МИНИАТЮРНЫЕ ПЬЕЗО МЕХАНИЗМЫ ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ И ОПТИЧЕСКИХ ПРИМЕНЕНИЙ

Аннотация

Пьезоактуаторы нашли свое первое применение в активной электрооптике для решения задач в космосе. В этой статье будут описаны механизмы последнего слова техники. Пьезоактуаторы  обладают привлекательными свойствами для космических применений, такими как точное позиционирование, отсутствие смазки, немагнитность, компактность и низкое энергопотребление. Однако пьезомеханизмы не могут рассматриваться отдельно от их привода и управляющей электроники. Пьезоактуаторы, такие как пьезоактуаторы с рычажным мультипликатором (Amlified Piezo Actuators - APA) и механические преднагруженные актуаторы (Parallel pre-stressed Piezo Actuators - PPA), первоначально разработанные по контрактам с французским космическим агентством, нашли свое первое  летное применение в оптической системе в миссии ЕКА PHARAO для решения следующих задач:

  • точное наведение лазерных лучей
  • настройка оптического лазерного резонатора

Для осуществления фокусировки также был протестирован прототип механизмов на основе пьезоактуаторов.

Пьезоактуаторы находят и другие применения, включая

  • улучшение разрешения CCD детектора с помощью технологии сканирования с повышенной частотой, которая применяется в инструменте SOHO\LASCO
  • высокоскоростная работа оптического затвора
  • оптический фильтр, совмещенный с интерферометром Фабри-Перо, как в лидаре для наблюдения за поверхностью Земли

Введение

Пьезоактуаторы обладают привлекательными свойствами для космических применений, такими как точное позиционирование, отсутствие смазки и немагнитными свойствами, что ведет к малым габаритам механизмов. Однако пьезомеханизмы не могут рассматриваться отдельно от их привода и управляющей электроники. Другие аспекты требующие внимания обычно являются механические условия окружающей среды (пьезоактуаторы могут продемонстрировать показатель качества 100), термомеханические свойства и рассмотрение ухудшенных режимов в случае поломки.

На основе многослойных компонентов, которые были спроектированные для космических применений в рамках контракта с французским космическим агентством можно построить пьезоактуаторы с усилителем перемещения (APA) и параллельно преднагруженные пьезоактуаторы (PPA).

Эти компоненты могут быть использованы для построения механизмов, работающих с одной или более степенями свободы. Цель этой статьи привести примеры разработок и применений космической оптики.


РАЗРАБОТКА НОРМАЛЬНО ЦЕНТРИРОВАННЫХ МЕХАНИЗМОВ

Введение

Несколько нормально центрированных механизмов, основанных на пьезоактуаторах с усилителем перемещения, были разработаны и квалифицированы в течение последних лет в компании CEDRAT TECHNOLOGIES. Нормально центрированные механизмы остаются в центре в случае отключения питания или в случае поломки. Эта характеристика помогает при работе в ухудшенном режиме и помогает избежать  ситуации, когда при поломке компонента выходит из строя вся система (часто рассматривается для механизмов). 

Пьезоактуаторы не центрированные, потому что они обеспечивают 90% хода в одном направлении и оставшиеся 10 %  в другом направлении.    

Нормально центрированные характеристики достигаются применением пьезоактуаторов в конфигурации сжатия - растяжения (рис.1).

Пьезоактуаторы с рычажным мультипликатором впервые были использованы в летном применении в сканирующем механизме (XYZ сборка) для ROSETA/MIDAS, квалифицированы в 2000 году и отправлены в космос в 2004.

  • ROSETTA – первая миссия, программа которой предусматривает не только дистанционное изучение, но и посадку в 2014 году на изучаемую комету Чурюмова-Герасименко.
  • MIDAS (MICRO-IMAGING DUST ANALIS SYSTEM) Атомный силовой микроскоп высокого разрешения для изучения частиц пыли.

