CN107515095A - 一种目标靶组件及适用于毫牛级真空羽流气动力测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种目标靶组件及适用于毫牛级真空羽流气动力测量系统，该组件包括目标靶连接杆、第一绝缘隔热装置、第二绝缘隔热装置、第三绝缘隔热装置和圆形靶；所述目标靶连接杆的第一端与力测量台架的力测量横梁相连接，第一绝缘隔热装置、圆形靶、第二绝缘隔热装置、目标靶连接杆的第二端和第三绝缘隔热装置依次装配连接，第一绝缘隔热装置和第三绝缘隔热装置的安装末端面处于第二绝缘隔热装置的通孔内。本发明中，保证了目标靶与力测量装置的绝缘性和绝热性，实现不同大小范围的气动力测量，可满足不同电推力器的要求，精度高，结构简单，易于实现。

Description

一种目标靶组件及适用于毫牛级真空羽流气动力测量系统

技术领域

本发明涉及真空羽流动力测量技术领域，尤其是涉及一种目标靶组件及适用于毫牛级真空羽流气动力测量系统。

背景技术

目前，航天姿轨控发动机工作时形成的羽流会对航天器产生力效应，会造成航天器姿态扰动。因此只有准确获得推力器工作时的气动力参数，才能减小或避免推力器气动力对航天器的影响，进而优化航天器的设计和研制工作。

首先，姿轨控发动机相对而言推力都较小，尤其是电推力器只有几十或者几百毫牛，因此其工作时产生的气动力也非常小，各类干扰因素对气动力的测量会产生很大的影响；其次，姿轨控发动工作时会产生高温，且要获得准确可靠实验数据，需在真空中进行实验，因而给气动力的直接测量带来很大的困难；再者，电推力器产生的真空羽流主要由等离子体构成，等离子体与测量机构碰撞产生溅射、鞘层等效应，会增加准确测量气动力的难度。

针对姿轨控发动机真空羽流气动力的测量，其结构主要包括力测量机构和目标靶，目前力测量方式比较多，但缺少对目标靶的专门设计。若将任意的目标靶适用于真空羽流气动力测量中则可能因高温导致目标靶本身或者力测量设备失效，尤其是在测量电推力真空羽流气动力的测量中，溅射，鞘层等效应会影响气动力的测量，且有可能整个测量机构在测量过程中呈非电中性，影响传感器正常工作。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种目标靶组件，以至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

本发明的另一个目的在于提供一种具有上述目标靶组件的适用于毫牛级真空羽流气动力测量系统。

为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案；

本发明第一方面提供的目标靶组件，用于毫牛级真空羽流气动力测量系统中，包括目标靶连接杆、第一绝缘隔热装置、第二绝缘隔热装置、第三绝缘隔热装置和圆形靶；

所述目标靶连接杆的第一端与力测量台架的力测量横梁相连接，第一绝缘隔热装置、圆形靶、第二绝缘隔热装置、目标靶连接杆的第二端和第三绝缘隔热装置依次装配连接，第一绝缘隔热装置和第三绝缘隔热装置的安装末端面处于第二绝缘隔热装置的通孔内。

在上述技术方案中，进一步的，所述第一绝缘隔热装置和第三绝缘隔热装置均为T型通孔结构，第二绝缘隔热装置为法兰盘结构。

在上述任一技术方案中，进一步的，所述圆形靶采用耐溅射材料钽或钛制成。

在上述任一技术方案中，进一步的，所述圆形靶能够通过变化直径测量不同大小的推力器的真空羽流气动力。

本发明第二方面提供了一种适用于毫牛级真空羽流气动力测量系统，包括力测量台架、力标定组件、平衡靶组件、力测量组件和有如任一技术方案中所述的目标靶组件；

所述力标定组件、平衡靶组件、力测量组件和目标靶组件分别设置在所述力测量台架上。

在上述任一技术方案中，进一步的，所述平衡靶组件与所述目标靶组件的结构相同。

在上述任一技术方案中，进一步的，所述力测量台架包括力测量支撑台、力测量横架和力测量支架；

所述力测量支撑台为矩形框架结构，其顶面和底面分别设置有连接板，两个所述连接板之间设置有力测量中轴，所述力测量横梁通过所述力测量中轴与所述力测量支撑台固定连接，所述目标靶组件分别设置在所述力测量横梁的两端处，并分别位于其两侧；

