CN106092399A - 基于扭秤的航天微推力器冲量测量台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于扭秤的航天微推力器冲量测量台。目的是研制一种采用扭秤原理测量航天微推力器脉冲冲量的测量装置，包括测量台座、扭秤台、标定器和线位移测量器四部分。航天微推力器所产生的脉冲冲量通过推力器与扭秤台机械接口，传递给扭秤台，扭秤台横梁绕枢轴轴线转动，枢轴产生回复力矩，在横梁初始平衡位置左右反复摆动。标定器标定测量台横梁摆动周期，线位移测量器测量横梁摆动最大摆角线位移，通过摆动周期、最大摆角线位移、扭转刚度系数、线位移测量点到枢轴转轴距离和力臂长度计算冲量。本发明的装置系统载荷承重大，分辨能力强，测量精度高，测量周期短，能够实现微牛秒量级公斤级航天微推力器微冲量测量。

Description

基于扭秤的航天微推力器冲量测量台

技术领域

本发明属于空间推进技术领域，涉及航天微推力器冲量测量技术，特别涉及一种基于扭秤的航天微推力器冲量测量台。

背景技术

微小卫星及卫星星座技术的发展离不开动力系统技术的支撑，航天微推力器是其动力系统最重要的工作单元，其性能测量与评估工作非常重要，而航天微推力器冲量的测量是重中之重。航天微推力器所产生的冲量范围通常在10^-7～10^-4N·s之间，测量要求载荷大、分辨强、精度高、周期短，测量装置需要进行特殊的设计以满足要求。

目前，扭秤结构是国内外学者普遍采用的微小冲量测量结构。扭秤型测量系统主要由挠性枢轴支撑或扭丝悬提的水平横梁、配重、位移或角度传感器、阻尼器等构成。基本测量过程是：脉冲冲量作用在水平横梁上，水平横梁在水平面内发生摆动，根据横梁的最大摆角获取冲量大小，此时一般要求脉冲脉宽在测量系统固有周期的0.1倍以下。当面对航天微推力器冲量测量问题时，由于微推力器冲量水平和推重比的降低，微冲量测量面临巨大挑战：如何进行高精度的微冲量测量、如何消除推力器自重的影响、如何进行在线标定等等。航天微推力器冲量测量技术的发展是随着这些需求和挑战而发展的。综合分析现有测量装置存在的问题如下：

(1)冲量测量量程小且分辨率不够。现有扭摆的测量量程为10^-7～10^-5N·s，跨2个数量级，最小分辨能力在亚微牛秒量级，其对于最小微牛秒量级，最大毫牛秒量级的航天微推力器冲量测量而言，量程不够，并且最小分辨能力不高，使得测量精度偏低。

(2)航天微推力器较大的自重及其与外部连接的影响难于避免。当微推力器的推重比较小时，必须考虑将推力器自重和冲量测量的分离，同时测量装置需要达到公斤的承重能力，并且推力器的推进剂供应管路和供电线路等，推力器与外部连接，使得测量引入的附加力，其对测量结果影响较大，并且难于评估。

(3)真空环境下在线标定问题。航天器微推力器的试验环境通常是在真空条件下进行，一次测量的真空环境时间成本较大，需要测量装置能够进行在线标定和反复快速的恢复测量初始状态，进行在线自动化控制，这一问题尚没有很好解决。

发明内容

本发明提出了一种基于扭秤的航天微推力器冲量测量装置，基于扭秤测量原理，实现了微牛秒量级公斤级航天微推力器冲量测量，解决了现有冲量测量装置的测量量程小、分辨率不高、载荷小、外接影响测量，并且非在线控制测量装置的时间成本消耗等问题。

实现本发明的基于扭秤的航天微推力器冲量测量台包括测量台座、扭秤台、标定器和线位移测量器四部分。测量台座部分集成了基座、二轴倾角传感器、撑脚；扭秤台部分集成了台座、台框架、底部台框架连接枢轴夹具、底部平衡梁框架连接枢轴夹具、顶部台框架连接枢轴夹具、顶部平衡梁框架连接枢轴夹具、顶部枢轴、底部枢轴、平衡梁刀口、平衡梁刀口槽、平衡梁框架、前平衡梁、前平衡梁位移台、后平衡梁、阻尼盘、阻尼器、直流电源、横梁刀口、横梁刀口槽、横梁框架、横梁、载荷台；标定器部分集成了标定器位移台、线圈转接支架、电磁线圈、标定磁铁支架、标定磁铁、恒流源；线位移测量器部分集成了线位移测量器位移台、位移传感器支架、位移传感器、位移传感器控制器、数据采集器。

