CN104535239B - 一种具有圆柱形靶的微小推力测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有圆柱形靶的微小推力测量装置，包括靶系统、位移传感器系统、靶安装块与热防护系统；其中，靶系统中，通过垂直角铝实现弹性梁与靶安装块间的连接定位，保证弹性梁的垂直度；弹性梁底端安装靶；通过对靶的设计，使羽流的轴向速度转化为径向速度，减小靶对发动机羽流场的影响，使测量结果更精确。所述位移传感器系统中，传感器安装杆竖直设置，顶端与靶安装块底面固定；传感器安装杆底端通过传感器安装板安装有位移传感器。热防护系统中，通过两段陶瓷管实现对弹性梁的热防护，同时通过传感器保护罩实现传感器的热防护。本发明的优点为：实现测量装置的一体化，测量结果的可靠性。

Description

一种具有圆柱形靶的微小推力测量装置

技术领域

本发明涉及空间微小推力推力器领域，具体来说，是一种具有圆柱形靶的微小推力测量装置。

背景技术

随着电推进技术的发展，越来越多的电推力器被设计出来，但是很多电推力器的推力都是mN级的，常规推力测量的方法难以对这么微小的推力进行精确测量。而推力又是推力器的一个非常重要的参数，如果无法确定推力，推力器的一些重要的性能参数，例如比冲也将无法确定，这会为推力器的实际应用带来很大麻烦。

据现有资料来看，国内清华大学研制过针对微喷管装置的标靶法推力测量装置，该装置中靶的安装方式为悬挂式，测量时把靶视为单摆的质点。使用单摆模型的前提是靶的悬挂装置的长度相对靶面的特征长度来说要足够大，所以这种测量装置需要较大的空间，而且悬挂安装的靶必然存在一个转轴，转轴处的滑动摩擦力对测量结果会有一定的影响。并且这种测量装置针对的推力器是一种微型的冷气推力器，喷出的燃气是氮气，温度较低，而附加场等离子体推力器喷出的是高温的羽流，工况十分恶劣。另外该系统中用于位移测量的传感器是电涡流位移传感器，这种传感器难以在附加场等离子体推力器羽流的强电磁环境中正常工作。在国外已经有了针对离子推力器的投靶法推力测量装置，但是国外的投靶法测量装置在测量靶的位移时用激光反射的方法，这种方法容易受到发动机发出的强光的干扰。而且该系统中靶和位移测量装置是分开的，每次移动靶的位置都需要重新标定推力架。所以这些装置都不适合附加场等离子体推力器的推力测量。

且在投靶法推力测量装置中，推力器功率通常比较大，其结果就是发动机羽流的热释放量非常大，所以弹性梁受到的热辐射量很大。如果不对其进行热防护，梁的温度会升高很快，其结果就是梁的弹性系数会发生明显改变，测量结果就会产生很大的误差。另外位移测量装置对工作温度也有要求，超过一定温度之后就无法正常工作了。所以弹性梁和位移测量装置都属于对温度要求较高的元件，需要对其进行热防护，以保证其能够正常工作。

上述投靶法的原理是利用一个靶面接受发动机羽流的撞击，靶和一个弹性元件固定在一起，靶的移动距离和受到的力是线性关系。测量前利用砝码对线性元件进行标定，即可确定靶的位移与受力之间的关系。实际测量时只需要测量靶在羽流作用下发生的位移即可根据标定的结果推算出靶的受力情况。为了使测量结果更加可靠，弹性元件需要具有较好的线性度，同时靶作为投靶法微小推力测量系统的一个关键部件，需要足够的刚度和面积，以便接收尽可能多的羽流，同时在被羽流撞击时不至于发生明显变形而影响了测量。普通的靶多是平面型的靶，结构简单，安装方便。但是羽流撞击到平面型的靶之后会反弹，对发动机的羽流场会有影响，可能会使发动机的性能参数发生改变。

发明内容

针对上述问题，本发明专门针对附加场等离子体推力器，设计一种具有圆柱形靶的微小推力测量装置，且具有热防护系统保证其中弹性元件—弹性梁，以及位移传感器的正常工作；同时，还对传统平面型靶进行改进，可减小靶对发动机羽流场的影响，减小了羽流撞击了靶之后方向分布的不确定性，使测量结果更精确。

一种具有圆柱形靶的微小推力测量装置，包括靶系统、位移传感器系统、靶安装块与热防护系统；其中，靶系统包括靶、弹性梁与垂直角铝；位移传感器系统包括位移传感器、传感器安装杆。

