Usando Ansys Zemax para desarrollar un sistema CubeSat (Parte 1)
En la industria aeroespacial, los CubeSats han surgido como una solución de bajo coste y fácil fabricación para sistemas ópticos basados en el espacio. Ofrecen una oportunidad única para desarrollar una línea de producción de productos espaciales mediante constelaciones de sistemas más pequeños y asequibles.
Las empresas que fabrican sistemas ópticos CubeSat necesitan un método preciso y fiable para desarrollar un diseño óptico, empaquetar opto-mecánicamente el sistema y modelar los impactos estructurales y térmicos que el sistema experimentará en órbita. Esta serie de artículos explicará el desarrollo a alto nivel de un sistema CubeSat utilizando las suites de software Ansys. Ilustraremos cómo un conjunto integrado de herramientas de software puede agilizar el flujo de trabajo de diseño y análisis.
Durante décadas, se han desarrollado sistemas ópticos para su funcionamiento en órbita terrestre baja, media y alta. Para muchos sistemas ópticos, el factor de forma del embalaje y la opto-mecánica derivada de este factor de forma se diseñaban sistema por sistema. Los CubeSats son una clase de nanosatélites ligeros que pueden albergar sistemas ópticos para aplicaciones que van desde las comunicaciones por láser hasta la obtención de imágenes de la Tierra. Son únicos en el sentido de que utilizan un tamaño y un factor de forma estandarizados.
Para esta serie de blogs, se ha utilizado el artículo Optical Design of a Reflecting Telescope for CubeSat (Diseño óptico de un telescopio reflector para CubeSat) como referencia para desarrollar el diseño óptico del CubeSat.1
En la primera parte de esta serie, explicaremos el factor de forma estandarizado CubeSat y cubriremos los detalles de fondo de la construcción de un sistema óptico CubeSat en el modo secuencial de Ansys Zemax OpticStudio.
CubeSat Design Background
El formato CubeSat se basa en un estándar desarrollado originalmente en colaboración entre la Universidad Politécnica Estatal de California y el Laboratorio de Desarrollo de Sistemas Espaciales (SSDL) de la Universidad de Stanford2.
Los bloques de construcción de los sistemas CubeSat estándar son cubos de 1U -o una unidad- que miden 10 por 10 por 10 centímetros. Aunque un CubeSat 1U es el tamaño base, los CubeSats pueden construirse con un factor de forma mayor mediante la adición de más bloques de construcción 1U. El siguiente gráfico de la NASA ilustra los tamaños estandarizados de los CubeSat.3
El diseño óptico del CubeSat al que se hace referencia en esta serie de artículos es un telescopio reflector segmentado fuera del eje del tipo Ritchy-Chretian. El diseño está pensado para que quepa en un CubeSat estandarizado de 3U, es decir, de 10 por 10 por 30 centímetros. Para maximizar el campo de visión, el diseño consta de dos espejos hiperbólicos de forma rectangular. El espejo primario y los espejos secundarios tienen unas dimensiones de 80 por 80 milímetros y 41 por 24 milímetros, respectivamente.
Este diseño está pensado para funcionar como un generador de imágenes terrestres de alta resolución en órbita terrestre baja (LEO) a 700 kilómetros. El diseño tiene una longitud focal efectiva de 685 milímetros y está diseñado para trabajar en el espectro visible. En la longitud de onda primaria, el diseño tiene una distancia de resolución terrestre de 9,11 milímetros, lo que permite a los ingenieros del sistema obtener imágenes de dos objetos distintos que estén separados por al menos esa distancia. La distancia de resolución del suelo puede calcularse con la siguiente ecuación:
Tal y como se diseñó en OpticStudio, se supone que el CubeSat funciona a temperatura ambiente, pero en órbita se espera que la óptica funcione a una temperatura operativa de 15 grados centígrados, más o menos 3 grados. El detector de este sistema tiene una matriz activa de 1.280 por 800 píxeles, con cada píxel de 3 por 3 micrómetros (μm). Esto permite un área total de imagen de 3,84 por 2,4 milímetros.
