CN110333022A - 拉丝约束的微牛顿推力测试台装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及弱力测量技术领域，具体涉及一种拉丝约束的微牛顿推力测试台装置。所述测试台装置包括：安装框架、台体、待测试微推进器、拉丝约束组件和测微器。本发明的拉丝约束的微牛顿推力测试台装置通过至少一个拉丝约束组件对台体进行自由度约束，拉丝约束组件包括一个施力调节件和至少三根第一拉丝，施力调节件为第一拉丝提供张力，并且施力调节件通过自身的施力大小的调节和台体的细微转动来维持拉丝约束组件的弹性结构的张力近似不变，实现台体沿其轴向平动为柔性自由度，台体的其余四个自由度被拉丝的张力约束，降低了台体及微推进器的重力和地面振动对推力测试的影响。
Description
技术领域
本发明涉及弱力测量技术领域，具体涉及一种拉丝约束的微牛顿推力测试台装置。
背景技术
分辨率在微牛顿量级及更高精度的微推进器在高精度太空实验中有重要应用。在高精度的深空探测、空间卫星编队飞行等空间任务中，对卫星的姿态控制和轨道控制的精度要求越来越高，而控制的执行器即是高精度空间微推进器，它是空间任务极其重要的组成部分，其性能也决定了空间任务的执行质量甚至成败。另外，空间引力波探测计划、卫星重力场测量、空间等效原理检验、空间微重力隔振等项目中，还需要用微推进器对卫星或局部载荷受到的非引力扰动进行实时补偿，进行所谓的无拖曳控制。
而地面性能评估测试和精度标定是微推进器发展的必由之路，也是其空间应用的前提条件之一。
应用于空间任务的高精度微推进器的地面测试是一件困难的事情。主要原因在于：地面测试无法避免地表重力加速度g0的影响，对于微推进器而言(通常质量在公斤量级)，所受到的重力是地面测试中不可避免的背景力，而需要测试的微弱推力仅为其重力的106～108分之一。另外，普通实验室地面的地表震动噪声(seismic noise)可以达到10-5m/s2甚至更大，也是亚微牛顿精度的微推力测试和标定的主要限制因素之一。
为此，国际上十数个课题组对高精度微推力的测试进行了长期探索和研究，形成了单摆、扭摆、扭秤、倒摆等不同的精巧的机械敏感结构，微推力作用在敏感结构上引起线(角)位移的变化并进行测量，构成了各具特色的地面测试系统。这些技术的发展极大的促进了高精度微推进器的发展(A.J.Jamison,A.D.Ketsdever and E.P.Muntz,AccurateMeasurement of Nano-Newton Thrust for Micropropulsion System Characterization[C],EPC-01-236,2001,Californica,USA；S.Rocca,C.Menon and D.Nicolini,FEEPmicro-thrust balance characterization and testing[J],Meas.Sci.Technol.2006,17:711-718；杨元侠，微牛顿量级推进器的推力性能研究[D]，博士论文，华中科技大学图书馆，2012)。然而，这些方案的不足也是明显的：(1)测量频率响应慢，难以准确测定推力快速变化的过程；(2)部分方案中，弹性结构的自身重力引起了附加的测试刚度，限制了测试的灵敏度；(3)测试台的调节过程较复杂，更换不同的待测微推时效率较低。鉴于此，克服以上现有技术中的不足，提供一种新的能够模拟太空环境的测试台装置成为本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，提供一种拉丝约束的微牛顿推力测试台装置。
本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：
