12月13日，我國綜合性太陽(yáng)探測專(zhuān)用衛星“夸父一號"*批科學(xué)圖像發(fā)布。這批圖像實(shí)現了多項國內外*次，并在軌驗證了三臺有效載荷的觀(guān)測能力和先進(jìn)性。
下圖為FMG在軌觀(guān)測的局部單色像和磁圖（右邊）與懷柔地面全日面磁場(chǎng)望遠鏡對同一時(shí)間同一日面區域觀(guān)測的結果（左邊）對比。
下圖為FMG觀(guān)測到的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HMI/SDO觀(guān)測結果（左邊）的對比。
我國綜合性太陽(yáng)探測專(zhuān)用衛星“夸父一號"——先進(jìn)天基太陽(yáng)天文臺（ASO-S）于2022年10月9日在酒泉衛星發(fā)射中心發(fā)射升空，開(kāi)啟對太陽(yáng)的探測之旅。作為中國科學(xué)院空間科學(xué)先導專(zhuān)項之一的“夸父一號"衛星，2017年上半年完成立項綜合論證后，經(jīng)歷18個(gè)月的方案設計階段、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，設計壽命不少于4年，隨即衛星和各單機按計劃依次開(kāi)機，此后進(jìn)入4至6個(gè)月的在軌測試。
“夸父一號"的科學(xué)目標總結起來(lái)是“一磁兩暴"?！耙淮?指的是太陽(yáng)磁場(chǎng)，“兩暴"指太陽(yáng)上兩類(lèi)最劇烈的爆發(fā)現象 — 耀斑爆發(fā)和日冕物質(zhì)拋射，即觀(guān)測和研究太陽(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"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(chēng) FMG)用來(lái)觀(guān)測太陽(yáng)光球矢量磁場(chǎng)；太陽(yáng)硬X射線(xiàn)成像儀(Hard X-ray Imager，簡(jiǎn)稱(chēng) HXI)用來(lái)觀(guān)測太陽(yáng)耀斑非熱物理過(guò)程；萊曼阿爾法太陽(yáng)望遠鏡(Lyman-alpha Solar Telescope，簡(jiǎn)稱(chēng) LST)主要用來(lái)觀(guān)測日冕物質(zhì)拋射的形成和早期演化。
FMG能夠對全日面的太陽(yáng)磁場(chǎng)進(jìn)行矢量測量。常規觀(guān)測的時(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(cháng)時(shí)間、不間斷地對日進(jìn)行觀(guān)測。
空間天文觀(guān)測中，由于衛星運動(dòng)和其它控制執行機構引起的望遠鏡的抖動(dòng)，會(huì )造成觀(guān)測圖像的模糊。為了保證在足夠的曝光時(shí)間內得到高信噪比、高分辨率的圖像，必須設計利用快速補償裝置實(shí)時(shí)穩定光軸，減小和消除像移。在太陽(yáng)觀(guān)測的光路中，通過(guò)引入高剛性、高分辨率、響應速度快、基于壓電陶瓷致動(dòng)的壓電快反鏡及配套驅動(dòng)控制器，與其它設備一起構成“高精度穩像系統"，使圖像穩定度達到星載技術(shù)要求。
芯明天的宇航級壓電快反鏡、壓電驅動(dòng)控制器作為FMG穩像系統中的關(guān)鍵器件，產(chǎn)品經(jīng)過(guò)原理樣機、鑒定機、正樣機三個(gè)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(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動(dòng)控制器。
