CN102012292A

CN102012292A - 一种测量发动机微小推力的装置

Info

Publication number: CN102012292A
Application number: CN 201010500521
Authority: CN
Inventors: 龚景松; 侯凌云; 赵文华
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2010-09-30
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2030-09-30
Also published as: CN102012292B

Abstract

一种测量发动机微小推力的装置，涉及一种力的测量设备。本发明所述装置包括底座、带刀口的竖梁、推进剂贮箱、横梁、配重、发动机、电控箱、力传感器、信号处理单元以及计算机。本发明的特点是采用刀口结构利用配重平衡发动机自重，并根据力学原理，通过力与力臂的关系来消除推进剂管路和控制线路对测量精度的影响。当需要测量的力的范围在百毫牛量级时，其零点飘移小于每小时±1％F.S.，稳态测量误差小于满量程的±1％，且具有很好的重复性。本发明可以满足小卫星姿态控制发动机推力测量的精度要求，在发动机微小推力测量中具有很好的应用前景。

Description

一种测量发动机微小推力的装置

技术领域

本发明涉及一种力的测量设备，尤其涉及一种高精度的微小型发动机的推力测量装置，属于力的测量技术领域。

背景技术

近年来，随着科技的发展，国际小卫星、微小卫星的研制和发展很快，在某种意义上代表了航天器小型化的趋势。小卫星被广泛应用于数据通信、数据传输、地面环境监测、空间环境观测、导航定位、科学试验等众多领域。相对于中高轨卫星，小卫星的投资与营运成本低、应急能力与灵活性强、系统建设周期短，应用前景十分广阔。因此，国际航天界在20世纪末出现了“小卫星热”。

日益兴盛的小卫星、微卫星和微型行星探测器要求星上的推进系统质量更轻、体积更小和效率更高，当它们进行姿控、轨控和星座位置保持时，需要的微小型发动机的推力非常小，有的可以达到mN或亚mN级，通过介质喷射从而对小卫星进行精确控制。而这些微小发动机必须在地面试验后才能用于卫星的空间控制，微小型发动机的性能实验和标定，需要分辨率很高的测量系统，如果测量系统测不出推力，就无法验证发动机的基本性能——比冲。微小推力测量装置可以直观地给出发动机的压力、流量等参数变化引起的推力变化，为发动机的研制、设计及参数的选择提供必要的、有力的技术手段。

发动机的微小推力测量是一项具有挑战性的工作，同时也是一项十分困难的工作。其作用是给微推进系统的开发提供一个测量和标定的平台。也正是因为此，不同国家对此都进行了大量的研究。美国NASA Lewis研究中心采用弯曲位移电磁力补偿、比例微积分电路控制方法测量Arcjet的推力；俄罗斯原子能研究所等机构采用钟摆位移电磁力补偿方法，他们研制的微推进器及微推进器微小推力测量装置处于世界领先地位，但该装置的测量准确度不高。

发明内容

本专利发明的目的是提供一种测量发动机微小推力的装置，可以很好的解决发动机自重、连接的推进剂管道和导线等对测量结果的影响，对mN级推力的测量达到很高的测量精度，对微小卫星的姿态和轨道控制发动机的研究具有重要的意义，在微小卫星用小型发动机的推力测量和研究中具有很好的应用前景。

本发明提供的第一种技术方案如下：

一种测量发动机微小推力的装置，其特征在于：所述装置包括底座、带刀口的竖梁、推进剂贮箱、横梁、配重、发动机、电控箱、力传感器、信号处理单元以及计算机；所述带刀口的竖梁安装在底座上，横梁垂直安置在竖梁的刀口上；所述发动机和配重安装在横梁上，发动机和配重分别位于刀口的两侧；所述的力传感器安装在底座上，该力传感器通过横梁触点与横梁接触，并与发动机设置在横梁的同一侧；所述的推进剂贮箱通过推进剂导管与发动机的推进剂进口相连；发动机通过控制线路与电控箱相连；力传感器通过数据线与信号处理单元连接，信号处理单元通过数据线与计算机连接；力传感器采集的模拟信号经过信号处理单元处理后进入计算机进行处理。

