專利名稱：一種噴氣推力的測量方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種噴氣推力的測量方法及其裝置，特別涉及一種在軌航天器姿態(tài)控制與軌道控制用的噴氣推力的測量方法及其裝置。
背景技術(shù)：
隨著時代的發(fā)展，太空制約能力對一個國家的安全和發(fā)展起著越來越至關(guān)重要的作用。化學(xué)推進(jìn)劑適用于短時間、大推力的推進(jìn)任務(wù)。相對來說，電火箭推進(jìn)技術(shù)能夠獲得較高的運(yùn)載效率，適用于長時間、中小推力、高比沖的推進(jìn)任務(wù)。目前，對于各種用途的衛(wèi)星或航天器，為減少重量和尺寸、提高定位精度、延長運(yùn)行壽命，使用空間電推進(jìn)技術(shù)已成為必不可少的有效途徑。無論是國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、國家安全、還是未來對深空的科學(xué)研究，都需要發(fā)展高效率的空間電推進(jìn)技術(shù)。這是因為與傳統(tǒng)的姿控/軌控化學(xué)火箭相比，電推進(jìn)方式具有高比沖的突出優(yōu)點?？臻g電推進(jìn)技術(shù)大致可以分為1)電熱型，包括電阻加熱射流方式和電弧加熱等離子體射流方式；2)靜電加速型，如離子推力器；3)等離子體推進(jìn)型，包括霍爾推力器、脈沖等離子體推力器、磁等離子體動力學(xué)推力器和可變比沖磁等離子體推力器。迄今為止，世界上已有數(shù)百顆衛(wèi)星使用了電推進(jìn)系統(tǒng)，積累了大量的有用數(shù)據(jù)。但是，我國還沒有任何種類的電推進(jìn)推力器達(dá)到或接近實際應(yīng)用的綜合性能指標(biāo)。
任何種類的電推進(jìn)推力器，在真正能夠上天運(yùn)行之前，都必須在地面進(jìn)行大量的性能研究和可靠性模擬實驗。其中，推力的測量是必不可少的，尤其是對小推力推力器的推力的精確測量是至關(guān)重要的。用于空間電推進(jìn)的推力器的特點之一就是推力比較小，因而電推進(jìn)推力器地面測試非常關(guān)鍵的技術(shù)之一即為推力器的微小推力測量。測不出推力，就無法驗證推力器的基本性能。因此，人們提出了各種不同原理的測力器，例如有倒鐘擺式、雙擺式、扭擺式、多臂式等測量方法；也有直接將推力器座在天平上(即推力方向與重力方向一致)的測力方法，或者是在座上去的基礎(chǔ)上再作些重心平衡的處理或補(bǔ)償；也有用激光干涉原理的測量方法。這些方法都存在設(shè)置調(diào)試和校準(zhǔn)要求非常高，尤其是有些需要配重和調(diào)重心的測量方式，需要針對不同種類、重量、形狀的推力推力器進(jìn)行測力器結(jié)構(gòu)設(shè)計和調(diào)試，并且同一測量儀對同一形狀和重量的推力器，也會因為每次調(diào)試時難以把握的微小變化而產(chǎn)生無法估測的測量誤差。在這種情況下，提出某種測量原理或測力器的精度或測量誤差，在實際應(yīng)用時是沒有意義的。電推進(jìn)推力器微小推力如此難測的根本原因是由于地面測試是在地球的重力場中進(jìn)行的，而電推進(jìn)推力器的特點是其自重遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其產(chǎn)生的推力。國外已有將電火箭送到太空去測量，但是這樣的測量對研制電推力推力器而言必然非常昂貴而難以承受。此外供電系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、推力器本身工作發(fā)熱、測量的真空環(huán)境對推力測量的影響也非常大，為此，人們一直在尋找一種理想的高精度噴氣推力測量方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有的測力原理在測量噴氣推力時調(diào)試和校準(zhǔn)要求高，容易產(chǎn)生測量誤差的缺陷，提供一種簡單易行的測力方法，并給出了實現(xiàn)該方法的測量裝置。