所述靶系统中，垂直角铝为由横板与纵板构成的截面为L型铝件；横板与靶安装块的下表面贴合，横板端面通过靶安装块上设计的定位台阶实现前后方向上的定位；纵板的外侧面上开有竖直定位凹槽；弹性梁与定位凹槽配合设置在定位凹槽中，实现弹性梁的定位固定；并使弹性梁顶端顶住靶安装块底面；弹性梁底端安装有靶。靶采用圆柱形结构，包括靶体、靶口、靶底；其中，靶体为垫片与环形透气片交替层叠设置的圆柱筒状结构；每组垫片至少为3个，周向均布，使两相邻透气片间形成空隙。靶体前端与后端分别安装有靶口与靶底；靶口为具有锥形截面的筒状结构，同轴设置在靶体内部前端。靶底采用底面为开口的空心圆锥体结构；靶底同轴设置在靶体内部；

所述位移传感器系统中，传感器安装杆竖直设置，顶端与靶安装块底面固定。传感器安装杆底端通过传感器安装板安装有位移传感器，使位移传感器的测量端正对弹性梁中部。

所述热防护系统包括陶瓷管、陶瓷管连接套与传感器保护罩；陶瓷管设计为上部陶瓷管与下部陶瓷管两段；上部陶瓷管与下部陶瓷管直径相等，均大于弹性梁直径；上部陶瓷管、下部陶瓷管与连接套均套在弹性梁上；上部陶瓷管顶端与靶安装块固定；上部陶瓷管底端与下部陶瓷管顶端分别配合插入陶瓷管连接套两端固定；陶瓷管连接套中部开口，形成光路。

所述传感器保护罩为顶面开口的盒体，罩住位移传感器；传感器保护罩顶端固定于传感器安装板上；传感器保护罩侧面开有测量口，测量口位于位移传感器测量端对应位置；传感器保护罩侧面还开有穿线口。

本发明的优点为：

1、本发明推力测量装置，通过靶安装块使得整个测量装置实现的一体化，这样调整测量装置和发动机之间的间距就非常方便，甚至可以在测量过程中连续自动调整；

2、本发明推力测量装置，在使用时靶安装块会和一台位移机构的移动平台固连，这样整个测量装置就可以很方便的移动，同时装置内部各个部件还能保持相对位置不变，这就使得只要在实验前进行一次标定就能保证整个实验过程中测量结果的可靠性；

3、本发明推力测量装置，考虑附加场等离子体推力器工作时周围有强磁场，而其喷出的羽流中有很多带电粒子，所以发动机周围会有较强的电磁场，之前提过的电涡流式位移传感器在这种工况下是难以正常工作的，因此选用激光位置传感器进行测量，可忽略其自身受到的影响；

4、本发明推力测量装置，考虑靶处于羽流中心位置，温度会比较高，而激光传感器在高温下是不能正常工作的，把测量点上移之后传感器所处位置的温度比较低，同时也便于对传感器进行其他热防护，因此位移传感器的测试点选择的是弹性梁而不是靶面；

5、本发明推力测量装置，不干扰弹性梁的运动，在传感器的测量端、接收端和弹性梁之间的光路通畅，不干扰测量系统的正常工作；

6、本发明推力测量装置，能够使被保护的部件的温度低于指定值，且质量小；

7、本发明推力测量装置，通过对靶的改进，可以使羽流的轴向速度转化为径向速度，能够减小靶对发动机羽流场的影响，使测量结果更精确。

附图说明

图1为本发明微小推力测量装置整体结构示意图；

图2为本发明微小推力测量装置中垂直角铝结构示意图；

图3为本发明微小推力测量装置中靶安装块结构示意图；

图4为本发明微小推力测量装置中靶结构示意图；

图5为靶结构中靶口结构示意图；

图6为靶结构中靶底结构示意图；

图7为本发明微小推力测量装置中梁安装块结构示意图；

图8为本发明微小推力测量装置中传感器安装杆结构示意图；

图9为本发明微小推力测量装置中传感器安装顶板结构示意图；

图10为本发明微小推力测量装置的热防护系统中陶瓷管连接套结构示意图；

图11为本发明微小推力测量装置的热防护系统中定位套结构示意图；

图12为本发明微小推力测量装置的优选热防护系统结构示意图。

1-靶系统 2-位移传感器系统 3-靶安装块

4-热防护系统 101-靶 102-弹性梁

103-垂直角铝 104-定位台阶 201-传感器安装杆

202-传感器安装板 203-位移传感器 204-定位凹槽

205-阶梯孔 401-陶瓷管 402-陶瓷管连接套

403-传感器保护罩 404-定位套 405-凸耳

406-T型槽 101a-靶体 101b-靶口

101c-靶底 101d-垫片 101e-透气片

101f-梁安装块 101g-间隙

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明一种具有圆柱形靶的微小推力测量装置，包括靶系统1、位移传感器系统2与靶安装块3，如图1所示；其中，靶系统1包括靶101、弹性梁102与垂直角铝103；位移传感器系统2包括传感器安装杆201、传感器安装板202与位移传感器203；靶安装块3是靶系统1和传感器系统2的安装基础，用来实现靶系统1和传感器系统2两者与外部位移机构的移动平台间的固定。

