12月13日，我國綜合性太陽探測專用衛(wèi)星“夸父一號”*批科學(xué)圖像發(fā)布。這批圖像實現(xiàn)了多項國內(nèi)外*次，并在軌驗證了三臺有效載荷的觀測能力和先進(jìn)性。
下圖為FMG在軌觀測的局部單色像和磁圖（右邊）與懷柔地面全日面磁場望遠(yuǎn)鏡對同一時間同一日面區(qū)域觀測的結(jié)果（左邊）對比。
下圖為FMG觀測到的2022年11月6日00:50:15UT局部縱向磁圖（右邊）與同一時間美國HMI/SDO觀測結(jié)果（左邊）的對比。
我國綜合性太陽探測專用衛(wèi)星“夸父一號”——先進(jìn)天基太陽天文臺（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，開啟對太陽的探測之旅。作為中國科學(xué)院空間科學(xué)先導(dǎo)專項之一的“夸父一號”衛(wèi)星，2017年上半年完成立項綜合論證后，經(jīng)歷18個月的方案設(shè)計階段、20個月的工程初樣階段和18個月的工程正樣階段，目前已發(fā)射到高度為720公里的太陽極軌，設(shè)計壽命不少于4年，隨即衛(wèi)星和各單機(jī)按計劃依次開機(jī)，此后進(jìn)入4至6個月的在軌測試。
“夸父一號”的科學(xué)目標(biāo)總結(jié)起來是“一磁兩暴”。“一磁”指的是太陽磁場，“兩暴”指太陽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，即觀測和研究太陽磁場、太陽耀斑和日冕物質(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”上共安排三個主要載荷：全日面矢量磁像儀(Full-disc vector Magneto Graph，簡稱 FMG)用來觀測太陽光球矢量磁場；太陽硬X射線成像儀(Hard X-ray Imager，簡稱 HXI)用來觀測太陽耀斑非熱物理過程；萊曼阿爾法太陽望遠(yuǎn)鏡(Lyman-alpha Solar Telescope，簡稱 LST)主要用來觀測日冕物質(zhì)拋射的形成和早期演化。
FMG能夠?qū)θ彰娴奶柎艌鲞M(jìn)行矢量測量。常規(guī)觀測的時間分辨率為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。可以長時間、不間斷地對日進(jìn)行觀測。
空間天文觀測中，由于衛(wèi)星運動和其它控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)引起的望遠(yuǎn)鏡的抖動，會造成觀測圖像的模糊。為了保證在足夠的曝光時間內(nèi)得到高信噪比、高分辨率的圖像，必須設(shè)計利用快速補償裝置實時穩(wěn)定光軸，減小和消除像移。在太陽觀測的光路中，通過引入高剛性、高分辨率、響應(yīng)速度快、基于壓電陶瓷致動的壓電快反鏡及配套驅(qū)動控制器，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。
芯明天的宇航級壓電快反鏡、壓電驅(qū)動控制器作為FMG穩(wěn)像系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，產(chǎn)品經(jīng)過原理樣機(jī)、鑒定機(jī)、正樣機(jī)三個階段的多輪論證、評審與改進(jìn)；歷經(jīng)上星產(chǎn)品的環(huán)境試驗、電磁兼容試驗、可靠性試驗；克服因**疫情所帶來的諸多不便，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，再將除運動面外的其他整個結(jié)構(gòu)封裝進(jìn)機(jī)械外殼，從而能夠產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)運動的運動平臺產(chǎn)品。它將PZT壓電陶瓷的直線微米級（μm，1μm=0.001mm）的運動，轉(zhuǎn)換為機(jī)械部件的毫弧度級（mrad，17mrad≈1°）偏轉(zhuǎn)運動。反射鏡片安裝于壓電偏轉(zhuǎn)鏡的運動臺面上，壓電快反鏡運動臺面的偏轉(zhuǎn)帶動反射鏡的偏轉(zhuǎn)運動。根據(jù)壓電偏轉(zhuǎn)鏡的運動維度，一般可分為三類，即一維θx軸偏轉(zhuǎn)運動、二維θxθy偏轉(zhuǎn)運動、三維θxθy偏轉(zhuǎn)及Z向運動。