CN106248281A - 一种平面扭转式微冲量测量方法 - Google Patents

Abstract

一种平面扭转式微冲量测量方法，它涉及微推进器冲量测量方法，以解决现有微冲量测量方法造价高，抗干扰能力弱，标定系统参数难度较高且精度较差的问题，该方法的步骤为：步骤一、测量装置安装，外部框架的上部安装有静态扭矩传感器，静态扭矩传感器的受力的轴竖向设置，静态扭矩传感器的受力的轴与旋转轴的上端连接，旋转轴的下端固接在旋转平台的中部，被测元件安装在旋转台体的上表面上，保证被测元件的推力方向位于旋转台体的切线方向；步骤二、记录冲量发生过程的旋转台体扭矩测量值、旋转台体回转周期、旋转台体冲量发生时刻和结束时刻的时间；步骤三、微冲量计算。本发明用于微推进器。

Description

一种平面扭转式微冲量测量方法

技术领域

本发明涉及微推进器冲量测量方法，具体为一种平面扭转式微冲量测量方法，属于微推进技术测试领域。

背景技术

微推进器是空间微推进技术领域的核心技术，目前已有很多类型，如冷气微推进器、等离子微推进器、霍尔推进器等，这些推进器可用于微小卫星空间姿态调整系统，其所提供的力矩为mN级，甚至mN以下级别。此时微推进器技术参数的精确测量将非常困难，微推进器的推力主要技术指标包括静态推力、瞬时冲量、以及平均推力，其中瞬时冲量的测量难度较大，因为冲量时间很短(通常为几十ms)，传感器难以通过直接测量动态推力积分计算冲量。在目前检索的文献中，存在以下几种微冲量测量方法，西北工业大学提出的公开号为CN04374506A的发明申请一种悬摆式微冲量测试装置及测试方法，提出了基于激光多普勒测量器的测试装置及方法，该方法造价高。北京航空航天大学提出的公开号为CN102072790A的发明申请为一种微小冲量测量装置，该方法需要电磁阻尼系统，易受干扰，且以上两种原理都需要标定系统参数，如系统转动惯量，电磁阻尼系数等，但此类参数标定难度较高且精度较差。因此需要设计一种抗干扰能力强、系统标定要求低、低成本、高精度测量方法。

发明内容

本发明为解决现有微冲量测量方法造价高，抗干扰能力弱，标定系统参数难度较高且精度较差的问题，进而提供一种平面扭转式微冲量测量方法。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：一种平面扭转式微冲量测量方法，步骤一、测量装置安装，外部框架1的上部安装有静态扭矩传感器3，静态扭矩传感器3的受力的轴竖向设置，静态扭矩传感器3的受力的轴与旋转轴5的上端连接，旋转轴5的下端固接在旋转平台2的中部，被测元件4安装在旋转台体2的上表面上，保证被测元件4的推力方向位于旋转台体2的切线方向；

步骤二、记录冲量发生过程的旋转台体扭矩测量值、旋转台体回转周期、旋转台体冲量发生时刻和结束时刻的时间；

步骤三、微冲量计算，根据公式

$\underset{t1}{\overset{t2}{\∫}}Frdt=\underset{t1}{\overset{t2}{\∫}}{M}_{q}dt+\frac{T}{2\mathrm{\π}}\sqrt{(M_{qt3}^2-M_{qt2}^2)}$

其中，t₁为旋转台体冲量发生时刻，t₂为旋转台体冲量结束时刻，t₃为旋转台体扭矩最大时刻，F为喷力，T为回转台体的旋转周期，r为喷力作用点到旋转台体的旋转中心的力臂，M_q为旋转台体的弹性扭矩测量值，M_qt2为t₂时刻的旋转台体的弹性扭矩测量值，M_qt3为t₃时刻的旋转台体的弹性扭矩测量值。

本发明的有益效果是：本发明不需要标定系统转动惯量，简化了测量步骤，避免了标定误差带来的测量误差，本发明对传感器以及旋转台体的刚度要求较低，降低了系统设计和加工成本。本发明微冲量测量方法可用于测量航天用微推力器的推进能力数值。

附图说明

图1为本发明平面扭转式微冲量测量方法相结合的测量装置的示意图；

图2为图1的俯视图。

其中，1为外部框架，2为旋转台体，3为静态扭矩传感器，4为被测元件，5为旋转轴。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明的原理进行详细说明。

步骤一、测量装置安装，外部框架的上部安装有静态扭矩传感器，静态扭矩传感器的受力的轴竖向设置，静态扭矩传感器手力的轴与旋转轴的上端连接，旋转轴的下端固接在旋转平台的中部，被测元件安装在旋转台体的上表面上，保证被测元件的推力方向位于旋转台体的切线方向，测试前，将旋转台体保持静止，此时旋转台体动能和弹性势能均为零；

步骤二、记录冲量发生过程的旋转台体扭矩测量值、旋转台体回转周期、旋转台体冲量发生时刻和结束时刻的时间，从t₁时刻开始喷气，t₂时刻结束喷气，此过程中的旋转台体的弹性扭矩测量值M_q直至旋转台体开始回转两个周期以上，并记录周期T。根据弹性扭矩测量值M_q，查找第一次振幅最大时刻t₃，此时旋转台体的速度为零；

在此过程中，各时刻旋转台体机械能如表1所示，

表1旋转台体机械能统计表

其中，θ_t2为旋转台体在t₂时刻的转角，θ_t3为旋转台体在t₃时刻的转角，k为静态扭矩传感器弹性系数，ω_t2为旋转台体在t₂时刻的角速度，ω_t1为旋转台体在t₁时刻的角速度，数值为零；

