpticsBuilder之间传输文件。通过这种简化的工作流程，光学工程师和光机工程师可以直接对设计进行迭代调整。
立方体卫星设计的光机结构注意事项
在设计太空有效载荷时，需要考虑在轨工作温度、有效载荷以及在发射过程中将经历的振动等因素。在本例中，工作温度是我们在设计时主要考虑的因素。
在设计在近地轨道上运行的光机结构时，光机结构和光学器件将受到温度波动的影响。由于立方体卫星有效载荷在轨道上会经历不同的温度，光学系统和光机结构的膨胀和收缩会降低光学性能。因此，应仔细考虑反射镜基板和光机结构的材料选择，以尽量减少CTE不匹配。由此导致的光学性能的下降可以在之后的建模步骤中使用FEA分析和OpticStudio STAR模块进行模拟评估。
对于太空有效载荷，杂散光的影响也是需要着重考虑的，我们可以在光机结构中加入挡板以减少杂散光。但是在本设计中，我们假设立方体卫星的太阳能电池板可以保护探测器免受大多数杂散光的影响，从而简化了设计。
此外，光机结构对光线路径的影响也是必须要考虑的。立方体卫星的外形尺寸较小，可用于光机系统结构的空间有限，这对我们的光机设计来说是一个挑战。光机结构设计的是否成功可以使用OpticsBuilder仿真工具进行评估。此功能将在CAD环境中运行光线追迹，并考虑所有相关的光机结构的影响。如果某些机械组件对结果不会产生影响，则可以利用 OpticsBuilder 中的Region of Interest功能在仿真时排除它们。然后我们可以重新计算在添加光机系统支撑结构之后的光斑尺寸、光束遮挡、像面污染的改变量，以分析由此导致的性能变化。如果这三个指标在先前设置的允许改变量范围内，则可以认为光机结构不会对光学性能产生不可接受的负面影响。这些设计注意事项是我们在建立此立方体卫星案例的最终光机结构时必须要考虑的。
立方体卫星光机结构设计
首先，我们设计立方体卫星的外部框架，为满足3U设计的标准外形尺寸约束，其中2U的空间用于光学设计和光机结构，最后1U的空间分配给电子设备和探测器。
为了设计立方体卫星的外部框架，这里采用了加州理工大学创建的规格图作为参考。
图5：3U立方体卫星的外部框架规格2
以此规格图为参考，在CREO Parametric软件中绘制3U立方体卫星的外部结构。下图显示的是不包含任何光学元件的外部框架。
图6：3U立方体卫星的外部框架
开发外部框架后，ZBD文件被放置在结构中。然后创建光机结构以固定光学元件并将它们与外部框架结合。综合考虑上述提到的注意事项，设计了如下的3U立方体卫星的光机结构。
图7：立方体卫星光机设计
主框架（上图中的C和B）由碳纤维（C）和36根铟钢棒（B）的组合制成，以防止整个系统膨胀。为了补偿反射镜在不同温度下的膨胀，光学元件用弹簧螺栓（D）固定。为了防止光束剪切，副镜使用角钢结构（A）固定。光机结构设计完成后，可以使用OpticsBuilder仿真工具直接在 CREO Parametric中测试这些组件对光学性能的影响。对于图8所示的最终仿真，整个模型被保护层包裹。
通过运行仿真，我们可以看到所有设计指标都已满足。在OpticsBuilder中完成光机结构模型的设计后，现在可以完全建好的系统导出到有限元分析（FEA）软件中。FEA软件可用于生成两个反射镜的结构形变数据集。最后，这些数据可以导出到OpticStudio的STAR模块进行进一步分析。
图8：最终光机模型的仿真
结论
在本文中，我们介绍了立方体卫星在导入非序列模式后如何验证其光学性能。然后演示了如何将最终的光学设计导入OpticsBuilder，并详细介绍了用于封装3U立方体卫星的光机结构。最后，我们详细介绍了如何在光机结构最终确定后使用OpticsBuilder仿真工具验证光学性能。
参考文献
- Jin H, Lim J, Kim Y, Kim S. Optical Design of a Reflecting Telescope for CubeSat. J Opt Soc Korea. 2013;17(6):533-537. doi:10.3807/josk.2013.17.6.533
- Cubesat Specification Drawings.; 2020. https://static1.squarespace.com/static/5418c831e4b0fa4ecac1bacd/t/621941d8e53eb916a609611d/1645822427304/CDS+Rev14_1+Drawings.pdf. Accessed May 19, 2022.