高级立方体卫星系统开发与分析：Ansys软件套件的应用

引言

立方体卫星，因其标准化尺寸和成本效益而成为太空光学系统的一种广泛采用的解决方案。它们通过提供一系列低成本、易于制造的模块化系统，为太空产品生产线带来了前所未有的灵活性和效率。本文旨在介绍如何利用Ansys软件套件的集成工具集，高效率地进行立方体卫星光学系统的设计、分析以及封装过程。我们将深入探讨如何运用Ansys Zemax OpticStudio实现立方体卫星系统的高级开发，特别强调设计、优化和验证流程。

立方体卫星设计背景与应用

立方体卫星最早基于加州州立理工大学与斯坦福大学空间系统开发实验室（SSDL）合作的标准制定出现。这些卫星基于边长为10厘米的标准构建块（1U），可灵活拓展以适应不同尺寸和功能需求。低、中、高轨道应用中，立方体卫星因其轻巧与模块化的特性，广泛应用于激光通信、地球成像等领域。我们的设计聚焦于满足尺寸为10 x 10 x 30厘米（3U立方体尺寸）的近地轨道（LEO）高分辨率地球成像任务。

光学设计的核心组件与要求




所设计的是基于 RitcheyChretien 的离轴分段反射式望远镜，主要由两个矩形双曲面镜构成，尺寸为80 x 80毫米和41 x 24毫米。该设计需满足F/=12.455，有效焦距为685mm，并确保容纳1280 x 800像素的探测器，每个像素为3 x 3微米（μm），实现简单收字功能于方寸之间。

Ansys软件在立方体卫星系统开发中的应用


系统初步设置与元件导入

通过在Ansys Zemax OpticStudio中设置全局系统参数，并利用镜头数据编辑器准确导入光学元件的规格数据，实现系统的初步布局设计。

优化与偏心校正

借助序列模式，确保反射镜在离轴位置上偏心正确，从而校正像面位置，并通过坐标断点实现偏心调整。利用主光线信息求解Y偏心测量值，确保像面准确设置于全局光轴交叉点。

设计验证与优化

在实施多次优化运行后，精确微调每个表面的半径和厚度，确保系统达到预期的性能指标。此外，通过监测总体长度及考虑各表面的光线渐晕情况，对优化过程进行持续监控，确保设计方案符合3U立方体卫星的尺寸限制要求，并最终实现集合性参数上的优化，如光斑尺寸和调制传递函数（MTF）的规范化要求。

封装尺寸与温度考虑

通过调整反射镜的厚度至18毫米和15毫米，以适应封装尺寸要求和温度条件变化，确保光学元件在15℃ ± 3℃的工作温度下性能稳定。