本发明提供了一种拉丝约束的微牛顿推力测试台装置，所述装置包括：
安装框架；
设于所述安装框架上的具有容纳腔的台体，所述容纳腔沿所述台体的轴向延伸；
设于所述台体容纳腔内的微推进器；以及
至少一个设于所述台体和所述安装框架之间的拉丝约束组件，每个拉丝约束组件包括一个施力调节件、以及至少三根第一拉丝，所述施力调节件用于为所述台体施加拉力以及为所述第一拉丝加载张力，所述第一拉丝的一端设于所述安装框架、另一端设于所述台体外表面，所述至少三根拉丝在所述台体的外周上彼此等间隔且呈放射状布设。
优选地，所述台体呈柱状，所述第一拉丝与所述台体的横截面相切，所述至少三根第一拉丝在台体上的固定点位于同一圆周上，所述至少三根第一拉丝在安装框架上的固定点位于同一圆周上，所述至少三根第一拉丝的长度相等。
优选地，所述第一拉丝的数量为3，相邻两个第一拉丝之间的夹角为60°。
优选地，所述台体横向设置，其中一根第一拉丝竖直设置，所述施力调节件与竖直设置的第一拉丝在所述台体上对称设置。
优选地，所述施力调节件包括第二拉丝、定滑轮和施力机构，所述第二拉丝的一端设于所述台体上、另一端经过所述定滑轮和所述施力机构相连。
优选地，所述施力机构为砝码；
和/或，所述第二拉丝上设有弹性件。
优选地，所述施力调节件包括第二拉丝和设于所述第二拉丝上的弹性件。
优选地，所述弹性件为弹簧。
优选地，所述台体竖直设置，所述装置包括设于所述台体和所述安装框架之间的悬挂件。
优选地，所述装置还包括设于所述台体上的测微器；
或，所述装置还包括设于所述台体的弱力执行器、以及用于控制所述弱力执行器的控制器；
或，所述装置设有多个微推进器，所述多个微推进器靠近所述台体的中心轴设置。
本发明还提供了一种拉丝约束的微牛顿推力差分测量系统，所述系统包括：
安装框架；
设于所述安装框架的测试装置，包括：通过至少一个拉丝约束组件设于所述安装框架上的具有第一容纳腔的第一台体，所述第一容纳腔沿所述第一台体的轴向延伸；以及设于所述第一容纳腔内的微推进器；
设于所述安装框架的对比装置，包括：通过至少一个拉丝约束组件设于所述安装框架上的具有第二容纳腔的第二台体，所述第二容纳腔沿所述第二台体的轴向延伸；以及设于所述第二容纳腔内的与所述微推进器质量相等的替代体；
其中，每个拉丝约束组件包括一个施力调节件、以及至少三根第一拉丝，所述施力调节件用于为所述台体施加拉力以及为所述第一拉丝加载张力，所述第一拉丝的一端设于所述安装框架、另一端设于所述台体外表面，所述至少三根拉丝在所述台体的外周彼此等间隔且呈放射状布设。
本发明的拉丝约束的微牛顿推力测试台装置通过至少两个拉丝约束组件对台体进行自由度约束，拉丝约束组件包括一个施力调节件和至少三根第一拉丝，施力调节件为第一拉丝提供张力，并且施力调节件通过自身的施力大小的调节和细微转动来维持拉丝约束组件的弹性结构的张力近似不变，实现台体沿其轴向平动为柔性自由度，台体的其余四个自由度被拉丝的张力约束，降低了重力和振动对推力测试的影响。
附图说明
图1是本发明实施例1的拉丝约束的微牛顿推力测试台装置的结构示意图。
图2是本发明实施例1的拉丝约束的微牛顿推力测试台装置的侧视图。
图3是本发明实施例1的拉丝约束的微牛顿推力测试台装置的立体图。
图4是本发明实施例2的拉丝约束的微牛顿推力测试台装置的结构示意图。
图5是本发明实施例2的拉丝约束的微牛顿推力测试台装置的俯视图。
图6是本发明实施例3的拉丝约束的微牛顿推力差分测量系统的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在下文中，将参考附图来更好地理解本发明的许多方面。附图中的部件未必按照比例绘制。替代地，重点在于清楚地说明本发明的部件。此外，在附图中的若干视图中，相同的附图标记指示相对应零件。