所述力测量支架呈矩形框架结构水平布置在所述力测量支撑台的中空位置，并位于所述力测量横梁的下方，且支撑所述力标定组件、平衡靶组件、力测量组件和目标靶组件。

在上述任一技术方案中，进一步的，所述圆形靶靠近力测量横梁的一面均匀涂抹黑漆。

在上述任一技术方案中，进一步的，所述第一绝缘隔热装置、第二绝缘隔热装置和第三绝缘隔热装置均由高硅氧材料制成。

在上述任一技术方案中，进一步的，所述力测量组件的力传感器与所述平衡靶组件位于同一侧，并与所述目标靶组件相隔离。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

本发明提供的目标靶组件，目标靶连接杆的第一端与力测量台架的力测量横梁相连接，第一绝缘隔热装置、圆形靶、第二绝缘隔热装置、目标靶连接杆的第二端和第三绝缘隔热装置依次装配连接，第一绝缘隔热装置和第三绝缘隔热装置的安装末端面处于第二绝缘隔热装置的通孔内，保证了目标靶与力测量装置的绝缘性和绝热性。

本发明的优点在于：

1、本发明中，目标靶组件中的圆形靶可通过变化直径测量不同大小的推力器的真空羽流气动力，保证了设备的通用性；

2、本发明中，圆形靶采用耐溅射材料钽或钛制成，可降低溅射对气动力测量的影响；

3、本发明中，力传感器与目标靶隔离，将其安装于平衡靶一侧，有效避免力传感器处于热环境或等离子体环境中，可保证力传感器的准确性；

4、本发明中，目标靶连接杆和平衡靶连接杆采用精加工安装于测试平面与固定平面；

5、本发明中，圆形靶靠近力测量横梁的一面均匀涂抹黑漆，增加圆形靶的辐射散热，减小圆形靶热应力变形，同时减小热量对绝缘隔热装置的影响；

6、本发明中，采用高硅氧材料作为绝热装置，实现了目标靶与力测量机构的绝热，防止热量传递引起的传感器损害；

7、本发明中，采用高硅氧材料作为绝缘装置，实现了目标靶与力测量机构的绝缘，防止目标靶与力测量装置形成电流回路，确保力传感器的正常工作。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的测量系统的结构示意图；

图2为图1所示的力测量横梁的结构示意图；

图3为图1所示的力标定组件的结构示意图；

图4为图3所示的力标定组件的标定端头的结构示意图；

图5为图1所示的目标靶组件的结构示意图；

图6为图1所示的力测量组件的结构示意图；

图7为图6所示的力测量组件的力顶尖的结构示意图；

图8为图6所示的力测量组件的力作用台的结构示意图；

图9为采用鱼线作为标定细丝后与标定端头间的固定方式的结构示意图。

附图标记：

1-力测量台架；2-力标定组件；3-目标靶组件；4-平衡靶组件；5-力测量组件；101-力测量支撑台；101a-连接板；101b-力测量中轴；101c-力测量支架；102-力测量横梁；102a-定位平面；102b-测试平面；102c-固定平面；102d-安装孔；102e-固定孔；201-标定定位销；202-标定细丝；203-标定端头；203a-头杆；203b-尾杆；203c-紧固螺帽；203d-结；203e-锥形收缩孔；204-砝码桶；205-滑轮；206-标定底座；301-目标靶连接杆；302a-前绝缘隔热装置；302b-中绝缘隔热装置；302c-后绝缘隔热装置；303-圆形靶；501-力传感器；502-推力顶尖；502a-顶尖尖杆；502b-顶尖端面；502c-顶头；503-力作用台；503a-作用台尖杆；503b-作用台端面；504-力测量底座。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合具体的实施方式对本发明做进一步的解释说明。

实施例一

如图1-9所示，本发明的实施例提供的毫牛级真空羽流气动力测量系统，包括力测量台架1、力标定组件2、力测量组件5、目标靶组件3和平衡靶组件4。

其中，力测量台架1包括力测量支撑台101、力测量横梁102与力测量支架101c；力测量支撑台101为矩形框架结构，顶面与底面上安装有连接板101a，顶面与底面上的连接板101a间竖直固定有力测量中轴101b，用来安装力测量横梁102。力测量支撑台101内部固定有水平设置的矩形框架结构力测量支架101c，力测量支架101c通过连接架与水平固定面固定，通过力支撑架支撑固定力标定组件2、力测量组件5、目标靶组件3和平衡靶组件4。

