インターナショナルウーマン&ガールズデーにちなんで、NASA が最近打ち上げたジェームズ・ウェブ宇宙望遠鏡に 10 年間携わり、2016年に Zemax に入社した Erin Elliottにインタビューしました。彼女は現在、当社の主席研究開発エンジニアであり、アプリケーション開発エンジニアリングの光学マネージャを務めています。ここでは、その歴史的なプロジェクトで Zemax OpticStudio を使用した彼女の最新情報をお届けします。

著者: Erin Elliott, Principal R&D Engineer – Optical Manager, Application Development Engineering - Zemax an Ansys Company

ジェームスウェブ宇宙望遠鏡（JWST）の仕事は、私の航空宇宙と光学設計のキャリアにおいて形成的なステージとなりました。他の多くの人と同じように、私も昨年 12 月 25 日の午前 4 時に起きて、歴史の目撃者となりました。上段のカメラが、展開された太陽電池パネルに反射する最初の太陽光を捉えました。

その興奮は、現在の私の日々のプロジェクトにも活かされています。Zemax で働く今、私はお客様が数々の壮大な研究に注ぐ努力と情熱、そしてお客様が成功するために必要なソフトウェアとハードウェアの能力に関する独自の視点に特別な感心を抱いています。また、JWST での経験がなければ、エンジニアが必要とするソフトウェアツールの開発にこれほど情熱を注げなかったでしょう。

ハッブル望遠鏡の 2.5 倍以上という世界最大の望遠鏡の鏡を設計・配備

JWST の特徴は、金でコーティングされた 18 個の超軽量ベリリウム製セグメントで構成された複雑な多面ミラーにあります。打ち上げ後に展開されたセグメントは、現在、全長 6.5 メートル（約 21 フィート）の 1 つの鏡として機能するように調整されています。この宇宙での組み立てコンセプトは、この種の望遠鏡の設計の中心的なもので、これまでの装置よりもはるかに多くの光を集めることができます。また、星がどのように惑星系になるかの観測、惑星系の物理的・化学的特性の測定、銀河の形成と進化の解析、ビッグバン後に最初にできた銀河や発光体の探索など、JWST のミッション目標を達成するために必要な高いレベルの分解能と詳細を実現することができるのです。

JWST では、主ミラーの位置合わせに使用するソフトウェアの設計とテストに Zemax OpticStudio を使用し、位置合わせ工程を支援する搭載近赤外線カメラ NIRCam のハードウェアの設計と構築に携わりました。

図1. JWST ミラーシステムの 4 段階の展開プロセスを示しており、右下に展開後の望遠鏡があります。写真提供：NASA

先月 2 日間にわたり、地上管制クルーはセグメントを広げ、最終的なアライメントを行うための位置決めを行いました。1 週間前の時点で望遠鏡は十分に冷却され、クルーはセグメントのアライメントプロセスに使用する画像を返す NIRCam の電源を入れました。現在 JWST は、カスタム波面検出制御  (WFSC)  ソフトウェアを使用して、個々のミラーセグメントのアライメントと制御を開始しています。これらの準備が整い、予備試験がすべて終了すれば、JWST 賞の選考委員会からアクセス権を与えられた研究チームが望遠鏡を使用する準備が整います。

図2. JWST の設計と試験で使用した光学系テストベッドにある 18 枚のミラーセグメントの1/6スケールモデルです。写真提供：NASA

航空宇宙開発の未来とシミュレーションが果たす重要な役割

NASA に "Test as you fly" という言葉があります。これは、設計や製造を行う際には、可能であれば実際に体験する飛行条件下でテストを行うべきだというものです。しかし、JWST は大きすぎるため一度にテストすることはできないため、分割してテストする必要がありました。そのため、ソフトウェアベースのシミュレーションは、このプロセスにおいて非常に重要でした。その結果、軌道上の条件に対してモデルが正しい答えを出しているという確信が得られました。

WFSC ソフトウェアでは、フライトシステムを小型化したテストベッド望遠鏡を作りました。テストベッドとフライトシステムは、OpticStudio でモデル化しました。このモデルを使って、WFSC の各工程を検討し設計しました。そして、テストベッドで各ステップを試すことができたのです。また、テストベッドの結果を飛行条件に変換するために OpticStudio のモデルを使用し、飛行モデルを使用して各アライメントステップの統計的予測を作成し、アライメントの各ステップにおける主星の状態について、良い場合と悪い場合のシナリオを把握することができました。これらのシミュレーションにより、軌道上でのアライメントが期待通りに進むという確信が得られました。

航空宇宙研究が進化を続ける中で、シミュレーションの重要性は増すばかりです。NASA むかうちが「民間宇宙は次にどこへ向かうのか」という問いを考え続けていると、JWST の挑戦はこれから起こることの 1 つの兆しに過ぎないことが分かります。望遠鏡の大きさは益々大きくなり、地上ではなく宇宙で組み立てる必要が出てくる場合、複数の部品に分け宇宙へ送り出さなければなりません。Zemax ソフトウェアのシミュレーション機能を進化させ続けることで、科学的発見や NASA のようなチームのニーズと歩調を合わせて、より大規模でより良いものを作り続けることができるのです。

Zemax : お客さまが必要とするものを提供するために日々努力を重ねる

困難な課題を克服することは、結果的に将来の課題を克服するための新しいアイデアを生み出す道となります。JWST での私の経験は、次世代光学シミュレーションソフトウェアの開発という Zemax のミッションに生かされています。JWST で行った厳密なシミュレーションと検証のサイクルは、全て Zemax 社で行われているのです。私の仕事、そして Zemax の仕事は、科学者、設計者、エンジニアがそれらをより簡単に、より利用しやすくすることなのです。

昨年リリースした　OpticStudio STAR　モジュールはその一例です。JWST　では、無重力で動作温度 40K のシステムに対して、熱や構造的な負荷を正しくモデル化することが非常に重要でした。STOP 分析の結果を光学モデルに簡単に取り込むことができるソフトウェアツールがあれば最高でした。STAR モジュールは、光学設計チームが迅速かつ容易に構造および熱変形を光学系に反映させ、性能への影響を確認することを可能にします。

この仕事の醍醐味は、お客さまが OpticStudio のどのような機能を利用していて、どのような機能の追加を希望しているか、といった話を聞けることです。JWST で STOP 分析の切実なニーズを直接お聞きし、STAR モジュールをお客様にお届けできたことは本当に喜ばしいことでした。また、企業としての使命も飛躍的に向上しました。その目標に向かって日々努力しています。本当に素晴らしい職場です。

JWST のミラーシステムの設計について、Erin Elliott 氏の2017年インタビューの全文を読むことができます。

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