12月13日，我國綜合性太陽探測專用衛(wèi)星“夸父一號"*批科學圖像發(fā)布。這批圖像實現(xiàn)了多項國內外*次，并在軌驗證了三臺有效載荷的觀測能力和先進性。
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鏡對同一時間同一日面區(qū)域觀測的結果（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。作為中國科學院空間科學先導專項之一的“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，設計壽命不少于4年，隨即衛(wèi)星和各單機按計劃依次開機，此后進入4至6個月的在軌測試。
“夸父一號"的科學目標總結起來是“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)和日冕物質拋射，即觀測和研究太陽磁場、太陽耀斑和日冕物質拋射的起源及三者之間可能存在的因果關系。
“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鏡(Lyman-alpha Solar Telescope，簡稱 LST)主要用來觀測日冕物質拋射的形成和早期演化。
FMG能夠對全日面的太陽磁場進行矢量測量。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)行機構引起的望遠鏡的抖動，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、響應速度快、基于壓電陶瓷致動的壓電快反鏡及配套驅動控制器，與其它設備一起構成“高精度穩(wěn)像系統(tǒng)"，使圖像穩(wěn)定度達到星載技術要求。
芯明天的宇航級壓電快反鏡、壓電驅動控制器作為FMG穩(wěn)像系統(tǒng)中的關鍵器件，產品經(jīng)過原理樣機、鑒定機、正樣機三個階段的多輪論證、評審與改進；歷經(jīng)上星產品的環(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控制器。
壓電快反鏡（也稱壓電偏轉鏡）是指將PZT壓電陶瓷集成于機械柔性鉸鏈，再將除運動面外的其他整個結構封裝進機械外殼，從而能夠產生偏轉運動的運動平臺產品。它將PZT壓電陶瓷的直線微米級（μm，1μm=0.001mm）的運動，轉換為機械部件的毫弧度級（mrad，17mrad≈1°）偏轉運動。反射鏡片安裝于壓電偏轉鏡的運動臺面上，壓電快反鏡運動臺面的偏轉帶動反射鏡的偏轉運動。根據(jù)壓電偏轉鏡的運動維度，一般可分為三類，即一維θx軸偏轉運動、二維θxθy偏轉運動、三維θxθy偏轉及Z向運動。θx偏轉運動即是沿著X軸線進行旋轉的運動。一維θx壓電偏轉鏡分為兩種結構，一種為單個壓電促動器驅動、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緊力。該結構的優(yōu)點是結構簡單、體積小巧、性價比高。另一種為雙壓電促動器驅動型，即由兩支陶瓷促動器的推拉運動來驅動平臺臺面偏轉，這種結構的優(yōu)點是可承載更大，不受工作環(huán)境溫度變化的影響。
二維壓電偏轉鏡是基于平行運動學設計，具有共面軸及移動面。四個執(zhí)行機構為四支壓電促動器，以90°角平分放置，成對的差分控制分布。兩對差分驅動壓電促動器在較大溫度范圍內提供最高可實現(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。
三維壓電偏轉鏡是三腳驅動方式，在較大的溫度范圍內提供了*優(yōu)化的角度穩(wěn)定性。這種平臺的設計具有幾個優(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；更快的響應及更好的線性度。它也防止了偏振旋轉。內部三支壓電陶瓷促動器是由三通道控制器來分別單獨驅動以產生俯仰/偏轉運動或同時并聯(lián)驅動以產生直線升降運動。
壓電陶瓷（PZT）致動器利用逆壓電效應的原理，當可調節(jié)的電壓信號作用到壓電陶瓷上，可產生相應的微位移運動，具有高頻響、高精度、無磁場等優(yōu)點。通過機構并聯(lián)的結構方式，實現(xiàn)結構簡單、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。
雙級壓電陶瓷驅動控制技術
作為“夸父一號"FMG穩(wěn)像系統(tǒng)的關鍵部件，對壓電快反鏡可靠性與使用壽命提出相當高的要求。芯明天通過對壓電快反鏡多年的摸索，通過科研人員的技術創(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，兩級驅動可獨立控制，互不干擾。
壓電快反鏡的抗力學加固
航空、航天設備對產品抗沖擊、振動的能力要求較為嚴格，為降低由于苛刻的力學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)化了抗力學設計。
材料、制造工藝的摸索及產品國產化
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。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品的國產化材料的選取、加工、修磨等工藝流程與實施方法，產品知識產權自有、打破同類產品的國外技術壟斷、提高納米運動測量與控制產品的國產化率。
隨著空間光電技術與光學系統(tǒng)的發(fā)展，基于壓電陶瓷致動的壓電快反鏡，被越來越多地應用在星載光學成像系統(tǒng)、衛(wèi)星激光通信中。近幾年來，主打自有知識產權及國產化的芯明天壓電快反鏡系列產品，目前已在多顆衛(wèi)星上得到應用，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鏡與驅動控制產品。