所述力测量横梁102为具有一定长度的桁架结构，如图2所示，中心位置具有贯穿力测量横梁102上下表面的套接通孔，由此力测量横梁102通过套接通孔水平套接在力测量中轴101b上，位于力测量支架101c上方；且力测量横梁102与力测量中轴101b间，通过周向上六方向均布的螺栓穿过力测量中轴101b周向上设计的配合面，实现力测量横梁102与力测量中轴101b间的固定。

上述力测量横梁102左半部分与右半部分对称位置分别设计有至少两组定位平面102a；每组定位平面102a包括测试平面102b与固定平面102c；每组定位平面102a中的测试平面102b与固定平面102c分别对称设计于力测量横梁102的左右两侧面上；且每组定位平面102a中的测试平面102b与固定平面102c中心位置对应开有安装孔102d。由此力测量横梁102中每组定位平面102a可用来安装力标定组件2、力测量组件3、目标靶组件4和平衡靶组件5中的一种组件，且每组定位平面102a中的测试平面102b与固定平面102c上的安装孔102d可用来实现固定组件与力测量横梁102间的力施加与传递，同时保证作用力的方向与安装孔102d同轴方向。上述力测量横梁102的左半部分与右半部分上的定位平面102a对称设计(采用180度轴对称方式排列)，实现当左半部分定位平面102a上进行力测量时，通过在右半部分对称的定位平面102a上安装配重，保证测量过程中，力测量横梁102始终保持水平，有效减小由于力测量横梁102两端重量不对称所带来的摩擦，进一步提高了测量的精度。

如图3所示，所述力标定组件2包括标定定位销201、标定细丝202、标定端头203、砝码桶204、滑轮205与标定底座206。

其中，标定定位销201的固定端具有连接面(法兰盘结构)，标定定位销201的连接端依次穿过一组定位平面102a中测试平面102b与固定平面102c上的安装孔102d，使标定定位销201固定端的连接面与测试平面102b配合固定，且使标定定位销201与安装孔102d间紧配合，来保证力的作用方向与力测量横梁102上的安装孔102d的轴线同轴；所述标定端头203为由空心头杆203a与空心尾杆203b构成的可拆卸结构，如图4所示；头杆203a插入标定定位销201内部；尾杆203b与头杆203a同轴设置，尾杆203b的前端与头杆203a的末端配合连接，尾杆203b与标定定位销201间同轴配合定位，并通过紧固螺帽203c将尾杆203b与标定定位销201间拧紧固定，实现尾杆203b与标定定位销201间的定位，以及标定端头203间的可拆卸连接，由此可根据标定力的大小选取不同规格的标定端头203，置换性强，标定误差小，通用方便。所述标定细丝202由尾杆203b的末端开设的小孔穿入固定在标定端头203内；由此根据标定细丝202与通孔间的同轴度判断力的方向，进而调节滑轮205的高度保证力与标定定位销201同轴，同时避免了标定细丝202与标定端头203间接触摩擦力的影响。标定细丝202搭接在滑轮205周向上开设的凹槽内，由此实现标定细丝202左右方向定位，且通过滑轮205实现标定细丝202的引导；标定细丝202的牵引端固定连接有砝码桶204。上述滑轮205通过轴承轴接在标定底座206上，标定底座206通过调节垫片固定在力测量支架101c上，从而实现标定系统的整体定位。

如图5所示，所述目标靶组件3包括目标靶连接杆301、前绝缘隔热装置302a、中绝缘隔热装置302b、后绝缘隔热装置302c和圆形靶303。

其中，目标靶连接杆301两端均具有连接面(法兰盘结构)，目标靶连接杆301其中一边的连接端依次穿过一组定位平面102a中测试平面102b与固定平面102c上的安装孔102d，使目标靶连接杆301固定端的连接面与测试平面102b间固定，且使目标靶连接杆301与安装孔102d间紧配合，来保证力的作用方向于力测量横梁102上的安装孔102d的轴线同轴。所述圆形靶303与定位平面102a靠近一面均匀涂抹黑漆，圆形靶303中心分布均布的四个通孔，前绝缘隔热装置302a、圆形靶303、中绝缘隔热装置302b，目标靶连接杆301的另一端连接面和后绝缘隔热装置302c依次装配。所述前绝缘隔热装置302a和后绝缘隔热装置302c均为T型通孔结构，所述中绝缘隔热装置302b为法兰盘结构，其中前绝缘隔热装置302a和后绝缘隔热装置302c安装末端面处于中绝缘隔热装置302b通孔中，保证目标靶与力测量装置的绝缘性和绝热性。