Las principales métricas de rendimiento de este diseño son conseguir un tamaño de punto limitado por difracción en cada punto del campo y lograr una función de transferencia de modulación (MTF) de 0,25 a 80 ciclos por milímetro. Estas métricas se tomaron del mismo documento en el que se basó este diseño.
Diseño de la óptica en modo secuencial
A partir de la prescripción de diseño, se establecieron los parámetros globales del sistema en el Explorador de sistemas y se insertaron las ópticas con las especificaciones adecuadas en el editor de datos de lentes.
Aunque el diseño final contiene espejos con aberturas rectangulares, en la primera fase del diseño se mantuvo la forma circular de los espejos. Al mantener la forma circular de los espejos se evita que la optimización se vea excesivamente limitada al principio del proceso. Para colocar los dos espejos fuera del eje, se descentraron con respecto al eje óptico global. Debido a esto, aunque los rayos son capaces de enfocar en el lugar correcto, el plano de la imagen está desplazado respecto a los rayos. En esta fase, el plano de la imagen flota cerca de la parte superior del espejo primario y está alineado con el eje óptico global del sistema de coordenadas.
Para llevarlo a la ubicación correcta, el plano de la imagen necesita ser descentrado con una ruptura de coordenadas. Utilizando un rayo principal resuelto en la medida Decentro Y, la superficie de la imagen se alinea con el rayo principal real. El plano de la imagen está ahora correctamente posicionado.
Una vez finalizado el diseño básico, puede comenzar la optimización. Para preservar la F/# de 12,455 del sistema, se utilizó un operando de distancia focal efectiva (EFFL) en la función de mérito para apuntar a 685 milímetros junto con una función de mérito por defecto de tamaño del punto cuadrático medio (RMS). Se realizaron múltiples ejecuciones de optimización en las que se optimizaron iterativamente los radios de cada superficie y los espesores.
Dado que el espacio es limitado en un sistema CubeSat, es fundamental prestar especial atención a la longitud total de la pista del sistema y a las zonas en las que se viñetean los rayos. La longitud total de la pista para este diseño es de 19,5 centímetros con 2U de espacio dedicado a la óptica. La 1U de espacio restante se dedica a la electrónica del sistema. La longitud total de la pista puede controlarse mediante la función de mérito utilizando un operando de grosor (TTHI) entre el STOP y el plano de la imagen.
Tras comprobar que el diseño se ajustaba a las limitaciones de tamaño de un CubeSat de 3U y asegurarse de que el rendimiento era el esperado tras la optimización, se ajustaron los espejos para que fueran rectangulares. Se ajustaron a la forma adecuada aplicando aperturas rectangulares.
Tras ajustar la configuración de la apertura, se descubrió que el espejo secundario estaba recortando parcialmente el haz de rayos entrante. Con un mayor descentramiento de la apertura del espejo secundario, los resultados fueron favorables. Tras el ajuste, se utilizó el diagrama de huella para verificar que la huella completa del haz alcanzaba todas las superficies críticas del sistema.
En esta fase, el diseño se ha trazado en OpticStudio, se ha optimizado y se ha ajustado para que quepa en un CubeSat de 3U.
El tamaño del punto está limitado por difracción en todos los puntos del campo y la MTF cumple la especificación de 0,25 a 80 ciclos por milímetro. Dado que el rendimiento óptico cumple los requisitos, se aumentaron los grosores de los espejos como actualización final del modelo base. Si los espejos siguen siendo tan delgados como 5 milímetros, esto podría causar problemas en el futuro al aplicar una condición de temperatura a través de la óptica. En la pestaña Dibujo del menú Propiedades del objeto, el grosor se ajustó a 18 milímetros y 15 milímetros para los espejos primario y secundario, respectivamente.