本发明提供的另一种技术方案是：一种测量发动机微小推力的装置，其特征在于：所述装置包括底座、带刀口的竖梁、推进剂贮箱、横梁、配重、发动机、发动机支架、电控箱、力传感器、信号处理单元以及计算机；所述带刀口的竖梁安装在底座上，横梁垂直安置在竖梁的刀口上，所述发动机安装在发动机支架上，该发动机支架竖直固定在横梁上，发动机和配重分别位于刀口的两侧；所述的力传感器安装在底座上，该力传感器通过横梁触点与横梁接触，并与发动机设置在横梁的同一侧；所述的推进剂贮箱通过推进剂导管与发动机的推进剂进口相连；发动机通过控制线路与电控箱相连；力传感器通过数据线与信号处理单元连接，信号处理单元通过数据线与计算机连接；力传感器采集的模拟信号经过信号处理单元处理后进入计算机进行处理。

上述两种技术方案中，所述的推进剂管路含有一段与竖梁平行并固定在竖梁上的一段垂直推进剂管路和一段与横梁平行并固定在横梁上的一段水平推进剂管路；控制线路含有一段与竖梁平行并固定在竖梁上的一段垂直控制线路和一段与横梁平行并固定在横梁上的一段水平控制线路；所述的一段垂直推进剂管路和一段垂直控制线路与刀口在同一竖直平面内。所述的垂直推进剂管路和垂直控制线路分别固定在竖梁的同侧或两侧。

本发明的技术方案还在于：所述的测量发动机微小推力的装置还含有自动标定装置，所述自动标定装置包括标定小球、上限位开关、下限位开关、电动机、偏心轮和托盘；标定小球通过柔性细丝吊装在横梁上；偏心轮安装在电动机的输出轴上；托盘与偏心轮外圆接触。

本发明所具有以下优点及突出性效果：①利用配重来消除发动机自重的影响：由于发动机本身的重量远远大于它工作时所产生的推力，即发动机自重与推力比很高，因此，如果将发动机的自重与推力混在一起进行测量，即相当于在已经很大的力(自重)的基础上再加一个小的力，如果要保证很高的测量精度，则测量会很困难，对测量装置的要求过高，而一般的测量装置则精度会很低，所以要消除自重对测量的影响。在重力场中，消除自重对推力的影响，就是要解决自重与推力的分离，基于此，本发明利用力矩具有方向性来达到使发动机自重与产生的推力分离的目的，采用配重法来对发动机的自重进行补偿，从而提高测量精度。②消除推进剂管路及控制线路对测量系统的影响：推进剂管路及控制导线与发动机的连接是十分关键的，由于发动机工作时所产生的推力会使横梁有微小的运动，进而会导致推进剂管路及控制线路的变形，如果测量的力很大，则此变形可以忽略。对于小推力的发动机，推进剂管路的连接和变形所产生的力对测量系统造成的影响可以与发动机产生的推力具有相同的数量级，此影响已经无法忽略。本发明通过对推进剂管路及控制线路的特殊布置，将变形的力或力臂做到最小，从而消除变形对测量结果的影响，进一步提高了测量精度。在被测量的力的范围在百毫牛量级时，其零点飘移小于每小时±1％F.S.，稳态测量误差小于满量程的±1％。

③为了准确测量推力的大小，本发明还安装了标定装置，该装置可以完成自动标定过程。

附图说明

图1为本发明提供的第一种技术方案的实施例的原理结构示意图。

图2为本发明提供的第二种技术方案的实施例的原理结构示意图。

图3为本发明提供的自动标定装置的结构示意图。

图4为本发明提供的垂直推进剂管路和垂直控制线路布置在竖梁同侧的结构示意图。

图5为本发明提供的垂直推进剂管路和垂直控制线路布置在竖梁两侧的结构示意图。

图中：1-底座；2-竖梁；3-推进剂贮箱；4-刀口；5-横梁；6-配重；7发动机支架；8-发动机；9-推进剂管路；10-横梁触点；11-传感器；12-柔性丝；13-标定小球；14自动标定装置；15-计算机；16信号处理单元；17-电控箱；18-控制线路；141-限位开关支板；142-上限位开关；143-下限位开关；144电动机；145-偏心轮；146托盘。

