更快更准更小奏天琴

天琴一号（全称：“天琴一号”技术验证试验卫星）是中山大学罗俊团队主导研制的卫星，是‘天琴计划’的第一颗技术试验卫星。

该卫星将对高精度空间惯性传感器、无拖曳控制技术、微牛顿量级的推进技术、激光干涉仪等核心技术开展在轨验证。

2019年12月20日，在太原卫星发射中心搭乘长征四号乙运载火箭，成功发射升空。

2020年8月21日凌晨，国际学术期刊《经典和量子引力》（Classical Quantum Gravity）刊发“天琴一号”试验卫星第一轮实验结果，结果显示“天琴一号”在轨验证的所有技术指标不仅超过任务预期目标，也超过中国国内同类技术的最高水平，部分技术指标比国内现有指标提高两个量级及以上。

图1.长征四号乙运载火箭

世界第二！我国首次完成微牛级推进技术验证

媒体：科技日报 2020-01-03 08:16

刘旭辉 薛英民 科技日报记者 付毅飞

以微牛级变推力冷气推进技术为依托，我国“天琴一号”卫星成功实现了“无拖曳控制”。

通俗来讲，卫星的“无拖曳控制”，是指抵消除引力以外所有干扰卫星的力。卫星在天上飞，其所受的干扰力主要来自于大气阻力、太阳光压等，去掉这些干扰力，卫星才能成为一个“超静超稳”的平台，才能使空间引力波探测成为可能。微牛级变推力技术是实施无拖曳控制的前提，也是空间推进技术发展的重要方向。1日，科研人员再次对“天琴一号”卫星微牛级推进系统在轨数据进行了分析，结果表明主要技术参数达到了国际先进水平。这是我国首次完成微牛级变推力冷气推进技术的在轨验证，标志着我国成为了世界上第二个掌握该技术的国家，也使空间引力波探测迈出了实质性、关键性的一步。

这项技术牛在哪？

近日发射的长征五号运载火箭，牛在力量大。而微牛级推进，牛在它的“微”，即使一个哈欠产生的推力都比它大许多倍。据专家介绍，1微牛的力大约等于1厘米头发丝的重量，而“天琴一号”微牛级推进系统分辨率精度为0.1微牛，也就是说能以相当于1毫米头发的重量为单位，调整推力大小。

图2.微牛级连续变推力模块产品

这样微弱的推力，是为了持续抵消太阳光压和大气等对卫星的干扰。由于这些干扰力会随着环境变化而产生极其微弱的变化，所以要求该套系统在提供极小、极精准推力的同时，能够实现极精确的连续调节。据介绍，“天琴一号”微推进系统可以精确控制1小时匀速喷出仅1毫升的气体，而控制流量的阀芯行程仅有几十纳米。

图3.“天琴一号”技术试验卫星研制现场

据了解，早在上世纪70年代我国便研制出第一代冷气推进系统，并实现在轨应用。随着多种类型空间推进系统的发展，冷气推进系统一度淡出历史舞台。不过，由于其具备推力稳定、推力分辨率高、噪声低、连续易调、变推力范围大等优点，受到了新一代空间基础物理科学探测任务、高精度重力场测量任务以及高精度对地观测和卫星导航等空间任务的青睐。这些任务对卫星平台的统一要求是“超静低噪声、超高精度、超高稳定度”，对此，冷气推进系统是目前最优的选择。

来源：科技日报

原标题：《世界第二！我国首次完成微牛级推进技术验证》

天琴一号中的巅慧科技产品

巅慧科技与重庆大学联合承接了微牛级连续变推力模块中最核心的压电阀体控制器的设计与生产，作为宇航级的压电微纳驱动控制模块，产品经过原理样机、鉴定机、正样机三个阶段的多轮论证、评审与改进；历经上星产品的环境试验、电磁兼容试验、可靠性试验；产品正样于2019年5月正式交付，并超期完成了试验任务。