所述靶系统1中，垂直角铝103为由横板与纵板构成的截面为L型铝件，如图2所示，用来实现弹性梁102与靶安装块3间的相对固定。垂直角铝103的横板与靶安装块3的下表面贴合，横板端面与靶安装块3上设计的定位台阶104侧面贴合，实现垂直角铝103在靶安装块3上前后方向上的定位，如图3所示。纵板的外侧面上开有竖直定位凹槽204，用来定位弹性梁102；弹性梁102与定位凹槽204配合设置在定位凹槽204中，实现弹性梁102前后方向以及左右方向上的定位，通过螺钉将弹性梁102与纵板间固定；并使弹性梁102顶端顶住靶安装块底面，实现弹性梁在竖直方向上的定位，此时，通过螺钉将横板与靶安装块3间固定，实现弹性梁102与靶安装块3间的固定，且通过垂直角铝103与定位台阶104可保证弹性梁102的垂直度。

弹性梁102底端安装有靶101。本发明中靶101采用圆柱形结构，包括靶体101a、靶口101b与靶底101c，如图4所示，其中，靶体101a包括n组垫片101d与n-1个环形透气片101e交替层叠设置的圆柱筒状结构；每组垫片101d至少为3个，周向均布，使两相邻透气片101e间形成空隙；上述n≥2，具体数量根据测量发动机排气量具体设置。靶体101a前端与后端分别安装有靶口101b与靶底101c。如图5所示，靶口101b为具有锥形截面的筒状结构，同轴设置在靶体101a内部前端，使靶口101b大直径端周向外凸边缘与靶体101a前端周向贴合定位，进而使靶体101a前端形成收缩口，作为羽流进入靶体101a的通道；同时，通过靶口101b的收缩口设计，使射在靶口101b边缘的羽流反弹之后仍然能够流入靶体101a。如图6所示，靶底101c采用底面为开口的空心圆锥体结构，锥角为90度；靶底101c同轴设置在靶体101a内部，并使靶底101c底面周向外凸边缘与靶体101a后端周向贴合定位；通过靶底101c的锥形结构，可改变羽流方向的，使轴向羽流撞击靶底101c之后方向会变为径向，同时避免羽流反向回流；进入靶体101a内的径向羽流经相邻透气片101e间的间隙流出靶体101a，由于透气片101e之间的间隙比较小，所以可以把间隙看做一个个平面，这些平面都与靶体101a的轴线垂直，所以通过透气片101e间隙的气体只能沿径向方向排出。透气片101e的设计是对锥形靶底101c的补充，都是用来保证从靶体101a中排出的气体速度方向均为径向。上述靶口101b、靶体101a与靶底101c间，通过周向均布的螺栓穿过靶口101b外凸边缘、靶体101a中各个垫片101d与透气片101e以及靶底101c外凸边缘固定为整体，且需保证靶101与弹性梁102在安装时要使整个靶101的质心要与弹性梁102的轴线大体重合，这样可以避免弹性梁102在靶101自身重力作用下发生弯曲。

通过上述结构靶101，可以使羽流的轴向速度转化为径向速度，减小靶对发动机羽流场的影响，减小了羽流撞击了靶之后方向分布的不确定性，使测量结果更精确。

上述结构靶101与弹性梁102底端间通过梁安装块101f进行连接。如图7所示，所述梁安装块101f为条形连接块，底端沿靶的轴线方向设计有等距排列的间隙101g，间隙101g的宽度等于透气片的厚度，安装时将相应数量的透气片101e分别插入各个间隙101g中，通过贯通螺栓穿过梁安装块101f底端沿靶的轴线方向开设的通口，由贯通螺栓提供拉力使透气片101e、垫片101d和梁安装块彼此压紧，使靶获得较好的刚度。梁安装块直接通过螺栓与弹性梁102底端固定。

