Dalam industri kedirgantaraan, CubeSats telah muncul sebagai solusi berbiaya rendah dan mudah diproduksi untuk sistem optik berbasis ruang angkasa. Mereka menawarkan peluang unik untuk mengembangkan pendekatan lini produksi untuk produk berbasis luar angkasa melalui konstelasi sistem yang lebih kecil dan lebih terjangkau.
Perusahaan yang memproduksi sistem optik CubeSat memerlukan metode yang akurat dan andal untuk mengembangkan desain optik, mengemas sistem secara opto-mekanis, dan memodelkan dampak struktural dan termal yang akan dialami sistem di orbit. Seri artikel ini akan menjelaskan pengembangan sistem CubeSat tingkat tinggi dengan menggunakan rangkaian perangkat lunak Ansys. Kami akan mengilustrasikan bagaimana perangkat lunak terintegrasi dapat merampingkan alur kerja desain dan analisis.
Selama beberapa dekade, sistem optik telah dikembangkan untuk operasi di orbit Bumi rendah, sedang, dan tinggi. Untuk banyak sistem optik, faktor bentuk kemasan dan opto-mekanik yang berasal dari faktor bentuk ini dirancang berdasarkan sistem demi sistem. CubeSats adalah kelas satelit nano ringan yang dapat menampung sistem optik untuk aplikasi mulai dari komunikasi laser hingga pencitraan Bumi. Mereka unik karena menggunakan ukuran dan faktor bentuk standar.
Untuk seri blog ini, paper Optical Design of a Reflecting Telescope for CubeSat digunakan sebagai referensi untuk mengembangkan desain optik CubeSat.1
Pada bagian pertama dari seri ini, kami akan menjelaskan faktor bentuk CubeSat standar dan membahas detail latar belakang pembuatan sistem optik CubeSat dalam mode Sequential Ansys Zemax OpticStudio.
Faktor bentuk CubeSat didasarkan pada standar yang awalnya dikembangkan sebagai upaya kolaborasi antara California Polytechnic State University dan Space Systems Development Laboratory (SSDL) Stanford University.2
Blok bangunan untuk sistem CubeSat standar berada dalam 1U — atau satu unit — kubus yang berukuran 10 kali 10 kali 10 sentimeter. Sementara CubeSat 1U adalah ukuran dasar, CubeSats dapat dibuat menjadi faktor bentuk yang lebih besar melalui penambahan lebih banyak blok penyusun 1U. Grafik berikut dari NASA memberikan ilustrasi ukuran CubeSat standar.3
Gambar 1. Ukuran CubeSat standar per NASA.
Desain optik CubeSat yang dirujuk dalam seri artikel ini adalah teleskop reflektif tersegmentasi di luar sumbu dari jenis Ritchy-Chretian. Desain dimaksudkan agar sesuai dengan faktor bentuk 3U CubeSat standar, atau 10 kali 10 kali 30 sentimeter. Untuk memaksimalkan bidang pandang, desainnya terdiri dari dua cermin hiperbolik yang berbentuk persegi panjang. Cermin utama dan cermin sekunder masing-masing memiliki dimensi 80 kali 80 milimeter dan 41 kali 24 milimeter.
Desain ini dimaksudkan untuk berfungsi sebagai pencitra Bumi beresolusi tinggi di orbit Bumi rendah (LEO) pada jarak 700 kilometer. Desainnya memiliki panjang fokus efektif 685 milimeter dan dirancang untuk bekerja dalam spektrum yang terlihat. Pada panjang gelombang primer, desain memiliki jarak penyelesaian tanah 9,11 milimeter yang memungkinkan insinyur sistem untuk mencitrakan dua objek berbeda yang jaraknya setidaknya sejauh itu. Jarak penyelesaian tanah dapat dihitung dengan persamaan berikut:
Seperti yang dirancang di OpticStudio, CubeSat diasumsikan beroperasi pada suhu ruangan, tetapi di orbit, optik diharapkan bekerja pada suhu operasi 15 derajat Celcius, plus atau minus 3 derajat. Detektor untuk sistem ini memiliki susunan aktif 1280 x 800 piksel, dengan setiap piksel berukuran 3 x 3 mikrometer (μm). Ini memungkinkan area pencitraan total 3,84 kali 2,4 milimeter.
Metrik kinerja utama untuk desain ini adalah untuk mencapai ukuran titik terbatas difraksi pada setiap titik lapangan dan untuk mencapai fungsi transfer modulasi (MTF) sebesar 0,25 pada 80 siklus per milimeter. Metrik ini direferensikan dari makalah yang sama yang menjadi dasar desain ini.
Berdasarkan resep desain, parameter sistem global ditetapkan di System Explorer, dan optik dimasukkan dengan spesifikasi yang tepat di editor data lensa.
Gambar 2. Resep optik awal.
