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2015-08-05
前言
台灣從1994年起,與美國公司開始合作設計並製造自有之人造衛星，並於1999年1月成功發射福爾摩沙一號衛星，於2004年除役。 之後陸續於2004年及2006年分別發射福爾摩沙二號及三號衛星。2010年福爾摩沙五號已完成設計審查，目前等待發射中。 福爾摩沙五號將第一次搭載由台灣自行研發設計之光學儀器酬載。
目前台灣的衛星研發已進入福爾摩沙八號。福衛八號承襲福衛五號經驗，將搭載自行研發設計之光學儀器酬載。 其中光機整合由國家儀器科技研究中心主導，委由國立中央大學機械系陳怡呈老師之"光機設計實驗室"進行部份研究。該實驗室的任務之一為針對主鏡結構進行減重。 為達此具挑戰性任務，中央機械團隊使用SmartDO成功地對主鏡達到突破性的改進。
遙測酬載模組
衛星酬載遙測取像儀用於地表觀測，需承受高真空、高溫差、重力、15 G發射重力加速度、振動等嚴苛環境； 因此在取像儀光學系統的設計中，不只考慮光學品質的要求，亦需考慮其機械結構是否能承受惡劣的工作環境。 圖 1及圖 2為福爾摩沙衛星五號上遙測酬載模組外觀。(圖片引用自"泛科學"網站(http://pansci.asia/archives/79898)
圖 1. 福爾摩沙衛星五號之遙測酬載模組外觀(1)
圖 2. 福爾摩沙衛星五號之遙測酬載模組外觀(2)
建構數值最佳化設計流程與模型
為了同時兼顧性能並將重量儘可能減到最輕，需要針對主鏡結構進行最佳化設計。為達到此艱難任務，開發團隊選用SmartDO為其最佳化設計與整合之工具與平台。 在SmartDO平台上，研發團隊串聯電腦輔助設計、有限元素分析軟體，針對主鏡重要特徵尺寸進行最佳化設計;最佳化內容包含: 輕量化、維持剛性、良好光學品質。
圖 3為研發團隊在SmartDO上所建立的最佳化設計流程，包含了SOLIDWORKS, ANSYS以及SmartDO的無縫整合。在此架構下，由於SmartDO採用直接搜尋法， 用戶並無需進行參數敏感度分析的手續。只要輸入設計條件，如尺寸上下限，應力與勁度之要求等，SmartDO即可趨動CAD與CAE自動進行最佳化設計。 用戶可以因此將更多資源投注其他工程設計任務上，以尋求更佳之設計。
圖 3. SmartDO，SOLIDWORKS及ANSYS之整合最佳化設計流程
主鏡結構最佳化設計與分析
本計劃之遙測酬載主鏡，參考THALES SESO針對PLEIADES–KORSCH TELESCOPE太空計畫所設計之主鏡結構六角形邊框設計(圖 4.)，在主結構下方採用蜂巢狀圖樣作支撐之次結構。 此外亦參考REOSC所製造的SOFIA衛星主鏡，藉由其飛扶壁結構減少主鏡邊緣因為懸臂樑效應所產生的變形(圖 5.)。整體結構物共以12個幾何參數做為設計變數，如圖 6所示為初步 最佳化設計所用之幾何外觀。
圖 4. KORSCH TELESCOPE主鏡結構
圖 5. SOFIA衛星主鏡與飛扶壁結構
圖 6. 新型主鏡最佳化設計變數(初步設計)
圖 6之12個設計變數包括主結構、主鏡邊緣的飛扶壁結構、蜂巢狀結構內接圓直徑深度。主鏡結構之外力為重力加速度與拋光壓力。 結構在不同外力條件下，特定方向及位置之變形需小於容許值。其最佳化設計之數學模式如下所示
- 設計變數 :
- 圖 6之幾何尺寸DS1~DS12
- 目標函數 :
- 最小化體積
- 限制條件 :
- 變形小於容許值(在不同外力條件及不同位置與變形方向)
SmartDO為酬載主鏡大幅減重
使用SmartDO進行最佳化設計時，用戶無需經過冗長之參數敏感度探討，流程整合完畢並設定好設計條件後即可進行全自動之最佳化設計。 上述之最佳化設計問題經SmartDO計算後，重量由9.8kg減至8.8kg。經有限元素法結構分析，其各項性能指標接不小於原設計。導入SmartDO無疑 地協助福爾摩沙衛星在設計有更進一步的突破。基於此初步設計，研究團隊確認減重之可行性，也將延續此經驗，並作為進一步設計改進之重要基礎。
參考文獻
詹佳諺，黃柏愷，游振廷，陳怡呈，黃鼎名，"遙測酬載主鏡減重之最佳化研究"，第十七屆全國機構與機器設計學術研討會，2014年11月，台灣、台中。