所述平衡靶组件4与目标靶组件3结构完全一致，固定于安装平衡靶组件4的定位平面的与中轴对称的定位平面上。

如图6所示，所述力测量组件5包括力传感器501、力顶尖502、力作用台503与力测量底座504。

其中，所述力传感器501的固定端与平衡靶连接杆的连接端套接，紧配合固定；力传感器501的连接端安装有力顶尖502；力顶尖502为由顶尖尖杆502a与顶尖端面502b构成，如图7所示；其中，顶尖尖杆502a与顶尖端面502b间垂直连接形成一个T形结构；顶尖尖杆502a的尖端垂直插入力传感器501的安装端后，与力传感器501紧配合固定；顶尖端面502b作为力施加面。所述力作用台503固定安装在力测量底座504上，力测量底座504固定安装在力测量支架101c上；力作用台503为由作用台尖杆503a与作用台端面503b构成，作用台尖杆503a与作用台端面503b间垂直连接形成一个T形结构，如图8所示，作用台尖杆503a插入力测量底座504后，与力测量底座504间固定，使作用台端面503b正对力顶尖502中的顶尖端面502b，从而使作用台端面503b作为力作用面。本发明中顶尖端面502b上通过连接件夹紧固定有球形顶头502c，作为力施加端；顶头502c采用轴承钢珠，硬度高，表面光滑，来源容易节省加工工时和费用；且本发明中作用台端面503b外侧上开有凹槽，凹槽内嵌入硬度很强的硬质合金，由此使硬质合金作为力作用面，与力顶尖502中顶头502c相对。通过上述设计有效避免了因力测量组件5长时间工作使力作用面变形产生凹槽，导致力施加端与力作用端间的接触点(力作用点)不确定的弊端，保证了力作用点的位置，且重复性好，应用寿命长，有效提高了力测量精度。

通过上述结构力测量装置，在进行气动力测量时，首选需根据被测气动力的测量范围的要求，选取适合的定位平面102a，并对选取的定位平面102a进行力标定，获得力标定曲线，具体为：

在选取的定位平面102a上安装力标定组件2，并在相邻定位平面102a上安装平衡靶组件4和力测量组件5(也可根据被测发送机的力大小选择其它定位平面102a上安装平衡靶组件4和力测量组件5，实现被测气动力的放大与缩小测量)，同时在安装平衡靶组件4的定位平面的轴对称定位平面安装目标靶组件3；由此，力标定组件2的砝码桶204通过自身重力使力测量横梁102产生一个预紧力，从而消除动摩擦及其他形变力带来的误差；同时通过砝码桶204可对标定细丝202提供预紧力，使标定细丝202处于张紧状态，此时标定细丝202的轴线与标定端头203的轴线重合，且使力测量组件5中力顶尖502的顶头502c与力作用台503的作用台端面503b顶紧，由此使得整个力标定组件2不会产生位移，因而消除了动摩擦及其他形变力的干扰，此外标定定位销201和力测量横梁102及力传感器501采用的紧配合，保证施加力的方向与标定定位销201同轴，由此作用力的方向和作用点都通过组件的形位公差来保证在(0.05mm)内，同时又消除了动摩擦及位移带来的其他形变力的影响，因此使得标定测量精度得以提高。随后在砝码桶204内放入不同质量的砝码，使砝码桶204通过标定细丝202向力测量横梁102中标定定位销201固定位置处施加拉力，随后通过力测量组件5，测得不同质量砝码下的力电信号，从而得到标定系统所安装的定位平面102a对应的力与砝码质量标定曲线，实现选取的定位平面102a力标定。

在对选取的定位平面102a进行力标定后，即可进行气动力测量，首先取出砝码桶中的全部砝码，同样砝码桶204通过自身重力使力测量横梁102产生一个预紧力，并对标定细丝202提供预紧力；随后启动被测电推力器，由被测电推力器产生的气动力通过目标靶303传递给目标靶连接杆301，力传感器501的上作用端产生一个向右的力，而力传感器501的连接端由顶尖端面502b与作用台端面503b间的顶紧作用，不会产生位移，因而没有动摩擦力和其他形变力的干扰，只是产生一个横向的应力，从而力传感器501即可测得此横向应力进而转化成被测发动机的力电信号，通过测得的力电信号结合力标定组件2测得的力测量组件5所在定位平面102a对应的力标定曲线，即可得到相应的气动力。