如本文所用的词语“示例性”或“说明性”表示用作示例、例子或说明。在本文中描述为“示例性”或“说明性”的任何实施方式未必理解为相对于其它实施方式是优选的或有利的。下文所描述的所有实施方式是示例性实施方式，提供这些示例性实施方式是为了使得本领域技术人员做出和使用本公开的实施例并且预期并不限制本公开的范围，本公开的范围由权利要求限定。在其它实施方式中，详细地描述了熟知的特征和方法以便不混淆本发明。而且，并无意图受到前文的技术领域、背景技术、发明内容或下文的详细描述中给出的任何明示或暗示的理论限制。还应了解在附图中示出和在下文的说明书中描述的具体装置和过程是在所附权利要求中限定的发明构思的简单示例性实施例。因此，与本文所公开的实施例相关的具体尺寸和其他物理特征不应被理解为限制性的，除非权利要求书另作明确地陈述。
实施例1
本发明实施例1提供了一种拉丝约束的微牛顿推力测试台装置，请参阅图1、图2和图3所示，该测试台装置包括：安装框架10、台体20、微推进器30、两个拉丝约束组件40和测微器50，其中，台体20通过两个拉丝约束组件40设置于安装框架10上，在本实施例中，台体20横向设置，两个拉丝约束组件40分别设于台体20的左右两端。
其中，安装框架10可以是带真空维持能力的气密性系统，用于模拟和测试组件在真空状态下的工作状态。
其中，台体20具有容纳腔20a，容纳腔20a沿着该台体20的轴向延伸，微推进器30固定于容纳腔20a内，台体20与微推进器30形成一个整体。
其中，每个拉丝约束组件40包括一个施力调节件401、以及至少三根第一拉丝402，该施力调节件401用于为该台体20施加拉力以及为多个第一拉丝402加载张力，该第一拉丝402的一端设于该安装框架10、另一端设于该台体20外表面，多根第一拉丝402在该台体20的外周上彼此等间隔且呈放射状布设。
在一个优选实施方式中，该台体20呈柱状，台体20的横截面呈圆形，第一拉丝402与该台体20的圆形的横截面相切，至少三根第一拉丝402在台体20上的固定点位于同一圆周上，至少三根第一拉丝402在安装框架10上的固定点位于同一圆周上，至少三根第一拉丝402的长度相等。进一步地，该第一拉丝402的数量为3，相邻两个第一拉丝402之间的夹角为60°，请参阅图2和图3所示，其中一根第一拉丝402竖直设置，施力调节件401与竖直设置的第一拉丝402在该台体20上对称设置。
具体地，在第一个优选实施方式中，请参阅图2所示，施力调节件401包括第二拉丝4011、定滑轮4013和施力机构4012，第二拉丝4011的一端设于该台体20上、另一端经过所述定滑轮4013与所述施力机构4012相连，定滑轮4013固定于该安装框架10上，第二拉丝4011与台体20的圆形的横截面相切，第二拉丝4011和三根第一拉丝402共面设置。优选地，施力机构4012为砝码。优选地，第一拉丝和第二拉丝的长度相等或近似相等。
在台体20安装的过程中，为了使台体20保持如图所示的构型，需要给第一拉丝402预加载合适的张力，这可以通过拉力为T1的第二拉丝4011和拉力为T2的第二拉丝4011绕过固定在安装框架10上的定滑轮4013并由施力机构4012施加合适的力来实现，当施力机构4012为砝码时，通过挂载合适重量的砝码来实现。
当台体20被安装完毕时，第一拉丝402和第二拉丝4011均保持张力且彼此长度相同，其中，第一拉丝402的长度不变，第二拉丝4011的长度可调节，于是，共有八根等长的拉丝从安装框架10上连接到台体20的边缘以约束台体20的无关运动，具体地，拉力分别为F1、F2、F3的三根第一拉丝402互成60o相切地从安装框架10连接到台体20的第一端外侧，拉力为T1的第二拉丝4011与拉力为F1的第一拉丝402对称的作用在台体20的第一侧，拉力为F1、F2、F3和T1的四根拉丝作为一组，共面且与该台体20轴线垂直，但作用在摆台上的力矩方向相反；拉力分别为F4、F5、F6和T2的四根拉丝作为另一组，以同样的方式从安装框架10连接到该台体20的第一端外侧。