航天微推力器所产生的脉冲冲量通过推力器与载荷台机械接口，传递给载荷台，载荷台带动横梁绕枢轴轴线转动，枢轴产生回复力矩，使横梁摆动到最大摆角位置后反向转动，在横梁初始平衡位置左右反复摆动，并在阻尼器作用下摆动幅度逐渐衰减，直至恢复到平衡位置停止摆动。标定器标定测量台横梁摆动周期，线位移测量器测量横梁摆动最大摆角线位移，通过摆动周期、最大摆角线位移、扭转刚度系数、线位移测量点到枢轴转轴距离和力臂长度计算冲量。

本发明应用于航天微推力器冲量测量的优点有：

(1)冲量测量量程跨5个数量级，并且最小分辨能力能够达到10^-8N.s量级，对于百克到公斤量级航天微推力器，测量台测量精度由于95％；

(2)能够搭载最大到公斤量级的航天微推力器，由于承重大，能够将航天微推力器供给部分，如供电、供气等做为载荷设置在载荷台上，避免了航天微推力器与测量台之外的连接，消除了与外部连接对冲量测量的影响；

(3)发明了非接触式的电磁标定方法，解决了真空环境下在线标定问题，能够在不影响真空等测量环境下，完成测量台标定、调平配平、数据采集等自动化操作。

附图说明

图1本发明基于扭秤的航天微推力器冲量测量台结构示意图；

图2图1所示装置中扭秤台部分前视图和右视图。

具体实施方式

现结合附图1和2，通过具体的实施例，对本发明基于扭秤的航天微推力器冲量测量台做进一步详细描述。

本发明的基于扭秤的航天微推力器冲量测量台包括四部分：测量台座、扭秤台、标定器和线位移测量器。

测量台座部分集成了基座(1)、二轴倾角传感器(2)、撑脚(3)；基座(1)为等腰三角形框架，在对称线和底边三分之一处加三道垂直与底边的竖梁，框架及竖梁宽5cm，厚3cm，二轴倾角传感器(2)安装在基座(1)底边中心处，撑脚(3)安装在基座(1)三角形三个角，用于调节基座(1)水平。

扭秤台部分集成了台座(4)、台框架(5)、底部台框架连接枢轴夹具(6)、底部平衡梁框架连接枢轴夹具(7)、顶部台框架连接枢轴夹具(8)、顶部平衡梁框架连接枢轴夹具(9)、顶部枢轴(10)、底部枢轴(11)、平衡梁刀口(12)、平衡梁刀口槽(13)、平衡梁框架(14)、前平衡梁(15)、前平衡梁位移台(16)、后平衡梁(17)、阻尼盘(18)、阻尼器(19)、直流电源(20)(图中未示出)、横梁刀口(21)、横梁刀口槽(22)、横梁框架(23)、横梁(24)、载荷台(25)；台座(4)安装在基座(1)对称线竖梁上，位置在整个基座(1)的重心上，台框架(5)安装在台座(4)上，底部台框架连接枢轴夹具(6)安装在台框架(5)底部内侧中心，底部枢轴(11)一端安装在底部台框架连接枢轴夹具(6)上，另一端安装在底部平衡梁框架连接枢轴夹具(7)上，底部平衡梁框架连接枢轴夹具(7)安装在平衡梁框架(14)底部外侧中心，平衡梁框架(14)顶部外侧中心安装顶部平衡梁框架连接枢轴夹具(9)，顶部枢轴(10)一段安装在顶部平衡梁框架连接枢轴夹具(9)上，另一端安装在顶部台框架连接枢轴夹具(8)上，顶部台框架连接枢轴夹具(8)安装在台框架(5)顶部内侧中心，平衡梁刀口(12)安装在平衡梁框架(14)底部内侧中心，平衡梁刀口(12)上设置平衡梁刀口槽(13)，平衡梁刀口槽(13)安装在横梁框架(23)底部外侧中心，前平衡梁(15)安装在平衡梁框架(14)前表面，前平衡梁位移台(16)安装在前平衡梁(15)上，后平衡梁(17)安装在平衡梁框架(14)后表面，阻尼盘(18)安装在后平衡梁(17)后端，阻尼盘(18)设置在阻尼器(19)的磁通缝隙内、阻尼器(19)由通电导线外接直流电源(20)(图中未示出)，横梁刀口(21)安装在横梁框架(23)底部内侧中心处，横梁刀口(21)上设置横梁刀口槽(22)，横梁刀口槽(22)安装在横梁(24)底面中心处，载荷台(25)安装在横梁(24)两端对称位置，距枢轴转轴距离为力臂长度。