图4.压电陶瓷制动器伺服闭环系统

工作流程：上位机控制主令，通过FPGA控制模块驱动压电陶瓷制动器使其进行纳米精度的位移运动，与压电陶瓷安装在一起的电容位移传感器，将捕获的实时位移数据回传至FPGA控制模块，并同控制主令进行差分运算，构成闭环伺服控制系统。

一、什么是“压电陶瓷制动器”

压电陶瓷制动器是指将PZT压电陶瓷叠堆集成于机械柔性铰链，利用压电陶瓷在电压驱动下产生的伸缩运动，通过位移放大机构实现制动器输出位移的放大，带动工作负载产生的微米级的（μm，1μm=0.001mm）位移运动，分辨率和重复定位精度达到纳米级（nm，1nm=0.001μm）。

通过阀门控制器的开闭程度来控制卫星姿态

压电陶瓷制动器运用分类

根据压电制动器实现的最终用途，一般分为两类，即多维位移运动、多维角度运动两大类。

1.压电多维位移运动控制系统

（1）压电微扫平台

图5.压电微扫平台

微扫平台（Fast scanning platform, FSP）指将压电或音圈制动器集成柔性铰链将外框架与运动支架连接，再将除运动支架外的其他整个结构封装进机械外壳，从而能够产生位移运动的运动平台产品。它利用压电或音圈制动器推动运动支架产生的微米级的（μm，1μm=0.001mm）位移运动，分辨率和重复定位精度达到纳米级（nm，1nm=0.001μm）。透射镜片安装于运动支架上，运动支架的位移运动带动透射镜的位移运动。采用应变片传感器，运动速度非常快，控制精度略低，适用于分辨率增强、像源补偿等应用。

图6.压电微扫平台结构原理

（2）压电定位平台

图7.压电纳米定位平台

纳米定位平台指将压电或音圈制动器集成于机械柔性铰链，再将除运动面外的其他整个结构封装进机械外壳，从而能够产生位移运动的运动平台产品。它利用压电或音圈制动器推动运动支架产生的微米级的（μm，1μm=0.001mm）位移运动，分辨率和重复定位精度达到纳米级（nm，1nm=0.001μm）。运动平台安装于运动支架上，运动支架的位移运动带动运动平台的位移运动。采用电容位移传感器，运动速度略慢，控制精度非常高，纳米定位平台根据需求，可以设计成一维、二维和三维，适用于超高精度、较高负载能力的位移运动场景。

图8.三维压电纳米定位平台结构原理

（3）铠装执行器

图9. 铠装执行器产品图

铠装执行器是一款的独立的运动驱动源，将多个压电陶瓷叠堆串联并封装以实现较大的机械行程，同时保证很高的分辨率及响应速度，在此基础上设计相应的位移放大机构、柔性铰链，并集成位移传感器，就可以实现多种形式的纳米级精度的位移定位机构。

天琴一号中用于验证微牛顿量级的推进技术的微牛级连续变推力模块，就是一种定制设计的铠装执行器。

图10. 铠装执行器产品图

压电快反镜（也称压电偏转镜）是指将PZT压电陶瓷集成于机械柔性铰链，再将除运动面外的其他整个结构封装进机械外壳，从而能够产生偏转运动的运动平台产品。它将PZT压电陶瓷的直线微米级（μm，1μm=0.001mm）的运动，转、换为机械部件的毫弧度级（mrad，17mrad≈1°）偏转运动。反射镜片安装于压电偏转镜的运动台面上，压电快反镜运动台面的偏转带动反射镜的偏转运动。

压电快反镜适用于较小运动行程（1.5mrad-8mrad），较高带宽（500Hz-800Hz）的工作需求。

图11. 压电快反镜结构及控制原理图

二、什么是“电容位移传感器”