實現(xiàn)本方法的測量裝置包括基座15，和垂直固定在基座15上的第一支架1、第二支架14，以及測力機(jī)構(gòu)；測力機(jī)構(gòu)包括連有信號線13的傳感器11，一端開有定位孔24的懸臂梁10，固定在懸臂梁10的上端的測力支件21，通過定位孔24將懸臂梁10固定在支架上的緊固件12。所述的懸臂梁10的上端懸浮并高于所述支撐座3，所述的傳感器11貼附在懸梁臂10的表面，并通過信號線13與外部的采集、處理及顯示系統(tǒng)電連接。測量裝置特征在于，還包括導(dǎo)向機(jī)構(gòu)2、軸承組16、支撐座3組成的推力器承載臺架和固定定位機(jī)構(gòu)；其中所述第一支架1和第二支架14頂端支撐所述導(dǎo)向機(jī)構(gòu)2，軸承組16由導(dǎo)向機(jī)構(gòu)2限制運(yùn)動，支撐座3與軸承組16固定在一起，被測推力的推力器6固定在支撐座3上。
上述的技術(shù)方案中，所述傳感器11可為應(yīng)力應(yīng)變片。而另一種技術(shù)方案是所述傳感器11為渦流感應(yīng)位移傳感器。
上述技術(shù)方案中，軸承組由2個以上軸承組成，通過導(dǎo)向機(jī)構(gòu)2相互定位，并與支撐座3連接。使得裝載推力器6的支撐座3達(dá)到穩(wěn)定與平衡。
上述技術(shù)方案中，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)2使得軸承組16在確定方向作直線移動，移動方向與推力方向平行，并且軸承組16與導(dǎo)向機(jī)構(gòu)2之間的水平滑動阻力小于1mN。
上述技術(shù)方案中，裝載推力器的支撐座3，如定向直線平移的臺車，移動方向與測力懸臂梁垂直。
上述技術(shù)方案中，支撐座的形貌設(shè)計能實現(xiàn)在鎖緊推力器的同時，使得推力器推力方向與軸承組移動方向平行。
上述技術(shù)方案中，調(diào)整基座15的水平度，使推力方向與重力方向夾角等于或略小于90度，消除沿推力方向滑動時由重力產(chǎn)生的附加阻力。
本發(fā)明的優(yōu)點在于1、由于電推進(jìn)火箭推力器與軸承組固接，只要制作時根據(jù)推力器的重量和大小選擇合適尺寸和承載能力的軸承，加工配合尺寸合理，組裝時將軸承滑移的阻力調(diào)到最小，推力器支撐座就像裝在阻力極小的滑軌上的平穩(wěn)的車座，在將推力器與車座固接時，不要求注意推力器重心位置和機(jī)身平衡的調(diào)節(jié)，只需保證推力與直線軸承的滑動方向相互平行，就可實現(xiàn)高精度的測量。
2、保證推力(也就是推力器軸線)與軸承組導(dǎo)向機(jī)構(gòu)平行的條件，是在支撐座和支架以及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計時，就根據(jù)推力器的結(jié)構(gòu)考慮了固結(jié)時的定位限制，因而不依賴于安裝和調(diào)試人員的操作感覺，所以也不會因人而異，更不需要每次安裝時煩雜細(xì)致而又不能保證重復(fù)性的校準(zhǔn)，因此實驗測量結(jié)果的可重復(fù)性好，推力器不同運(yùn)行參數(shù)時的推力測量結(jié)果的可比性強(qiáng)。


圖1為本發(fā)明的噴氣推力測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的傳感器選用應(yīng)力應(yīng)變片時，傳感器與懸臂梁的相互關(guān)系示意圖；圖3為本發(fā)明的傳感器選用渦流感應(yīng)傳感器時，傳感器與懸臂梁的相互關(guān)系示意圖；圖4是本發(fā)明的推力標(biāo)定及校驗的系統(tǒng)示意圖。
圖面說明1 第一支架 2 導(dǎo)向機(jī)構(gòu) 3 支撐座4 高速氣流 5 箭頭6 推力器 7 供給氣路 8 電源線9 頂頭 10 懸臂梁11 傳感器 12 緊固件13 信號線14 第二支架 15 基座16 軸承組 21 測力支件 24 定位孔30 連接件31 傳力件33 位移傳感件 37 光纖 38 精密軸承 39 軸40 砝碼
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的噴氣推力的測量裝置進(jìn)行詳細(xì)說明。