具体实施方式

微小推力难测的根本原因是由于研制发动机的工作是在地球的重力场中进行的，而微小推力发动机的特点是其自重远远大于其产生的推力；另外，提供发动机推进剂的管路和控制线路对推力测量的影响极大，这是由于推力产生后，会产生一定的变形，变形的应力会对测量结果产生一定的影响，但这部分影响又难以直接测量得出，从而影响最终的测量精度。本发明提供的技术方案可以很好的解决上述问题，从而对mN级推力达到很高的测量精度。具体实现上，就是将发动机放在横梁一端，在另一端施加配重，利用力矩的方向性，通过调整配重的质量和距离刀口的远近使横梁平衡来消除自重的影响。

下面结合附图，对本发明的具体结构、工作原理和工作过程作进一步的说明。

图1为本发明提供的第一种技术方案的实施例的原理结构示意图，所述装置包括底座1、带刀口的竖梁2、推进剂贮箱3、横梁5、配重6、发动机8、电控箱17、力传感器11、信号处理单元16以及计算机15；带刀口的竖梁2安装固定在底座上，横梁5以刀口为支点垂直安置在竖梁的刀口4上；所述发动机8和配重6安装在横梁上，发动机8和配重6分别位于刀口的两侧，并保持横梁5平衡；所述的力传感器安装在底座1上，该力传感器通过横梁触点10与横梁接触，并与发动机设置在横梁的同一侧；所述的推进剂贮箱3通过推进剂导管9与发动机的推进剂进口相连；发动机通过控制线路与电控箱17相连；力传感器通过数据线与信号处理单元16连接，信号处理单元通过数据线与计算机15连接；力传感器采集的模拟信号经过信号处理单元16处理后进入计算机进行处理。

图2为本发明提供的第二种技术方案的实施例的原理结构示意图，该方案与第一种技术方案不同之处是：该装置还包括一个发动机支架7，所述发动机安装在发动机支架上，该发动机支架竖直固定在横梁上，发动机和配重分别位于刀口的两侧。

为了提高测量精度，消除推进剂管路和控制线路对微小推理所带来的影响，本发明还采用了如下技术措施：使推进剂管路9含有一段与竖梁平行并固定在竖梁上的一段垂直推进剂管路和一段与横梁平行并固定在横梁上的一段水平推进剂管路；使控制线路18含有一段与竖梁平行并固定在竖梁上的一段垂直控制线路和一段与横梁平行并固定在横梁上的一段水平控制线路；所述的一段垂直推进剂管路和一段垂直控制线路与刀口在同一竖直平面内。垂直推进剂管路和垂直控制线路可分别固定在竖梁的同侧或两侧。

本发明一般在真空条件下工作，与外界大气隔离，为了准确测量推力的大小，在使用前需要对测量装置进行标定，同时可以验证真空下与大气环境下测量的一致性。因此，本发明还包括一个自动标定装置，该自动标定装置包括标定小球13、上限位开关142、下限位开关143、电动机144、偏心轮145和托盘146；标定小球13通过柔性细丝12吊装在横梁5上；偏心轮安装在电动机的输出轴上；托盘与偏心轮外圆接触。进行标定的时候，电动机带动托盘下移，标定小球离开了托盘的托载，其重量完全加载在横梁上，这时系统会测量出加载的力的大小，而此力是已知的，通过对比测量和已知值，就可以得到系统的工作系数。标定完成后，托盘升起，托起标定小球，小球的重量完全由托盘承载，横梁不受作用力。托盘的升降距离由上、下限位开关进行控制，整个标定过程简单可靠。