本发明中每组定位平面102a中的固定平面102c上还开有固定孔102e，用来连接固定件，通过固定件实现力测量横梁102与力测量支架101c间的固定，如图1所示，由此在被测发动机安装的过程中，防止力测量横梁102来回摆动，甚至于摆幅过大时损坏力测量中轴101b两端的枢轴(枢轴是中轴的核心部件，枢轴因只有很小的摩擦阻力，从而使得横梁能在中轴上自由运动)，导致枢轴摩擦力增大从而影响测量精度；另外保护横梁不会震动及大范围的摆动，避免碰到其他物体使得横梁形变，而导致整个力架不能正常使用。

为保证测量的精度，以及系统的安全考虑，本发明采用直径为0.3mm的鱼线为标定细丝202，通过将标定细丝202穿出标定空心头杆203a然后在固定端打结203d，将结203d与标定端头203的头杆203a头端上开设的通孔配合，实现固定细丝与标定端头203间的固定，如图9所示；所述通孔前端为锥形收缩孔203e，使鱼线的结203d与收缩孔203e配合，由此由于鱼线很细，且加上锥形收缩孔203e的自稳定性，可保证同轴度在0.05mm以内，保证了拉力的方向和作用点。

综上所述，目标靶组件和平衡靶组件对称于测量中轴安装,力测量组件中力传感器套接于平衡靶连接杆上，力传感器两端分别连接固定测量定位销与力顶尖，使力顶尖的力施加端与力测量底座上力作用台力作用端相对。由此通过法码桶中放入不同重量砝码牵引力测量横梁，由力传感器测量可得到力标定曲线；通过力测量组件结合力标定曲线即可测得气动力。本发明的优点为：实现不同大小范围的气动力测量，可满足不同电推力器的要求，精度高，结构简单，易于实现。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种目标靶组件，用于毫牛级真空羽流气动力测量系统中，其特征在于，包括目标靶连接杆、第一绝缘隔热装置、第二绝缘隔热装置、第三绝缘隔热装置和圆形靶；

所述目标靶连接杆的第一端与力测量台架的力测量横梁相连接，第一绝缘隔热装置、圆形靶、第二绝缘隔热装置、目标靶连接杆的第二端和第三绝缘隔热装置依次装配连接，第一绝缘隔热装置和第三绝缘隔热装置的安装末端面处于第二绝缘隔热装置的通孔内。

2.根据权利要求1所述的目标靶组件，其特征在于，

所述第一绝缘隔热装置和第三绝缘隔热装置均为T型通孔结构，第二绝缘隔热装置为法兰盘结构。

3.根据权利要求1所述的目标靶组件，其特征在于，

所述圆形靶采用耐溅射材料钽或钛制成。

4.根据权利要求3所述的目标靶组件，其特征在于，

所述圆形靶能够通过变化直径测量不同大小的推力器的真空羽流气动力。

5.一种适用于毫牛级真空羽流气动力测量系统，其特征在于，包括力测量台架、力标定组件、平衡靶组件、力测量组件和有如根据权利要求1至4中任一项所述的目标靶组件；

所述力标定组件、平衡靶组件、力测量组件和目标靶组件分别设置在所述力测量台架上。

6.根据权利要求5所述的测量系统，其特征在于，

所述平衡靶组件与所述目标靶组件的结构相同。

7.根据权利要求5所述的测量系统，其特征在于，

所述力测量台架包括力测量支撑台、力测量横架和力测量支架；

所述力测量支撑台为矩形框架结构，其顶面和底面分别设置有连接板，两个所述连接板之间设置有力测量中轴，所述力测量横梁通过所述力测量中轴与所述力测量支撑台固定连接，所述目标靶组件分别设置在所述力测量横梁的两端处，并分别位于其两侧；

所述力测量支架呈矩形框架结构水平布置在所述力测量支撑台的中空位置，并位于所述力测量横梁的下方，且支撑所述力标定组件、平衡靶组件、力测量组件和目标靶组件。

8.根据权利要求7所述的测量系统，其特征在于，

所述圆形靶靠近力测量横梁的一面均匀涂抹黑漆。

9.根据权利要求7所述的测量系统，其特征在于，

所述第一绝缘隔热装置、第二绝缘隔热装置和第三绝缘隔热装置均由高硅氧材料制成。

10.根据权利要求7所述的测量系统，其特征在于，

所述力测量组件的力传感器与所述平衡靶组件位于同一侧，并与所述目标靶组件相隔离。