喷力F从t₁时刻开始做功，到t₂时刻停止，因此，从t₂时刻至t₃时刻是机械能恒定的，因此有以下结论：

根据角动量定理

$\frac{1}{2}{{\mathrm{I\ω}}_{t2}}^2+\frac{1}{2}{\mathrm{k\θ}}_{t2}^2\frac{1}{2}{\mathrm{k\θ}}_{t3}^2---\left(1\right)$

根据角动量定理

$\underset{t1}{\overset{t2}{\∫}}(Fr-M_q)dt=I({\mathrm{\ω}}_{t2}-{\mathrm{\ω}}_{t1}){\mathrm{I\ω}}_{t2}---\left(2\right)$

式(2)中，r为喷力作用点到旋转台体旋转中心的力臂，

由于静态扭矩传感器的弹性系数满足其中，M_q为旋转台体的弹性扭矩测量值，将其代入式(1)和(2)，并联立求解，可得到：

$\underset{t1}{\overset{t2}{\∫}}Frdt=\underset{t1}{\overset{t2}{\∫}}{M}_{q}dt+\sqrt{\frac{I}{k}(M_{qt3}^2-M_{qt2}^2)}---\left(3\right)$

其中，与旋转台体的固有频率有关，I为系统转动惯量，M_qt2为t₂时刻的旋转台体的弹性扭矩测量值，M_qt3为t₃时刻的旋转台体的弹性扭矩测量值，由于台体属于弹性振子简谐运动，因此，旋转周期代入式(3)，可得到式(4)：

步骤三、微冲量计算

$\underset{t1}{\overset{t2}{\∫}}Frdt=\underset{t1}{\overset{t2}{\∫}}{M}_{q}dt+\frac{T}{2\mathrm{\π}}\sqrt{(M_{qt3}^2-M_{qt2}^2)}---\left(4\right)$

在实际测试中，式(4)左边即为旋转台体2所受到的冲量，右边的未知量为均可通过静态扭矩传感器3测量的物理量，且可精确测量和计算，由式(4)可求，即可求得喷力冲量。

Claims (2)

1.一种平面扭转式微冲量测量方法，其特征在于：

步骤一、测量装置安装，外部框架(1)的上部安装有静态扭矩传感器(3)，静态扭矩传感器(3)的受力的轴竖向设置，静态扭矩传感器(3)的受力的轴与旋转轴(5)的上端连接，旋转轴(5)的下端固接在旋转平台(2)的中部，被测元件(4)安装在旋转台体(2)的上表面上，保证被测元件(4)的推力方向位于旋转台体(2)的切线方向；

步骤二、记录冲量发生过程的旋转台体扭矩测量值、旋转台体回转周期、旋转台体冲量发生时刻和结束时刻的时间；

步骤三、微冲量计算，根据公式

$\underset{t1}{\overset{t2}{\∫}}Frdt=\underset{t1}{\overset{t2}{\∫}}{M}_{q}dt+\frac{T}{2\mathrm{\π}}\sqrt{(M_{qt3}^2-M_{qt2}^2)}$

其中，t₁为旋转台体冲量发生时刻，t₂为旋转台体冲量结束时刻，t₃为旋转台体扭矩最大时刻，F为喷力，T为回转台体的旋转周期，r为喷力作用点到旋转台体的旋转中心的力臂，M_q为旋转台体的弹性扭矩测量值，M_qt2为t₂时刻的旋转台体的弹性扭矩测量值，M_qt3为t₃时刻的旋转台体的弹性扭矩测量值。

2.根据权利要求1所述的一种平面扭转式微冲量测量方法，其特征在于：步骤二中，t₁时刻开始喷气，t₂时刻结束喷气，此过程中的旋转台体的弹性扭矩测量值M_q直至旋转台体开始回转两个周期以上，并记录旋转周期T，弹性扭矩测量值M_q，第一次振幅最大时刻t3时的旋转台体速度为零；

喷力F从t₁时刻开始做功，到t₂时刻停止，因此，从t₂时刻至t₃时刻是机械能恒定的，因此有以下结论：

根据角动量定理

$\frac{1}{2}{{\mathrm{I\ω}}_{t2}}^2+\frac{1}{2}{{\mathrm{k\θ}}_{t2}}^2=\frac{1}{2}{\mathrm{k\θ}}_{t3}^2---\left(1\right)$

根据角动量定理

$\underset{t1}{\overset{t2}{\∫}}(Fr-M_q)dt=I({\mathrm{\ω}}_{t2}-{\mathrm{\ω}}_{t1})={\mathrm{I\ω}}_{t2}---\left(2\right)$

式(2)中，r为喷力作用点到旋转台体旋转中心的力臂，

由于静态扭矩传感器的弹性系数满足其中，M_q为旋转台体的弹性扭矩测量值，将其代入式(1)和(2)，并联立求解，可得到：

$\underset{t1}{\overset{t2}{\∫}}Frdt=\underset{t1}{\overset{t2}{\∫}}{M}_{q}dt+\sqrt{\frac{I}{k}(M_{qt3}^2-M_{qt2}^2)}---\left(3\right)$

其中，与旋转台体的固有频率有关，I为系统转动惯量，由于旋转台体属于弹性振子简谐运动，因此，旋转周期代入式(3)，可得到：

$\underset{t1}{\overset{t2}{\∫}}Frdt=\underset{t1}{\overset{t2}{\∫}}{M}_{q}dt+\frac{T}{2\mathrm{\π}}\sqrt{(M_{qt3}^2-M_{qt2}^2)}.$