所述位移传感器系统2中，传感器安装杆201用来连接位移传感器203和靶安装块3；传感器安装杆201为圆柱形杆，且直径较大，刚度系数远大于弹性梁102的刚度系数；因此，可认为位移传感器203和外部位移机构的移动平台是刚性连接的。传感器安装杆201竖直设置，顶端伸入靶安装块3底面侧壁上开设的固定槽孔内，使端面与固定槽孔底面贴合，实现传感器安装杆201的竖直方向的定位。如图8所示，传感器安装杆201顶端侧壁上开有定位凹槽204，通过螺钉由靶安装块3侧面开设的螺纹孔拧入定位凹槽204，将传感器安装杆201顶端与定位凹槽204间内顶紧，实现传感器安装杆201与靶安装块3间的固定。所述传感器安装杆201与位移传感器203间通过传感器安装板202相连，传感器安装杆201底端通过传感器安装板202安装有位移传感器203，且使位移传感器的前后方向位置调整，如图8、图9所示，具体方式为：传感器安装杆201底端端面沿轴向开有螺纹孔，传感器安装板202中心位置开有条形阶梯孔205，通过螺钉由传感器安装板202下方穿过条形阶梯孔205，螺纹与传感器安装杆201底端螺纹孔连接。传感器安装板202下表面上安装位移传感器203；由此，通过调整螺钉在阶梯孔205所处的位置可实现位移传感器203的在前后方向的位置调整。上述位移传感器203采用激光位移传感器，这种传感器工作时要求被测物和传感器之间有合适的间隙，且激光发射窗口要正对弹性梁中部，激光发射方向垂直于靶，发射窗口到弹性梁的距离要保持在35mm左右；且位移传感器203在羽流方向上的截面积较小，其面积仅为靶的5％，且位移传感器203所处的位置已经远离羽流的中心区域，由此，在羽流的作用下位移传感器203的位移是可以忽略的。

应用本发明推力测量装置进行测量时把靶安装块3固定在外部位移机构的移动平台上，利用靶101来承受发动机羽流的撞击，由于靶101和弹性梁102固连，而弹性梁102的刚度系数较小，容易发生弯曲，因此靶101在受到羽流撞击之后就会发生明显的移动。位于靶101后方的位移传感器203是用来测量弹性梁102产生的位移；位移传感器203可以测量其自身到前方障碍物(弹性梁102)之间的间距，这样在弹性梁102发生弯曲时就可以测出弹性梁102的位移量。由于发动机羽流在喷射的过程中会有一定的衰减，所以可以通过测量不同位置处的推力，然后分析比较真实推力的值。

上述弹性梁102与位移传感器203均通过热防护系统4进行热防护，防止发动机工作时的高温环境使得梁温度升高，引起弹性系数的变化，甚至因为过热发生热变形而影响到推力测量。本发明中热防护系统4包括陶瓷管、陶瓷管连接套与传感器保护罩，如图1所示。

陶瓷管401设计为上部陶瓷管与下部陶瓷管两段，配合陶瓷管连接套402进行连接，并在陶瓷管连接套402上开孔，形成畅通的光路，实现对整个弹性梁102的热防护，又能保证测量点处的光路畅通，具体方式为：设计上部陶瓷管与下部陶瓷管直径相等，均大于弹性梁102直径，上部陶瓷管、下部陶瓷管与连接套均套在弹性梁上；其中，上部陶瓷管顶部顶端与垂直角铝的纵梁底端贴合；下部陶瓷管底端与靶的顶端接触。上部陶瓷管底端与下部陶瓷管顶端分别配合插入陶瓷管连接套402两端，通过螺顶穿过陶瓷管连接套402两端开设的定位孔，将上部陶瓷管、下部陶瓷管与陶瓷管连接套402间顶紧固定。上述陶瓷管连接套402采用易加工的金属材料，如图10所示，陶瓷管连接套402中部开口，形成通畅的光路，激光位移传感器203发射的激光束从连接套上的开口射入，投射到弹性梁102上之后发生漫反射，反射后的激光束经开口射入位移传感器203的接收窗口。上部陶瓷管顶端套有定位套404，同时，定位套还套住垂直角铝的纵梁。定位套顶端开有凹槽，使凹槽与横梁配合安装，防止定位套顶端与垂直角铝的横梁间安装时发生干涉。定位套404顶端具有凸耳405，凸耳405上开有竖直的T型槽406，通过螺栓穿过T型槽406，将定位套404与靶安装块3底面固定。定位套404侧壁周向开有定位孔，通过螺钉穿过定位孔，将定位套404与上部陶瓷管间顶紧固定，如图11所示。