壓電快反鏡（也稱(chēng)壓電偏轉鏡）是指將PZT壓電陶瓷集成于機械柔性鉸鏈，再將除運動(dòng)面外的其他整個(gè)結構封裝進(jìn)機械外殼，從而能夠產(chǎn)生偏轉運動(dòng)的運動(dòng)平臺產(chǎn)品。它將PZT壓電陶瓷的直線(xiàn)微米級（μm，1μm=0.001mm）的運動(dòng)，轉換為機械部件的毫弧度級（mrad，17mrad≈1°）偏轉運動(dòng)。反射鏡片安裝于壓電偏轉鏡的運動(dòng)臺面上，壓電快反鏡運動(dòng)臺面的偏轉帶動(dòng)反射鏡的偏轉運動(dòng)。根據壓電偏轉鏡的運動(dòng)維度，一般可分為三類(lèi)，即一維θx軸偏轉運動(dòng)、二維θxθy偏轉運動(dòng)、三維θxθy偏轉及Z向運動(dòng)。θx偏轉運動(dòng)即是沿著(zhù)X軸線(xiàn)進(jìn)行旋轉的運動(dòng)。一維θx壓電偏轉鏡分為兩種結構，一種為單個(gè)壓電促動(dòng)器驅動(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)器的預緊力。該結構的優(yōu)點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單、體積小巧、性?xún)r(jià)比高。另一種為雙壓電促動(dòng)器驅動(dòng)型，即由兩支陶瓷促動(dòng)器的推拉運動(dòng)來(lái)驅動(dòng)平臺臺面偏轉，這種結構的優(yōu)點(diǎn)是可承載更大，不受工作環(huán)境溫度變化的影響。
二維壓電偏轉鏡是基于平行運動(dòng)學(xué)設計，具有共面軸及移動(dòng)面。四個(gè)執行機構為四支壓電促動(dòng)器，以90°角平分放置，成對的差分控制分布。兩對差分驅動(dòng)壓電促動(dòng)器在較大溫度范圍內提供最高可實(shí)現的角度穩定性。它的偏擺運動(dòng)是由兩對壓電促動(dòng)器以推拉模式來(lái)實(shí)現，采用橋式連接電路控制。
三維壓電偏轉鏡是三腳驅動(dòng)方式，在較大的溫度范圍內提供了*優(yōu)化的角度穩定性。這種平臺的設計具有幾個(gè)優(yōu)勢：體積更小巧；兩軸具有相同的大小及相同的動(dòng)態(tài)性能；更快的響應及更好的線(xiàn)性度。它也防止了偏振旋轉。內部三支壓電陶瓷促動(dòng)器是由三通道控制器來(lái)分別單獨驅動(dòng)以產(chǎn)生俯仰/偏轉運動(dòng)或同時(shí)并聯(lián)驅動(dòng)以產(chǎn)生直線(xiàn)升降運動(dòng)。
壓電陶瓷（PZT）致動(dòng)器利用逆壓電效應的原理，當可調節的電壓信號作用到壓電陶瓷上，可產(chǎn)生相應的微位移運動(dòng)，具有高頻響、高精度、無(wú)磁場(chǎng)等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)機構并聯(lián)的結構方式，實(shí)現結構簡(jiǎn)單、尺寸小巧、分辨率高、響應速度快、發(fā)熱少、易于控制、位移重復性好等特點(diǎn)。
雙級壓電陶瓷驅動(dòng)控制技術(shù)
作為“夸父一號"FMG穩像系統的關(guān)鍵部件，對壓電快反鏡可靠性與使用壽命提出相當高的要求。芯明天通過(guò)對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、具有雙級控制的高可靠壓電快反鏡，兩級驅動(dòng)可獨立控制，互不干擾。
壓電快反鏡的抗力學(xué)加固
航空、航天設備對產(chǎn)品抗沖擊、振動(dòng)的能力要求較為嚴格，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
壓電快反鏡的構件，對加工精度要求較高，加工工藝復雜、周期長(cháng)。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)品知識產(chǎn)權自有、打破同類(lèi)產(chǎn)品的國外技術(shù)壟斷、提高納米運動(dòng)測量與控制產(chǎn)品的國產(chǎn)化率。
隨著(zhù)空間光電技術(shù)與光學(xué)系統的發(fā)展，基于壓電陶瓷致動(dòng)的壓電快反鏡，被越來(lái)越多地應用在星載光學(xué)成像系統、衛星激光通信中。近幾年來(lái)，主打自有知識產(chǎn)權及國產(chǎn)化的芯明天壓電快反鏡系列產(chǎn)品，目前已在多顆衛星上得到應用，有搭載激光通信系統的低軌衛星、搭載激光通信系統的高軌衛星、搭載成像儀的低軌衛星、搭載磁象儀的低軌衛星、搭載導航系統的高軌衛星以及其他商業(yè)衛星等。芯明天已形成涵蓋工業(yè)級*品級、宇航級多個(gè)系列的高可靠性壓電偏轉鏡與驅動(dòng)控制產(chǎn)品。
