12月13日，我國(guó)綜合性太陽(yáng)探測(cè)專用衛(wèi)星“夸父一號(hào)”*批科學(xué)圖像發(fā)布。這批圖像實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)國(guó)內(nèi)外*次，并在軌驗(yàn)證了三臺(tái)有效載荷的觀測(cè)能力和先進(jìn)性。
下圖為FMG在軌觀測(cè)的局部單色像和磁圖（右邊）與懷柔地面全日面磁場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡對(duì)同一時(shí)間同一日面區(qū)域觀測(cè)的結(jié)果（左邊）對(duì)比。
下圖為FMG觀測(cè)到的2022年11月6日00:50:15UT局部縱向磁圖（右邊）與同一時(shí)間美國(guó)HMI/SDO觀測(cè)結(jié)果（左邊）的對(duì)比。
我國(guó)綜合性太陽(yáng)探測(cè)專用衛(wèi)星“夸父一號(hào)”——先進(jìn)天基太陽(yáng)天文臺(tái)（ASO-S）于2022年10月9日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射升空，開(kāi)啟對(duì)太陽(yáng)的探測(cè)之旅。作為中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專項(xiàng)之一的“夸父一號(hào)”衛(wèi)星，2017年上半年完成立項(xiàng)綜合論證后，經(jīng)歷18個(gè)月的方案設(shè)計(jì)階段、20個(gè)月的工程初樣階段和18個(gè)月的工程正樣階段，目前已發(fā)射到高度為720公里的太陽(yáng)極軌，設(shè)計(jì)壽命不少于4年，隨即衛(wèi)星和各單機(jī)按計(jì)劃依次開(kāi)機(jī)，此后進(jìn)入4至6個(gè)月的在軌測(cè)試。
“夸父一號(hào)”的科學(xué)目標(biāo)總結(jié)起來(lái)是“一磁兩暴”?！耙淮拧敝傅氖翘?yáng)磁場(chǎng)，“兩暴”指太陽(yáng)上兩類最劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象 — 耀斑爆發(fā)和日冕物質(zhì)拋射，即觀測(cè)和研究太陽(yáng)磁場(chǎng)、太陽(yáng)耀斑和日冕物質(zhì)拋射的起源及三者之間可能存在的因果關(guān)系。
“夸父一號(hào)”上共安排三個(gè)主要載荷：全日面矢量磁像儀(Full-disc vector Magneto Graph，簡(jiǎn)稱 FMG)用來(lái)觀測(cè)太陽(yáng)光球矢量磁場(chǎng)；太陽(yáng)硬X射線成像儀(Hard X-ray Imager，簡(jiǎn)稱 HXI)用來(lái)觀測(cè)太陽(yáng)耀斑非熱物理過(guò)程；萊曼阿爾法太陽(yáng)望遠(yuǎn)鏡(Lyman-alpha Solar Telescope，簡(jiǎn)稱 LST)主要用來(lái)觀測(cè)日冕物質(zhì)拋射的形成和早期演化。
FMG能夠?qū)θ彰娴奶?yáng)磁場(chǎng)進(jìn)行矢量測(cè)量。常規(guī)觀測(cè)的時(shí)間分辨率為2分鐘，在快速模式下，能夠在40秒鐘得到一幅全日面的矢量磁場(chǎng)?？梢蚤L(zhǎng)時(shí)間、不間斷地對(duì)日進(jìn)行觀測(cè)。
空間天文觀測(cè)中，由于衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)和其它控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)引起的望遠(yuǎn)鏡的抖動(dòng)，會(huì)造成觀測(cè)圖像的模糊。為了保證在足夠的曝光時(shí)間內(nèi)得到高信噪比、高分辨率的圖像，必須設(shè)計(jì)利用快速補(bǔ)償裝置實(shí)時(shí)穩(wěn)定光軸，減小和消除像移。在太陽(yáng)觀測(cè)的光路中，通過(guò)引入高剛性、高分辨率、響應(yīng)速度快、基于壓電陶瓷致動(dòng)的壓電快反鏡及配套驅(qū)動(dòng)控制器，與其它設(shè)備一起構(gòu)成“高精度穩(wěn)像系統(tǒng)”，使圖像穩(wěn)定度達(dá)到星載技術(shù)要求。二、“夸父一號(hào)”中的芯明天產(chǎn)品
芯明天的宇航級(jí)壓電快反鏡、壓電驅(qū)動(dòng)控制器作為FMG穩(wěn)像系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，產(chǎn)品經(jīng)過(guò)原理樣機(jī)、鑒定機(jī)、正樣機(jī)三個(gè)階段的多輪論證、評(píng)審與改進(jìn)；歷經(jīng)上星產(chǎn)品的環(huán)境試驗(yàn)、電磁兼容試驗(yàn)、可靠性試驗(yàn)；克服因**疫情所帶來(lái)的諸多不便，產(chǎn)品正樣于2022年4月正式交付。
下圖中為芯明天壓電快反鏡及壓電驅(qū)動(dòng)控制器。
壓電快反鏡（也稱壓電偏轉(zhuǎn)鏡）是指將PZT壓電陶瓷集成于機(jī)械柔性鉸鏈，再將除運(yùn)動(dòng)面外的其他整個(gè)結(jié)構(gòu)封裝進(jìn)機(jī)械外殼，從而能夠產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)產(chǎn)品。它將PZT壓電陶瓷的直線微米級(jí)（μm，1μm=0.001mm）的運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)換為機(jī)械部件的毫弧度級(jí)（mrad，17mrad≈1°）偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。反射鏡片安裝于壓電偏轉(zhuǎn)鏡的運(yùn)動(dòng)臺(tái)面上，壓電快反鏡運(yùn)動(dòng)臺(tái)面的偏轉(zhuǎn)帶動(dòng)反射鏡的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)壓電偏轉(zhuǎn)鏡的運(yùn)動(dòng)維度，一般可分為三類，即一維θx軸偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、二維θxθy偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、三維θxθy偏轉(zhuǎn)及Z向運(yùn)動(dòng)。