Uso de Ansys Zemax OpticsBuilder para generar la opto-mecánica de CubeSat (Parte 2)
En la industria aeroespacial, los CubeSats son una solución de bajo coste y fácil fabricación para sistemas ópticos espaciales. Esta serie de blogs explica cómo puede utilizarse el software Ansys Zemax para llevar un CubeSat desde su diseño óptico inicial hasta un paquete opto-mecánico listo para el análisis estructural-térmico-óptico-rendimiento (STOP).
Tras diseñar un sistema óptico, puede modelarse la opto-mecánica de la carga útil. Con Ansys Zemax OpticsBuilder en Creo Parametric, la exportación de un modelo óptico a un entorno de diseño asistido por ordenador (CAD) es ágil e intuitiva. OpticsBuilder introduce un modelo óptico en Creo generando geometría nativa para cada componente óptico. Con OpticsBuilder, las simulaciones ópticas también pueden ejecutarse directamente en Creo, limitando la necesidad de transferir un sistema óptico entre el diseño óptico y el software CAD. Esto permite aumentar la eficiencia de la ingeniería.
Exportación de diseños ópticos a OpticsBuilder
En la primera parte, se modeló el diseño óptico inicial para un CubeSat. Una vez completado el diseño óptico, es necesario diseñar la opto-mecánica para retener la óptica con las tolerancias adecuadas. Para integrar fácilmente la opto-mecánica en nuestro sistema, el diseño óptico puede exportarse desde Ansys OpticStudio a un entorno CAD mediante OpticsBuilder.
Para exportar el diseño óptico, utilice la herramienta Prepare for OpticsBuilder de OpticStudio. Una vez exportado, OpticStudio empaqueta toda la información relevante en un archivo .ZBD y automatiza algunas tareas. Para obtener más información sobre la herramienta Prepare for OpticsBuilder, lea el artículo de la base de conocimientos correspondiente en el sitio web de Ansys Zemax.
Esta herramienta confirma que todas las superficies y objetos del diseño óptico son compatibles con Creo antes de ejecutar un trazado de rayos para analizar el rendimiento del sistema. Los resultados de este trazado de rayos se utilizan como punto de comparación una vez que el archivo .ZBD se importa en OpticsBuilder. Cuando el archivo se importa en OpticsBuilder dentro de Creo, se realiza una segunda simulación ejecutando dinámicamente un nuevo trazado de rayos. Este trazado de rayos verifica que el rendimiento del sistema óptico importado no ha cambiado.
Consideraciones opto-mecánicas para el diseño de un CubeSat
A continuación, hay que diseñar la estructura externa y la opto-mecánica del CubeSat. Hay varias consideraciones a tener en cuenta durante esta sección del proceso de diseño, incluyendo:
- Limitaciones de tamaño de la carga útil
- Condiciones operativas de temperatura y presión en órbita
- Cargas de vibración experimentadas por la carga útil durante la puesta en órbita
- Expansión/contracción térmica resultante de la selección de materiales
- Diseño de deflectores para combatir la luz parásita.
- Garantizar que el diseño opto-mecánico no interfiere con la trayectoria del haz.
El conjunto de herramientas de simulación de OpticsBuilder y su capacidad para importar ópticas en CAD como geometría nativa permiten agilizar el flujo de trabajo del diseño opto-mecánico. La eliminación de la necesidad de transferir continuamente un diseño entre el software de diseño óptico y CAD para tareas específicas permite abordar estos retos de diseño con mayor eficiencia.
Diseño de la opto-mecánica del CubeSat
Para este ejemplo de flujo de trabajo de CubeSat, la opto-mecánica se diseñó con un factor de forma CubeSat estándar de 3 Unidades (U). 1 U de espacio equivale a 10 por 10 por 10 centímetros. El estándar CubeSat fue creado por el Laboratorio de Desarrollo de Sistemas Espaciales de la Universidad de Stanford y la Universidad Politécnica Estatal de California en San Luis Obispo. Puede encontrar más información sobre el estándar desarrollado aquí.
En primer lugar, el marco externo del CubeSat 3-U fue esbozado en Creo Parametric. La siguiente imagen muestra el marco externo sin ninguna óptica presente.
Una vez desarrollado el marco externo, el diseño óptico se alojó dentro de la estructura. A continuación se construyó la opto-mecánica para retener la óptica y acoplarla al marco externo.
Una vez finalizado el diseño opto-mecánico, el impacto de estos componentes en el rendimiento óptico puede simularse en Creo Parametric con la herramienta de simulación. Para la simulación final, el modelo opto-mecánico completo se cubrió con un blindaje de panel solar.
La simulación de trazado de rayos verificó que la opto-mecánica no tenía un impacto significativo en el rendimiento óptico. El sistema completo puede exportarse ahora al software de análisis de elementos finitos (FEA) para iniciar el análisis STOP.
Con OpticsBuilder, se ha acortado la distancia entre la ingeniería óptica y la ingeniería mecánica. Con un flujo de trabajo racionalizado e intuitivo, los equipos de ingeniería pueden ser más eficientes a la hora de afrontar los retos del diseño opto-mecánico.