标定器部分集成了标定器位移台(26)、线圈转接支架(27)、电磁线圈(28)、标定磁铁支架(29)、标定磁铁(30)、恒流源(31)(图中未示出)；标定器位移台(26)安装在基座(1)右侧竖梁上，可根据标定磁铁(30)与电磁线圈(28)的距离需要进行位移调节，线圈转接支架(27)安装在标定器位移台(26)上，电磁线圈(28)安装在线圈转接支架(27)上，标定磁铁支架(29)安装在横梁(24)上，标定磁铁(30)安装在标定磁铁支架(29)上，标定磁铁(30)与电磁线圈(28)同轴并相对设置，电磁线圈(28)由通电导线连接恒流源(31)(图中未示出)。

线位移测量器部分集成了线位移测量器位移台(32)、位移传感器支架(33)、位移传感器(34)、位移传感器控制器(35)(图中未示出)、数据采集器(36)(图中未示出)；线位移测量器位移台(32)安装在基座(1)左侧竖梁上，可根据位移传感器(34)与横梁(24)距离的需要进行位移调节，位移传感器支架(33)安装在线位移测量器位移台(32)上，位移传感器(34)安装在位移传感器支架(33)上，位移传感器(34)由数据线连接在位移传感器控制器(35)(图中未示出)上，数据采集器(36)(图中未示出)采集位移传感器控制器(35)(图中未示出)数据处理为横梁(24)摆动线位移，位移传感器(34)对正横梁(24)后表面高度中心，所瞄准的测点距枢轴转轴距离为线位移测量点到枢轴转轴距离。

航天微推力器安装在载荷台(25)上，所产生的脉冲冲量通过推力器与载荷台(25)机械接口，传递给载荷台(25)，载荷台(25)带动横梁(24)绕枢轴轴线转动，顶部枢轴(10)和底部枢轴(11)共同产生回复力矩，使横梁(24)摆动到最大摆角位置后反向转动，在横梁(24)初始平衡位置左右反复摆动，并在阻尼器(19)作用下摆动幅度逐渐衰减，直至恢复到平衡位置停止摆动。标定器标定测量台横梁摆动周期，线位移测量器测量横梁(24)摆动最大摆角线位移，通过摆动周期T、最大摆角线位移l、扭转刚度系数k、线位移测量点到枢轴转轴距离a和力臂长度d计算冲量I。计算公式如下：

$I=\frac{kTl}{2\mathrm{\π}ad}$

本发明中，顶部枢轴(10)和底部枢轴(11)均采用同一型号，其扭转刚度系数主要由所测冲量的大小、力臂长度和传感器的分辨率等因素综合确定。选择的型号为5006-800(Riverhawk公司)，直径4.76mm，扭转刚度系数0.0045N.m/rad。

位移传感器(34)选用MICRO-EPSILON公司的高性能位移传感器，型号optoNCDT2200LL，有模拟直流电压(电流)和数字两种输出方式，量程2mm，精度0.03μm，采样频率10KHz。

冲量测量台主要性能指标如下：

1)横梁(24)长度：1.2m

2)线位移测量点到枢轴转轴距离：0.5m

3)力臂长度：0.3m

4)扭转刚度系数：0.009(2个枢轴)

5)承载重量极限：3.0kg

6)测量台分辨率为10^-9N.s量级；

7)典型测量范围

8)冲量测试全量程范围相对误差小于5％。

Claims (1)

1.一种基于扭秤的航天微推力器冲量测量台包括测量台座、扭秤台、标定器和线位移测量器四部分：

测量台座部分集成了基座(1)、二轴倾角传感器(2)、撑脚(3)；基座(1)为等腰三角形框架，在对称线和底边三分之一处加三道垂直与底边的竖梁，框架及竖梁宽5cm，厚3cm，二轴倾角传感器(2)安装在基座(1)底边中心处，撑脚(3)安装在基座(1)三角形三个角，用于调节基座(1)水平；