實施例1參考圖1，制作一臺本發(fā)明的噴氣推力的測量裝置。將第一支架1和第二支架14固定在基座15上，第一支架1和第二支架14頂端支撐一導(dǎo)向機(jī)構(gòu)2。軸承組16和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)2構(gòu)成運(yùn)動副，支撐座3與軸承組16固定在一起，被測推力的推力器6固定在支撐座3上，從而實現(xiàn)與軸承組16的固定。所述支撐座3由絕熱良好的材料制成。
如圖2所示，一根金屬條作為懸臂梁10，該金屬條的懸臂梁10一端開有定位孔24，緊固件12通過定位孔24將懸臂梁10固定在第二支架14上，也可以固定在第一支架1上，緊固件12可固定于支架上不同的位置上，以適合不同尺寸的推力器的推力測量。本實施例的傳感器I1使用應(yīng)力應(yīng)變片，該應(yīng)力應(yīng)變片貼附在懸梁臂10的表面，應(yīng)力應(yīng)變片通過信號線13與外部的采集、處理及顯示系統(tǒng)電連接，應(yīng)力應(yīng)變片感應(yīng)懸梁臂10的變形量。
利用本發(fā)明的噴氣推力的測量裝置對推力器的噴氣推力進(jìn)行測量時，推力器6由供給氣路7供入推力器推進(jìn)劑，由電源線8給推力器供電，以便對推進(jìn)劑加熱。工作時推力器6的噴嘴噴出高溫高速氣流4，同時對推力器產(chǎn)生箭頭5所示方向的推力，如圖1和2所示，該推力通過固接于推力器6的頂頭9，作用于測量裝置懸臂梁10的懸浮端上的測力支件21。懸臂梁10在推力的作用下產(chǎn)生形變，應(yīng)力應(yīng)變片感應(yīng)形變量，輸出電信號并通過信號線13經(jīng)電路板轉(zhuǎn)換為對應(yīng)于力大小的電壓并通過數(shù)碼管顯示為測力讀數(shù)。
實施例2如圖1所示，制作一臺本發(fā)明的噴氣推力的測量裝置。制成一基座15，在基座15上固定第一支架1和第二支架14，第一支架1和第二支架14的頂端支撐導(dǎo)向機(jī)構(gòu)2。軸承組16和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)2構(gòu)成運(yùn)動副，支撐座3與軸承組16固定在一起，被測推力的推力器6通過螺釘固定在支撐座3上，從而實現(xiàn)與軸承組16的固定。所述支撐座3由絕熱良好的材料制成。如圖2所示，懸臂梁10的一端上有定位孔24，緊固件12通過定位孔24將懸臂梁10固定在第二支架14上，緊固件12可固定于第二支架14的不同位置，以適合不同尺寸的推力器的推力測量。懸梁臂10的懸浮端的附近有傳感器11，所述傳感器11采用渦流感應(yīng)位移傳感器。
利用本發(fā)明的噴氣推力的測量裝置對推力器的噴氣推力進(jìn)行測量，在測量前，如圖3所示，推力器6通過連接件30與傳力件31的一端固定，傳力件31的另一端與位移傳感件33連接。所述渦流感應(yīng)位移傳感器在安裝時應(yīng)當(dāng)與位移傳感件33對齊，兩者間存在一定的距離。測量時，推力器6由供給氣路7供入推力器推進(jìn)劑，由電源線8給推力器供電，推進(jìn)劑在推力器6加熱并由噴嘴噴出形成高溫高速氣流4，同時對推力器產(chǎn)生箭頭5所示方向的推力，推力通過傳力件31作用于懸臂梁10，懸臂梁10在推力作用下產(chǎn)生變形，以致與傳力件31連接的位移傳感件33產(chǎn)生與力的作用方向平行的移動，位移傳感件33與渦流感應(yīng)傳感器之間的間隙發(fā)生變化，該間隙變化由渦流感應(yīng)傳感器感知并變換為電信號，再通過信號線13傳入信號處理電路板，根據(jù)電路板輸出電壓和標(biāo)定關(guān)系即可得到作用力的大小。
實施例3圖4是本發(fā)明的噴氣推力的測量裝置的靜態(tài)標(biāo)定示意圖，推力器6的中心形成小孔，200微米直徑光纖37一端固定連結(jié)在推力器噴口，另一端貫穿小孔和電推力推力器6的中軸孔，并從頂頭9，懸臂梁10中穿過，最后搭在精密軸承38上。精密軸承38的中心固定在軸39上，而軸39則固定在測量裝置的基座15上，光纖接近精密軸承38的一端安裝可卸載砝碼40，與砝碼40的重力大小相同的推力如箭頭5所示作用在懸臂梁10上，傳感器11檢測作用在懸臂梁10上的受力。對比經(jīng)由傳感器測得的作用力和砝碼40的重力即可標(biāo)定本發(fā)明的噴氣推力的測量裝置。