电容式微位移传感器的测量原理是探头作为电容的一个极板，被测物体作为另外一个极板。测量由于距离变化带来的电容介电常数的变化，从而换算成位移量。由于其具有极高精度和稳定性，其可以被广泛应用于需要极高精度的测量领域，例如测量半导体移动部件的位移量，测量精密部件的厚度和尺寸，航空航天中的位移检测等等。其中，调制解调器独特的电路和算法设计，使电容式微位移传感器灵敏度高、分辨力强、能分辨微小的位移。还具备信噪比大、零漂小、频响宽、非线性小、精度稳定性好、抗电磁干扰能力强和使用操作方便等特点。

图12.电容位移传感器结构原理

巅慧科技发明和开发的单极性电容式微位移传感器由传感器探头和信号调理电路组成。

所述信号调理电路包括集成在调制电路板上的载波调制电路和集成在解调电路板上的解调电路，调制电路板安装在探头壳体内，载波调制电路通过同轴电缆与感应极板连接，解调电路板安装在探头壳体外，解调电路通过多芯电缆与载波调制电路连接。

巅慧科技根据自己发明开发的单极性电容式微位移传感器有下述优点：

● 载波调制电路输出的调制电压与被测对象的微位移呈线性关系，实现高精度测量；

● 在实际使用中可以根据需要改变连接解调仪与传感器探头的多芯电缆的长度，增加了传感器使用的灵活性、降低了成本

图13. 电容位移传感器产品图

三、压电微纳定位产品的关键技术

1．压电微纳定位产品的机构设计及结构优化

压电陶瓷（PZT）致动器利用逆压电效应的原理，当可调节的电压信号作用到压电陶瓷上，可产生相应的微位移运动，具有高频响、高精度、无磁场等优点。

通过机构并联的结构方式，实现结构简单、尺寸小巧、分辨率高、响应速度快、发热少、易于控制、位移重复性好等特点。

由于空间技术中的微纳定位装置的体积和重量是必须严格控制的问题，因此，所有产品均采用位移放大机构实现执行器输出位移的放大，位移放大机构采用精密线切割加工实现，所包含的柔性铰链采用双边直圆柔性铰链实现，具有结构简单、转动中心固定、径向刚度高、运动中无摩擦、无空回等优点。

2．压电微纳定位产品的驱动控制技术

作为空间技术超精密定位的关键部件，对压电微纳定位产品可靠性与使用寿命提出相当高的要求。

巅慧科技通过对压电微纳定位产品多年的摸索，通过科研人员的技术创新，开创性地研制了多款适用于航天的、具有双级控制的高可靠微纳定位产品，两级驱动可独立控制，互不干扰。

3．压电微纳定位产品的抗力学加固

航空、航天设备对产品抗冲击、振动的能力要求较为严格，为降低由于苛刻的力学条件对制动器造成的损伤，巅慧科技的压电微纳定位产品均增加与优化了抗力学设计。

4．材料、制造工艺的摸索及产品国产化

微纳定位产品的构件，对加工精度要求较高，加工工艺复杂、周期长。

为克服上述问题，巅慧科技建立了自己的“微精加工中心”，金属零部件自行加工，同时摸索出了一套包括压电及音圈制动器产品的国产化材料的选取、加工、修磨等工艺流程与实施方法，产品知识产权自有、打破同类产品的国外技术垄断、提高纳米运动测量与控制产品的国产化率。

四、结语

随着空间光电技术与光学系统的发展，基于压电陶瓷致动的微纳定位产品，被越来越多地应用在星载光学成像系统、卫星激光通信中。

近几年来，主打自有知识产权及国产化的巅慧科技微纳定位系列产品，目前已在多颗卫星上得到应用，有搭载激光通信系统的低轨卫星、搭载激光通信系统的高轨卫星、搭载成像仪的低轨卫星、搭载磁象仪的低轨卫星、搭载导航系统的高轨卫星以及其他商业卫星等。巅慧科技已形成涵盖工业级、军品级、宇航级多个系列的高可靠性微纳定位与驱动控制产品。