Meskipun desain akhir berisi cermin dengan bukaan persegi panjang, tahap pertama desain memiliki cermin yang mempertahankan bentuk lingkaran. Mempertahankan bentuk lingkaran cermin mencegah pengoptimalan menjadi terlalu dibatasi pada awal proses. Untuk memposisikan kedua cermin di luar sumbu, kedua cermin didesentralisasi sehubungan dengan sumbu optik global. Oleh karena itu, meskipun sinar mampu memfokus pada lokasi yang benar, bidang bayangan diimbangi dari sinar. Pada tahap ini, bidang gambar mengambang di dekat bagian atas cermin utama dan disejajarkan dengan sumbu optik global dari sistem koordinat.
Figure 3. Incorrect image plane location.
Untuk dibawa ke lokasi yang benar, bidang gambar perlu didesentralisasikan dengan jeda koordinat. Menggunakan pemecahan sinar utama pada pengukuran Decenter Y, permukaan gambar disejajarkan dengan sinar utama yang sebenarnya. Bidang gambar sekarang diposisikan dengan benar.
Gambar 4: Chief ray solve.
Dengan penyelesaian tata letak dasar, pengoptimalan sekarang dapat dimulai. Untuk mempertahankan F/# sistem sebesar 12,455, operan panjang fokus efektif (EFFL) digunakan dalam fungsi merit untuk menargetkan 685 milimeter bersama dengan fungsi merit default ukuran titik root mean square (RMS). Operasi pengoptimalan berganda dilakukan di mana jari-jari setiap permukaan dan ketebalan dioptimalkan secara iteratif.
Karena ruang terbatas dalam sistem CubeSat, sangat penting untuk memperhatikan total panjang lintasan sistem dan area untuk vinyet sinar. Total panjang lintasan untuk desain ini adalah 19,5 sentimeter dengan ruang 2Us yang dikhususkan untuk optik. Ruang 1U yang tersisa dikhususkan untuk sistem elektronik. Total panjang lintasan dapat dipantau melalui fungsi merit dengan menggunakan operan ketebalan (TTHI) antara STOP dan bidang gambar.
Setelah memverifikasi bahwa desain akan sesuai dengan batasan ukuran CubeSat 3U dan memastikan bahwa kinerja sesuai harapan setelah pengoptimalan, cermin disesuaikan menjadi persegi panjang. Mereka disesuaikan dengan bentuk yang tepat dengan menerapkan lubang persegi panjang.
Figure 5. Rectangular aperture.
Setelah menyesuaikan pengaturan apertur, diketahui bahwa cermin sekunder memotong sebagian bundel sinar yang masuk. Dengan lebih lanjut mendesentralisasi bukaan cermin sekunder, hasilnya menguntungkan. Setelah penyesuaian, diagram tapak digunakan untuk memverifikasi bahwa tapak balok penuh mencapai setiap permukaan kritis sistem.
Figure 6. Clipping of the beam.
7. Footprint diagram of mirror one (left) and mirror two (right).
Pada tahap ini, desain telah ditata di OpticStudio, dioptimalkan, dan disesuaikan sedemikian rupa sehingga sesuai dengan faktor bentuk 3U CubeSat.
Ukuran titik difraksi terbatas pada semua titik medan, dan MTF memenuhi spesifikasi 0,25 pada 80 siklus per milimeter. Dengan persyaratan pertemuan kinerja optik, ketebalan cermin ditingkatkan sebagai pembaruan terakhir untuk model dasar. Jika kaca spion tetap setipis 5 milimeter, hal ini dapat menyebabkan masalah saat menerapkan kondisi suhu di seluruh optik. Di tab Draw dari menu Object Properties, ketebalan disesuaikan menjadi 18 milimeter dan 15 milimeter untuk cermin primer dan sekunder.
ACA Pacific Indonesia Merupakan Distributor Resmi Ansys di Indonesia. ACA Pacific adalah Perusahaan Distribusi Nilai Tambah Regional yang didirikan sejak 1986. Melayani wilayah Asia-Pasifik selama lebih dari 30 tahun, keahlian kami adalah dalam memilih dan mengintegrasikan perangkat lunak dan perangkat keras “Best-of-Breed” untuk memenuhi dinamika bisnis yang terus berubah.
Di ACA Pacific, kami menawarkan produk dengan teknologi canggih untuk memberikan hasil terbaik bagi pelanggan kami. Dari kecerdasan buatan, perangkat lunak desain, jaringan dan server, penyimpanan dan cadangan, komunikasi terpadu, hingga komputasi awan, kami mencakup sebagian besar kebutuhan bisnis dengan solusi yang tepat. Untuk informasi lebih lanjut, silakan kunjungi aca-apac.com/id atau hubungi sales@acapacific.co.id
sumber : https://www.ansys.com/blog/designing-cubesats-with-ansys-zemax