權(quán)利要求
1.一種噴氣推力的測量裝置，包括基座(15)，和垂直固定在基座(15)上的第一支架(1)、第二支架(14)，以及測力機(jī)構(gòu)；測力機(jī)構(gòu)包括連有信號線(13)的傳感器(11)，一端開有定位孔(24)的懸臂梁(10)，固定在懸臂梁(10)的上端的測力支件(21)，通過定位孔(24)將懸臂梁(10)固定在支架上的緊固件(12)。所述的懸臂梁(10)的上端懸浮并高于所述支撐座(3)，所述的傳感器(11)貼附在懸梁臂(10)的表面并通過信號線(13)與外部的采集、處理及顯示系統(tǒng)電連接。測量裝置特征在于，還包括導(dǎo)向機(jī)構(gòu)(2)、軸承組(16)、支撐座(3)組成的推力器承載臺架和固定定位機(jī)構(gòu)；其中所述第一支架(1)和第二支架(14)頂端支撐所述導(dǎo)向機(jī)構(gòu)(2)，軸承組(16)由導(dǎo)向機(jī)構(gòu)(2)限制運(yùn)動，支撐座(3)與軸承組(16)固定在一起，被測推力的推力器(6)固定在支撐座(3)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴氣推力的測量裝置，其特征在于軸承組由2個以上軸承組成，通過導(dǎo)向機(jī)構(gòu)相互定位，并與支撐座連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的軸承組，其特征在于導(dǎo)向機(jī)構(gòu)使得軸承組在確定方向作直線移動，移動方向與推力方向平行，并且軸承組與導(dǎo)向機(jī)構(gòu)之間的水平滑動阻力小于1mN。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的軸承組和支撐座，其特征在于裝載推力器的支撐座，如定向直線平移的臺車，移動方向與測力懸臂梁垂直。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的承載臺架，其特征在于支撐座的形貌設(shè)計能實現(xiàn)在鎖緊推力器的同時，使得推力器推力方向與軸承組移動方向平行。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的噴氣推力的測量裝置，其特征在于調(diào)整基座的水平調(diào)整機(jī)構(gòu)，使推力方向與重力方向夾角等于或略小于90度，消除機(jī)構(gòu)沿推力方向滑動時由重力產(chǎn)生的附加阻力。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種噴氣推力的測量裝置，包括垂直固定在基座上的第一支架和第二支架頂端支撐一導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，一軸承組套在導(dǎo)向機(jī)構(gòu)上，支撐座與軸承組固定在一起，被測推力的推力器通過螺釘固定在支撐座上；測力機(jī)構(gòu)包括一端開有定位孔的懸臂梁，緊固件通過定位孔將懸臂梁固定在支架上，懸臂梁的上端懸浮并高于支撐座，傳感器貼附在懸梁臂的表面，該傳感器通過信號線與外部的采集、處理及顯示系統(tǒng)電連接。本發(fā)明的噴氣推力測量裝置不依賴于安裝和調(diào)試人員的操作感覺，所以也不會因人而異，更不需要每次安裝時煩雜細(xì)致而又不能保證重復(fù)性的校準(zhǔn)，因此實驗測量結(jié)果的可重復(fù)性好，推力器不同運(yùn)行參數(shù)時的推力測量結(jié)果的可比性強(qiáng)。
文檔編號G01L5/00GK101055215SQ20061007217
公開日2007年10月17日 申請日期2006年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月14日
發(fā)明者潘文霞, 吳承康, 李騰 申請人:中國科學(xué)院力學(xué)研究所