 

ДВУХОСЕВОЙ МЕХАНИЗМ X-Y 

Второй пример нормально центрированного механизма приводится на основании XY сборки , использующей две пары пьезоактуаторов с мультипликатором рычажного типа. Так как пьезоактуаторы перемещаются в ассиметричном режиме (-20 +150 В), получение нормально центрированной разработки требует симметричного дизайна и работу в режиме сжатие-растяжение (Рис. 2).

Ключевое достоинство этой разработки то, что два канала обеспечивают независимую работу и поэтому позволяют использовать два независимых драйвера и контроллера. Этот аспект значительно упрощает электронику.

Были задействованы два вида сенсоров:

  • тензодатчики
  • емкостные сенсоры
Одно из обычных применений этой сборки – это техника сканирования с высокой частотой (используемая в космическом телескопе SOHO / LASCO), для улучшения разрешения видео детектора. Сборка может перемещать как линзу, так и непосредственно датчик изображения. Производятся 4 последовательных снимка (от 1 до 4) (Рис.3). Расстояние между 4 точками соответствует половине пикселя.

ПОВОРОТНО-НАКЛОННЫЕ МЕХАНИЗМЫ

Для некоторых задач, таких как высокоточное слежение, также требуются высокоточные наклонные механизмы. Первое летное применение – это управление входной оптической мощностью в оптическом волокне.

PHARAO (Проект атомных часов с применением охлаждения атомов на орбите) - это цезиевые атомные часы, использующие охлаждение и работу с атомами с применением лазера. Эти методы, которые также использовались на Земле, - позволяют достичь лучших стандартов времени. Задача PHARAO продемонстрировать высокий потенциал часового механизма нового поколения в космосе.

В PHARAO используется 10 поворотно-наклонных механизмов.

Двойной поворотно-наклонный микро механизм был разработан для решения этой задачи. И снова, работа на сжатие-растяжение и два независимых наклонных механизма являются ключевыми характеристиками (Рис. 4). Компания EADS-SODERN впервые применила такой механизм в проекте PHARAO.
 
При уменьшении  габаритов механизма требования по вибрации становятся более существенными. Решения на базе пьезомеханизмов обычно в 3-5 раз легче, чем решение на базе звуковой катушки.

Характеристики механизма находится в пределах требований для лазерной межспутниковой связи:

  • ход +/- 2 милирадиан
  • ширина полосы 1 кГц
  • стабильность лучше, чем 1 микрорадиан
 

Z МЕХАНИЗМ ВРАЩЕНИЯ

Та же методология может быть использована для построения нормально центрированного механизма, осуществляемого только вращение. Этот механизм используется для корректировки вращательного движения на борту GAIA (Global Astrometric Interferometer for Astrophysics — Глобальный астрометрический интерферометр для астрофизики) на видео детекторе инструмента спектрометра радиальной скорости (GAIA Radial Velocity Spectrometer). Опытный макет этого механизма был произведен в обсерватории Париж-Медон. Этот механизм используется в криогенной среде. Производство механизма для работы в криогенной среде возможно и требует соответствующего выбора пьезоматериала и может потребовать дополнительного тестирования.

 

УПРАВЛЯЮЩАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Несмотря на то что пьезоактуаторы имеют неограниченное разрешение, другие характеристики такие как точность и стабильность могут быть улучшены с помощью петли обратной связи, включающей сенсор положения. Таким образом, характеристики становятся зависимыми от управляющей электроники.

Электроника управления пьезоактуаторами должна обладать несколькими свойствами:

 

  • Высоким отношением сигнал/шум
  • Низким током покоя
  • Защитой от короткого замыкания

Электроника FB-LA75-space (Рис. 7) включает:

  • DC/DC конвертер
  • 2 независимых канала с линейным усилителем AB, регулятор пропорционально-интегрального типа, электронику датчиков деформации

Эта электроника была спроектирована в соответствии с требованиями к космическому уровню исполнения, на основании обнародованного номенклатурного перечня. Свойства электроники были протестированы на воздействие температуры и вакуума. Свойства электроники отражаются на характеристиках в Таблице 1.