θx偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)即是沿著X軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)。一維θx壓電偏轉(zhuǎn)鏡分為兩種結(jié)構(gòu)，一種為單個(gè)壓電促動(dòng)器驅(qū)動(dòng)、單鉸鏈支撐型，鉸鏈確定了軸心點(diǎn)，并加倍了作用于壓電促動(dòng)器的預(yù)緊力。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小巧、性價(jià)比高。另一種為雙壓電促動(dòng)器驅(qū)動(dòng)型，即由兩支陶瓷促動(dòng)器的推拉運(yùn)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)臺(tái)面偏轉(zhuǎn)，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可承載更大，不受工作環(huán)境溫度變化的影響。
二維壓電偏轉(zhuǎn)鏡是基于平行運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)，具有共面軸及移動(dòng)面。四個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)為四支壓電促動(dòng)器，以90°角平分放置，成對(duì)的差分控制分布。兩對(duì)差分驅(qū)動(dòng)壓電促動(dòng)器在較大溫度范圍內(nèi)提供最高可實(shí)現(xiàn)的角度穩(wěn)定性。它的偏擺運(yùn)動(dòng)是由兩對(duì)壓電促動(dòng)器以推拉模式來(lái)實(shí)現(xiàn)，采用橋式連接電路控制。
lll. 三維θx、θy偏轉(zhuǎn)及Z向壓電偏轉(zhuǎn)鏡三維壓電偏轉(zhuǎn)鏡是三腳驅(qū)動(dòng)方式，在較大的溫度范圍內(nèi)提供了*優(yōu)化的角度穩(wěn)定性。這種平臺(tái)的設(shè)計(jì)具有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：體積更小巧；兩軸具有相同的大小及相同的動(dòng)態(tài)性能；更快的響應(yīng)及更好的線性度。它也防止了偏振旋轉(zhuǎn)。內(nèi)部三支壓電陶瓷促動(dòng)器是由三通道控制器來(lái)分別單獨(dú)驅(qū)動(dòng)以產(chǎn)生俯仰/偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或同時(shí)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)以產(chǎn)生直線升降運(yùn)動(dòng)。
壓電快反鏡的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化壓電陶瓷（PZT）致動(dòng)器利用逆壓電效應(yīng)的原理，當(dāng)可調(diào)節(jié)的電壓信號(hào)作用到壓電陶瓷上，可產(chǎn)生相應(yīng)的微位移運(yùn)動(dòng)，具有高頻響、高精度、無(wú)磁場(chǎng)等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)機(jī)構(gòu)并聯(lián)的結(jié)構(gòu)方式，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小巧、分辨率高、響應(yīng)速度快、發(fā)熱少、易于控制、位移重復(fù)性好等特點(diǎn)。
雙級(jí)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)
作為“夸父一號(hào)”FMG穩(wěn)像系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，對(duì)壓電快反鏡可靠性與使用壽命提出相當(dāng)高的要求。芯明天通過(guò)對(duì)壓電快反鏡多年的摸索，通過(guò)科研人員的技術(shù)創(chuàng)新，開(kāi)創(chuàng)性地研制了一款適用于航天的、具有雙級(jí)控制的高可靠壓電快反鏡，兩級(jí)驅(qū)動(dòng)可獨(dú)立控制，互不干擾。
壓電快反鏡的抗力學(xué)加固
航空、航天設(shè)備對(duì)產(chǎn)品抗沖擊、振動(dòng)的能力要求較為嚴(yán)格，為降低由于苛刻的力學(xué)條件對(duì)壓電陶瓷造成的損傷，芯明天壓電快反鏡增加與優(yōu)化了抗力學(xué)設(shè)計(jì)。
材料、制造工藝的摸索及產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化
壓電快反鏡的構(gòu)件，對(duì)加工精度要求較高，加工工藝復(fù)雜、周期長(zhǎng)。為克服上述問(wèn)題，芯明天建立了自己的“微精加工中心”，金屬零部件自行加工，同時(shí)摸索出了一套包括壓電快反鏡及其它壓電致動(dòng)產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化材料的選取、加工、修磨等工藝流程與實(shí)施方法，產(chǎn)品知識(shí)產(chǎn)權(quán)自有、打破同類產(chǎn)品的國(guó)外技術(shù)壟斷、提高納米運(yùn)動(dòng)測(cè)量與控制產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化率。
隨著空間光電技術(shù)與光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展，基于壓電陶瓷致動(dòng)的壓電快反鏡，被越來(lái)越多地應(yīng)用在星載光學(xué)成像系統(tǒng)、衛(wèi)星激光通信中。近幾年來(lái)，主打自有知識(shí)產(chǎn)權(quán)及國(guó)產(chǎn)化的芯明天壓電快反鏡系列產(chǎn)品，目前已在多顆衛(wèi)星上得到應(yīng)用，有搭載激光通信系統(tǒng)的低軌衛(wèi)星、搭載激光通信系統(tǒng)的高軌衛(wèi)星、搭載成像儀的低軌衛(wèi)星、搭載磁象儀的低軌衛(wèi)星、搭載導(dǎo)航系統(tǒng)的高軌衛(wèi)星以及其他商業(yè)衛(wèi)星等。芯明天已形成涵蓋工業(yè)級(jí)*品級(jí)、宇航級(jí)多個(gè)系列的高可靠性壓電偏轉(zhuǎn)鏡與驅(qū)動(dòng)控制產(chǎn)品。
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