扭秤台部分集成了台座(4)、台框架(5)、底部台框架连接枢轴夹具(6)、底部平衡梁框架连接枢轴夹具(7)、顶部台框架连接枢轴夹具(8)、顶部平衡梁框架连接枢轴夹具(9)、顶部枢轴(10)、底部枢轴(11)、平衡梁刀口(12)、平衡梁刀口槽(13)、平衡梁框架(14)、前平衡梁(15)、前平衡梁位移台(16)、后平衡梁(17)、阻尼盘(18)、阻尼器(19)、直流电源(20)、横梁刀口(21)、横梁刀口槽(22)、横梁框架(23)、横梁(24)、载荷台(25)；台座(4)安装在基座(1)对称线竖梁上，位置在整个基座(1)的重心上，台框架(5)安装在台座(4)上，底部台框架连接枢轴夹具(6)安装在台框架(5)底部内侧中心，底部枢轴(11)一端安装在底部台框架连接枢轴夹具(6)上，另一端安装在底部平衡梁框架连接枢轴夹具(7)上，底部平衡梁框架连接枢轴夹具(7)安装在平衡梁框架(14)底部外侧中心，平衡梁框架(14)顶部外侧中心安装顶部平衡梁框架连接枢轴夹具(9)，顶部枢轴(10)一段安装在顶部平衡梁框架连接枢轴夹具(9)上，另一端安装在顶部台框架连接枢轴夹具(8)上，顶部台框架连接枢轴夹具(8)安装在台框架(5)顶部内侧中心，平衡梁刀口(12)安装在平衡梁框架(14)底部内侧中心，平衡梁刀口(12)上设置平衡梁刀口槽(13)，平衡梁刀口槽(13)安装在横梁框架(23)底部外侧中心，前平衡梁(15)安装在平衡梁框架(14)前表面，前平衡梁位移台(16)安装在前平衡梁(15)上，后平衡梁(17)安装在平衡梁框架(14)后表面，阻尼盘(18)安装在后平衡梁(17)后端，阻尼盘(18)设置在阻尼器(19)的磁通缝隙内、阻尼器(19)由通电导线外接直流电源(20)，横梁刀口(21)安装在横梁框架(23)底部内侧中心处，横梁刀口(21)上设置横梁刀口槽(22)，横梁刀口槽(22)安装在横梁(24)底面中心处，载荷台(25)安装在横梁(24)两端对称位置，距枢轴转轴距离为力臂长度；

标定器部分集成了标定器位移台(26)、线圈转接支架(27)、电磁线圈(28)、标定磁铁支架(29)、标定磁铁(30)、恒流源(31)；标定器位移台(26)安装在基座(1)右侧竖梁上，可根据标定磁铁(30)与电磁线圈(28)的距离需要进行位移调节，线圈转接支架(27)安装在标定器位移台(26)上，电磁线圈(28)安装在线圈转接支架(27)上，标定磁铁支架(29)安装在横梁(24)上，标定磁铁(30)安装在标定磁铁支架(29)上，标定磁铁(30)与电磁线圈(28)同轴并相对设置，电磁线圈(28)由通电导线连接恒流源(31)；

线位移测量器部分集成了线位移测量器位移台(32)、位移传感器支架(33)、位移传感器(34)、位移传感器控制器(35)、数据采集器(36)；线位移测量器位移台(32)安装在基座(1)左侧竖梁上，可根据位移传感器(34)与横梁(24)距离的需要进行位移调节，位移传感器支架(33)安装在线位移测量器位移台(32)上，位移传感器(34)安装在位移传感器支架(33)上，位移传感器(34)由数据线连接在位移传感器控制器(35)上，数据采集器(36)采集位移传感器控制器(35)数据处理为横梁(24)摆动线位移，位移传感器(34)对正横梁(24)后表面高度中心，所瞄准的测点距枢轴转轴距离为线位移测量点到枢轴转轴距离；

航天微推力器安装在载荷台(25)上，所产生的脉冲冲量通过推力器与载荷台(25)机械接口，传递给载荷台(25)，载荷台(25)带动横梁(24)绕枢轴轴线转动，顶部枢轴(10)和底部枢轴(11)共同产生回复力矩，使横梁(24)摆动到最大摆角位置后反向转动，在横梁(24)初始平衡位置左右反复摆动，并在阻尼器(19)作用下摆动幅度逐渐衰减，直至恢复到平衡位置停止摆动，标定器标定测量台横梁摆动周期，线位移测量器测量横梁(24)摆动最大摆角线位移，通过摆动周期、最大摆角线位移、扭转刚度系数、线位移测量点到枢轴转轴距离和力臂长度计算冲量。