 

КРАТКИЙ ОБЗОР СТАНДАРТНЫХ СВОЙСТВ

Поворотно-наклонный механизм DTT35XS – это стандартный пример квалифицированного, нормально центрированного механизма. Характеристики поворотно-наклонного механизма DTT35XS и его управляющей электроники приведены в Таблице 1. Особенно примечательны его весовые характеристики. 

Параметр Единицы измерения Величина
Функциональные характеристики
Ход мрад +/- 2
Стабильность в пределах полосы 1 кГц с применением тензодатчиков мкрад 1
Точность с петлей обратной связи % +/-1
Ширина полосы Гц 1000
Эксплуатационные характеристики
Срок службы  полных величин хода 10^8
Условия окружающей среды
Температура хранения градусы Цельсия -50 / 75
Случайные вибрации G, среднеквадратическое значение 41
Ударные нагрузки

G, полусинусоидальный импульс длительностью 500 микросекунд

200
Масса и габариты
Масса г 15
Габариты мм 23*23*16
Управляющая электроника
Шина первичной цепи В 18 - 38
Вторичные выходы В 160, -30, 20, -20
Выходной ток линейного усилителя mA +/- 30
Запас по фазе линейного усилителя градусы, минимум 45
Емкостная нагрузка мкФ 0.2 до 40
Радиационная стойкость кРад 10

 

МЕХАНИЗМЫ ФОКУСИРОВКИ

Атмосферные лидары (LIDAR), предназначенные для дистанционного зондирования Земли, используют высокоточный источник лазерного излучения, работающий на одной частоте. Пьезомеханизмы фокусировки работают в широком диапазоне частот и используются для преодотвращения возможного ухода частоты источника лазерного излучения. Следовательно, параллельно преднагруженные актуаторы, являются хорошо подходящими для этих задач. Преднагрузка является неотъемлемой характеристикой для динамических применений и реализуется с помощью внешней монолитной пружины.

Также нужно отметить, что активные подстроечные пьезо фильтры также могут быть использованы в приемной цепи: пьзоэлектрические актуаторы могут быть использованы для подстройки длины волны резонатора Фабри-Перо.

Впервые данное решение было применено для построения Лазера с Внешним Резонатором, разработанного компанией EADS SODERN для генератора лазерного излучения PHARAO (Рис. 8).

Второе применение – это механизм фокусировки лазерного генератора на борту первого Европейского лидара ALADIN, установленного на борту Европейского спутника AEOLUS. Задача этого лидара – это измерение скорости ветра. Это применение требует наличие лазера для космических применений, обеспечивающего работу с очень точной частотой.

Для компенсации ухода частоты, генератор лазера фокусируется в динамическом режиме с помощью пьезоактуатора (Рис. 9). Это применение является ответственным для пьезоактуатора: оно требует обеспечить работу при воздействии вибрации частотах до 10 кГц и обеспечить срок службы более 10^10 циклов.

Специально для этой задачи был разработан механически преднагруженный актуатор (Рис. 10).


ЗАКЛЮЧЕНИЕ И НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ

Пьезомеханизмы все больше и больше применяются для улучшения оптических характеристик. Нормально центрированные пьезоэлектрические механизмы являются инновационными, обладают малым весом и позволяют  сохранить центральное положение в режиме ограниченной функциональности.

Компания CEDRAT TECHNOLOGIES разработала новую серию нормально центрированных механизмов для космических применений: двухосевые XY сборки и поворотно-наклонные механизмы для сканирования по угалам без каких-либо фиксирующих устройств.

Дополнительно были разработаны следующие решения:

  • Несколько сенсоров положения (тензодатчики, емкостные сенсоры)
  • Несколько решений для увеличения возможности удерживать большую полезную нагрузку в условиях вывода на орбиту
  • Была разработана и протестирована управляющая электроника 

Развивается применение пьезомеханизмов в механизмах фокусировки точных одночастотных лазерных источников, которые истользуются в Лидарах.

Наметившийся тренд – это применение пьезо механизмов в криогенной среде.

 

Загрузить этот материал в формате pdf можно здесь.