CN104535240B - 一种具有热防护系统的微小推力测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有热防护系统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。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：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。同时通过热防护系统对测量装置进行最大程度上的密封保护。

Description

一种具有热防护系统的微小推力测量装置

技术领域

本发明属于空间微小推力推力器技术领域，具体来说，是一种具有热防护系统的微小推力测量装置，是微小推力测量系统的一部分。

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。

为了能精确测量电推力器的推力，微小推力测量系统被设计出来了。微小推力测量系统可分为直接测量和间接测量两种。附加场等离子体推力器有着质量大、结构复杂的特点。除了推力器本身需要供电、供气之外，还需要一个附加线圈，而附加线圈则需要供电和供水。所以如果采用直接测量的方式，电路、水路、气路将会对推力器的推力测量带来很大干扰，而且这种干扰不容易定量分析，也不容易消除。为了避免线路对推力测量的干扰，较理想的方式是采用间接推力测量。把测量对象由复杂的推力器转变为相对简单的羽流。投靶法微小推力测量系统就是间接测量系统的一种，是一种相对适合附加场等离子体推力器的方式。

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。

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，设计一种用于微小推力测量的测量装置，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。

一种具有热防护系统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；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。

所述传感器保护罩顶面开口，罩住位移传感器；底面开有通孔，用于通过陶瓷管连接套，传感器保护罩顶端固定于传感器安装板上；陶瓷管连接套在正对传感器的测量窗口位置开有测量口；传感器保护罩侧面还开有穿线口。

本发明的优点为：对于微小推力测量装置的热防护系统的需要具有：

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，靶采用铝合金骨架刚度好，且质量小；采用铜板能耐高温，且在离子轰击时溅射量小，进而使测量更灵敏；

6、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；

7、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。

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传感器安装杆结构示意图；

图5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6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7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8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

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明用于微小推力测量的测量装置，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，如图3所示，实现垂直角铝103在靶安装块3上前后方向上的定位。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；靶101由铜板与铝合金骨架构成的蒙皮骨架式结构；骨架固定于弹性梁102底端；铜板竖直设置，固定于骨架上。上述弹性梁102通过热防护装置进行热防护，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。

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4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4、图5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，通过螺钉穿过陶瓷管连接套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6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顶端左右两侧具有凸耳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7所示。上述定位套404顶端两凸耳405外侧面间距与靶安装块3左右侧面间距相等，使定位套404在安装时，通过将两凸耳405外侧面与靶安装块3侧面间对齐，借以实现左右方向的定位。

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8所示。

Claims (4)

1.一种具有热防护系统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；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；

所述传感器保护罩顶面开口，罩住位移传感器；底面开有通孔，用于通过陶瓷管连接套；传感器保护罩顶端固定于传感器安装板上；陶瓷管连接套在正对传感器的测量窗口位置开有测量口；传感器保护罩侧面还开有穿线口。

2.如权利要求1所述一种具有热防护系统的微小推力测量装置，其特征在于：所述上部陶瓷管顶端套有定位套，同时，定位套还套住垂直角铝的纵板；定位套左右侧面间距与靶安装块左右侧面间距相等；

定位套侧壁周向开有定位孔，通过螺钉穿过定位孔，将定位套与上部陶瓷管间顶紧固定；定位套顶端具有凸耳，凸耳上开有竖直的T型槽，通过螺钉穿过T型槽，将定位套与靶安装块底面固定。

3.如权利要求1所述一种具有热防护系统的微小推力测量装置，其特征在于：所述陶瓷管的外表面上贴有一层铝箔纸。

4.如权利要求1所述一种具有热防护系统的微小推力测量装置，其特征在于：所述在传感器安装板上开孔，使传感器安装板套在陶瓷管连接套上；并在传感器保护罩固定下表面开孔，将传感器保护罩套在陶瓷管连接套上。