θx偏轉(zhuǎn)運動即是沿著X軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的運動。一維θx壓電偏轉(zhuǎn)鏡分為兩種結(jié)構(gòu)，一種為單個壓電促動器驅(qū)動、單鉸鏈支撐型，鉸鏈確定了軸心點，并加倍了作用于壓電促動器的預(yù)緊力。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧、性價比高。另一種為雙壓電促動器驅(qū)動型，即由兩支陶瓷促動器的推拉運動來驅(qū)動平臺臺面偏轉(zhuǎn)，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是可承載更大，不受工作環(huán)境溫度變化的影響。
二維壓電偏轉(zhuǎn)鏡是基于平行運動學(xué)設(shè)計，具有共面軸及移動面。四個執(zhí)行機(jī)構(gòu)為四支壓電促動器，以90°角平分放置，成對的差分控制分布。兩對差分驅(qū)動壓電促動器在較大溫度范圍內(nèi)提供最高可實現(xiàn)的角度穩(wěn)定性。它的偏擺運動是由兩對壓電促動器以推拉模式來實現(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。這種平臺的設(shè)計具有幾個優(yōu)勢：體積更小巧；兩軸具有相同的大小及相同的動態(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器是由三通道控制器來分別單獨驅(qū)動以產(chǎn)生俯仰/偏轉(zhuǎn)運動或同時并聯(lián)驅(qū)動以產(chǎn)生直線升降運動。
壓電快反鏡的機(jī)構(gòu)設(shè)計及結(jié)構(gòu)優(yōu)化壓電陶瓷（PZT）致動器利用逆壓電效應(yīng)的原理，當(dāng)可調(diào)節(jié)的電壓信號作用到壓電陶瓷上，可產(chǎn)生相應(yīng)的微位移運動，具有高頻響、高精度、無磁場等優(yōu)點。通過機(jī)構(gòu)并聯(lián)的結(jié)構(gòu)方式，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單、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。
雙級壓電陶瓷驅(qū)動控制技術(shù)
作為“夸父一號”FMG穩(wěn)像系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，對壓電快反鏡可靠性與使用壽命提出相當(dāng)高的要求。芯明天通過對壓電快反鏡多年的摸索，通過科研人員的技術(shù)創(chuàng)新，開創(chuàng)性地研制了一款適用于航天的、具有雙級控制的高可靠壓電快反鏡，兩級驅(qū)動可獨立控制，互不干擾。
壓電快反鏡的抗力學(xué)加固
航空、航天設(shè)備對產(chǎn)品抗沖擊、振動的能力要求較為嚴(yán)格，為降低由于苛刻的力學(xué)條件對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。
材料、制造工藝的摸索及產(chǎn)品國產(chǎn)化
壓電快反鏡的構(gòu)件，對加工精度要求較高，加工工藝復(fù)雜、周期長。為克服上述問題，芯明天建立了自己的“微精加工中心”，金屬零部件自行加工，同時摸索出了一套包括壓電快反鏡及其它壓電致動產(chǎn)品的國產(chǎn)化材料的選取、加工、修磨等工藝流程與實施方法，產(chǎn)品知識產(chǎn)權(quán)自有、打破同類產(chǎn)品的國外技術(shù)壟斷、提高納米運動測量與控制產(chǎn)品的國產(chǎn)化率。
隨著空間光電技術(shù)與光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展，基于壓電陶瓷致動的壓電快反鏡，被越來越多地應(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，主打自有知識產(chǎn)權(quán)及國產(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*品級、宇航級多個系列的高可靠性壓電偏轉(zhuǎn)鏡與驅(qū)動控制產(chǎn)品。
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