本发明的工作过程如下：

首先将发动机8安装在横梁5(竖直安装)上，或安装在发动机支架7(水平安装)上，利用配重6来平衡发动机自身的重量，就是利用力矩的方向性，通过调整配重的质量和距离刀口的远近使横梁平衡来消除自重的影响。然后利用自动标定装置14对测量系统进行标定，通过推进剂管路9和控制线路18给发动机供给推进剂和供电，发动机工作产生的推力经过横梁作用在力传感器11上，得到的模拟电信号进入信号处理单元进行放大和处理后输入计算机中，信号在计算机中进行后续的计算得到推力的数值。

Claims

1.一种测量发动机微小推力的装置，其特征在于：所述装置包括底座(1)、带刀口的竖梁(2)、推进剂贮箱(3)、横梁(5)、配重(6)、发动机(8)、电控箱(17)、力传感器(11)、信号处理单元(16)以及计算机(15)；所述带刀口的竖梁(2)安装在底座上，横梁(5)垂直安置在竖梁的刀口(4)上；所述发动机(8)和配重(6)安装在横梁上，发动机(8)和配重(6)分别位于刀口的两侧；所述的力传感器安装在底座(1)上，该力传感器通过横梁触点(10)与横梁接触，并与发动机设置在横梁的同一侧；所述的推进剂贮箱(3)通过推进剂导管(9)与发动机的推进剂进口相连；发动机通过控制线路与电控箱(17)相连；力传感器通过数据线与信号处理单元(16)连接，信号处理单元通过数据线与计算机(15)连接；力传感器采集的模拟信号经过信号处理单元(16)处理后进入计算机(15)进行处理。

2.一种测量发动机微小推力的装置，其特征在于：所述装置包括底座(1)、带刀口的竖梁(2)、推进剂贮箱(3)、横梁(5)、配重(6)、发动机(8)、发动机支架(7)、电控箱(17)、力传感器(11)、信号处理单元(16)以及计算机(15)；所述带刀口的竖梁(2)安装在底座上，横梁(5)垂直安置在竖梁的刀口(4)上，所述发动机(8)安装在发动机支架(7)上，该发动机支架竖直固定在横梁上，发动机和配重分别位于刀口的两侧；所述的力传感器安装在底座(1)上，该力传感器通过横梁触点(10)与横梁接触，并与发动机设置在横梁的同一侧；所述的推进剂贮箱(3)通过推进剂导管(9)与发动机的推进剂进口相连；发动机通过控制线路与电控箱(17)相连；力传感器通过数据线与信号处理单元(16)连接，信号处理单元通过数据线与计算机(15)连接；力传感器采集的模拟信号经过信号处理单元(16)处理后进入计算机(15)进行处理。

3.按照权利要求1或2所述的一种测量发动机微小推力的装置，其特征在于：推进剂管路(9)含有一段与竖梁平行并固定在竖梁上的一段垂直推进剂管路和一段与横梁平行并固定在横梁上的一段水平推进剂管路；控制线路(18)含有一段与竖梁平行并固定在竖梁上的一段垂直控制线路和一段与横梁平行并固定在横梁上的一段水平控制线路；所述的一段垂直推进剂管路和一段垂直控制线路与刀口在同一竖直平面内。

4.按照权利要求3所述的一种测量发动机微小推力的装置，其特征在于：所述的垂直推进剂管路和垂直控制线路分别固定在竖梁的同侧或两侧。

5.按照权利要求1或2所述的一种测量发动机微小推力的装置，其特征在于：该测量发动机微小推力的装置还含有自动标定装置(14)，所述自动标定装置包括标定小球(13)、上限位开关(142)、下限位开关(143)、电动机(144)、偏心轮(145)和托盘(146)；标定小球(13)通过柔性细丝(12)吊装在横梁(5)上；偏心轮安装在电动机的输出轴上；托盘与偏心轮外圆接触。