今天的文章，让我们从一次哈勃事故说起：1990年4月24日, 耗资21亿美元的哈勃太空望远镜发射升空，但在两个月后，美国国家航空和航天局得到令人沮丧的消息，望远镜由于主镜的精密度出现了微乎其微（微米量级）的误差，造成了图像模糊。同时，望远镜太阳能电池板金属支架在地球阴影内外的温差幅度导致了其微颤，进而造成了图像的偏移。为此，美国航天局不得不花费3年时间，专门制定哈勃修复计划。1993年12月，7名宇航员搭乘“奋进”号航天飞机去拯救哈勃，这次修复耗资6亿美元。由于此次哈勃事故是因结构误差以及热变形造成了哈勃光学成像质量变差，这也推动了学术界以及工业界对光机热耦合的研究热潮。今天，我们将从哈勃事故出发，分享索辰光机拟合专业工具Somap软件的功能及其在光机热耦合中的应用。

图1 哈勃望远镜

图2 哈勃望远镜修复前后的对比图

1 索辰光机拟合专业工具的研发背景

    哈勃望远镜事故差一点让价值21亿美元的项目打了水漂，尽管哈勃最后得到了修复，但也为此增加了6亿美元的额外支出。为了防止类似事件再发生，专家对事故原因进行了深入研究，分析得到造成此次哈勃事故的两个技术点：

    （1）微小的变形可能导致成像质量变差。除了人为加工误差外，变形的影响因素有很多。例如空间仪器在升空过程中，由于超重的作用要承受较大的冲力，这些冲力作用会导致所携带的光学仪器结构变形；再如，光学仪器本身所承受的力量也会引起变形，而这些变形都可能会导致光学仪器的成像质量变差。

    （2）温差可能导致成像质量变差。由于空间热辐射的影响，太空中的向阳面和背阳面的温度相差比较大，这些温差会导致光学镜面的变形，温度导致的热应力会造成空间光学系统的器件发生热膨胀及形变，从而带来成像质量的变化。

    随着我国航天事业的快速发展，航天探测大型望远镜、相机设备成为航天研发的重点专项，我们如何避免哈勃事故的再次发生呢？引起哈勃事故发生的技术点必然也是光机热耦合仿真的研究重点。由于光学、结构、热学仿真的独立发展，数据不能有效地耦合和传递，光机热耦合问题一度成为了光电系统的技术痛点。

    为了解决光机热耦合过程中的痛点，索辰公司的技术团队经过潜心专研，最终研发出了具有自主知识产权的光机拟合工具Somap软件，实现了有限元分析工具、实测数据与光学分析工具的耦合分析。

图3 典型光机热耦合分析流程

2 索辰Somap软件的研发历程

    回顾索辰Somap软件的研发过程，可以划分为三个阶段：

    第一阶段：完成基础模块光机拟合，完成与索辰光机热协同仿真系统STOP的接口调用。

    第二阶段：求解器扩充，增加热光拟合、应力光拟合、应力双折射分析等高级模块，相较于第一阶段，核心算法更完善，拟合精度更高。

    第三阶段：求解器进一步扩充，增加了实验数据拟合，凸轮曲线拟合，全链路MTF计算等与制造相关的求解模块。

    通过这三个阶段的开发，Somap软件实现了有限元分析工具、实测数据与光学分析工具的真正耦合分析。

图4 Somap双镜望远光学系统案例

3 Somap多项式求解模块案例

    （1）多项式求解模块简介

    Somap多项式求解模块可以把有限元的变形结果拟合成各种多项式形式，导入到光学软件，并计算出残差RMSPV，计算其刚体运动，曲率变化，多形式系数等。支持球面，非球面，柱面等多种面型结果数据，支持泽尼克，非球面，XY，勒让德等多种多项式。

    （2）案例分析

    本案例选择一个双高斯镜头作为研究对象，双高斯镜头由于向阳面的影响，会持续受到80℃的热载荷作用。

    通过有限元软件计算双高斯镜头在某种工况下的变形，结果导入Somap显示如下，温度影响轴向误差RMS量级为10^-3mm。

图5 高斯镜头温度影响的位移云图

    经过Somap计算后的残差显示如下。

图6 高斯镜头拟合后残差云图

    通过使用Somap进行拟合，可以看出残差减少3个量级，生成光学文件即可分析温度变形对光学的影响。

4 结语

    Somap作为一款国产软件，不仅知识产权自主可控，而且算法可加入实际测量数据，保障精度。同时，Somap软件还可定制化，即根据客户需要定制开发。此外，Somap软件还具有界面友好，可显示模型等优点。经过多年的发展，Somap已经成为光机热耦合的核心求解器，并与索辰光机热协同仿真系统STOP结合，形成完整的光机热解决方案。