陶瓷管401的主要功能是保护弹性梁102，减少弹性梁102的热辐射。实际工作时陶瓷管401的外表面会贴上一层铝箔纸，铝箔能把一部分的热辐射反射掉，而陶瓷本身具有耐高温和绝热的特点，所以这种热防护措施是通过增加反射率和增大热阻来实现热防护目的。在选择陶瓷管401的时候要考虑管壁的厚度和内径，因为内径过小会使陶瓷管401和弹性梁102发生干涉，壁厚过薄隔热效果达不到要求，同时为了减小总质量，内径和壁厚都要尽可能的小。

所述传感器保护罩403为顶面开口的盒体，通过钣金工艺制作而成，由下方罩住位移传感器203；顶端固定于传感器安装板202上。传感器保护罩403侧面开有测量口，测量口位于位移传感器203测量端对应位置。传感器保护罩403侧面还开有穿线口，用于位移传感器203的走线。

本发明中为了使热防护的效果尽可能的好，位移传感器203的热防护部件和弹性梁102的热防护部件进行了一体化的设计，使得整个热防护系统4尽可能的封闭，减少羽流进入热防护系统4内部的量。因此，扩大传感器安装板202的面积，扩大传感器保护罩403横截面积；同时，在传感器安装板202上开孔，使传感器安装板202套在陶瓷管连接套402上；并在传感器保护罩403固定下表面开孔，将传感器保护罩403套在陶瓷管连接套402上，并使陶瓷管连接套402中部开口位于传感器保护罩403内部，如图12所示。

Claims (4)

1.一种具有圆柱形靶的微小推力测量装置，其特征在于：包括靶系统、位移传感器系统、靶安装块与热防护系统；其中，靶系统包括靶、弹性梁与垂直角铝；位移传感器系统包括位移传感器、传感器安装杆；

所述靶系统中，垂直角铝为由横板与纵板构成的截面为L型铝件；横板与靶安装块的下表面贴合，横板端面通过靶安装块上设计的定位台阶实现前后方向上的定位；纵板的外侧面上开有竖直定位凹槽；弹性梁与定位凹槽配合设置在定位凹槽中，实现弹性梁的定位固定；并使弹性梁顶端顶住靶安装块底面；弹性梁底端安装有靶；靶采用圆柱形结构，包括靶体、靶口、靶底；其中，靶体为垫片与环形透气片交替层叠设置的圆柱筒状结构；每组垫片至少为3个，周向均布，使两相邻透气片间形成空隙；靶体前端与后端分别安装有靶口与靶底；靶口为具有锥形截面的筒状结构，同轴设置在靶体内部前端；靶底采用底面为开口的空心圆锥体结构；靶底同轴设置在靶体内部；

所述位移传感器系统中，传感器安装杆竖直设置，顶端与靶安装块底面固定；传感器安装杆底端通过传感器安装板安装有位移传感器，使位移传感器的测量端正对弹性梁中部；

所述热防护系统包括陶瓷管、陶瓷管连接套与传感器保护罩；陶瓷管设计为上部陶瓷管与下部陶瓷管两段；上部陶瓷管与下部陶瓷管直径相等，均大于弹性梁直径；上部陶瓷管、下部陶瓷管与连接套均套在弹性梁上；上部陶瓷管顶端与靶安装块固定；上部陶瓷管底端与下部陶瓷管顶端分别配合插入陶瓷管连接套两端固定；陶瓷管连接套中部开口，形成光路；

所述传感器保护罩为顶面开口的盒体，罩住位移传感器；传感器保护罩顶端固定于传感器安装板上；传感器保护罩侧面开有测量口，测量口位于位移传感器测量端对应位置；传感器保护罩侧面还开有穿线口。

2.如权利要求1所述一种具有圆柱形靶的微小推力测量装置，其特征在于：所述靶底的圆锥体结构锥角为90度。

3.如权利要求1所述一种具有圆柱形靶的微小推力测量装置，其特征在于：所述靶的质心与弹性梁的轴线重合。

4.如权利要求1所述一种具有圆柱形靶的微小推力测量装置，其特征在于：所述靶与弹性梁底端间通过梁安装块进行连接；梁安装块为条形连接块，底端沿靶的轴线方向设计有等距排列的间隙，间隙的宽度等于透气片的厚度，安装时将相应数量的透气片分别插入各个间隙中，通过贯通螺栓穿过梁安装快底端沿靶的轴线方向开设的通口，由贯通螺栓提供拉力使透气片、垫片和梁安装块彼此压紧；梁安装块直接通过螺栓与弹性梁底端固定。