当八根拉丝均保持张力时，台体20沿水平方向(台体20的轴向)的平动是柔性自由度，定性分析如下：请参阅图3所示，当有微推力作用在台体20的x方向，即拉丝平面的正交方向，两组拉丝在台体20一侧的连接点离开原来的面，由于其中的6根拉丝(第一拉丝402)不可伸长，因此该台体20会发生轻微转动，而另两根拉丝(第二拉丝4011)则会通过定滑轮4013的细微转动来维持拉丝约束组件40的整个弹性结构的张力(近似)不变。该台体20的其余四个自由度则完全由8根拉丝的张力直接约束。由此可见，本实施例的测试台装置用8根拉丝约束该台体20，构建了沿x轴(水平方向)适合微推力测试的敏感方向。
进一步地，在第一个优选实施方式中，第二拉丝4011上还可以设置第一弹性件4014，第一弹性件4014与施力机构4012共同作用，实现对三根第一拉丝402张力的加载以及微推力作用在台体20的x方向导致该台体20会发生轻微转动时进行细微调节(第一弹性件4014的伸长以及定滑轮4013的细微转动)以维持拉丝约束组件40的整个弹性结构的张力近似不变。进一步地，第一弹性件4014为弹簧。
具体地，在第二个优选实施方式中，请参阅图3所示，施力调节件401直接设置弹性件作为施力机构，施力调节件401包括第二拉丝4011和设于第二拉丝4011上的第二弹性件4015，第二拉丝4011的一端设于台体20上，另一端设于该安装框架10上，第二拉丝4011与该台体20的圆形的横截面相切，第二拉丝4011和三根第一拉丝402共面设置。
在台体20安装的过程中，拉力为T1的第二拉丝4011和拉力为T2的第二拉丝4011通过第二弹性件4015的伸长实现为第一拉丝402预加载合适的张力。
当台体20被安装完毕时，第一拉丝402和第二拉丝4011均保持张力且彼此长度相同，其中，第一拉丝402的长度不变，第二拉丝4011的长度通过第二弹性件4015的长度变化而调节，微推力作用在台体20的x方向导致该台体20会发生轻微转动时，两根拉丝(第二拉丝4011)则会通过第二弹性件4015的伸长来维持拉丝约束组件40的整个弹性结构的张力(近似)不变。进一步地，第二弹性件4015为弹簧。
可以理解的是，本实施例虽然以台体呈圆柱状为例进行了详细说明，但是本发明对台体的形状不做限定，台体除了可以为柱状，还可以为长方体状、球形、或不规则形状，只需调整第一拉丝和第二拉丝的拉力和布设方式，满足通过第一拉丝和第二拉丝约束除台体轴向(x水平方向)外的其它自由度，当台体轴向有微推力作用而使台体发生轻微转动时，再通过定滑轮的细微转动或者弹性件的伸长来补偿以维持拉丝约束组件的整个弹性结构的张力近似不变。
可以理解的是，本实施例虽然以设于台体左右两端的两个拉丝约束组件为例进行说明，但是拉丝约束组件不限于两个，可以是三个或三个以上，沿着台体轴向均匀布置即可；当台体呈薄片状时(沿x方向厚度较小)，拉丝约束组件的数量也可以是一个。
可以理解的是，本实施例虽然以三根第一拉丝、以及(i)第二拉丝上设置定滑轮和砝码或(ii)第二拉丝上设置弹性件的施力调节件为例进行了详细说明，第一拉丝的数量可以为三根或三根以上，施力调节件可以采用其它的实现方式，只需满足能够为第一拉丝提供张力及当台体轴向有微推力作用而使台体发生轻微转动时能够进行调节补偿即可。
测微器50用于检测台体20在水平方向(x轴方向)上的位移，测微器50可以设于台体20上，优选地，测微器50可以设于台体20的远离微推进器30的一端。进一步地，本实施例的拉丝约束的微牛顿推力测试台装置的测微器50可以替换为弱力执行器，再设置用于控制该弱力执行器的控制器，使本实施例的测试台装置可以在闭环控制状态下进行测量。
进一步地，本实施例的拉丝约束的微牛顿推力测试台装置可以设有多个微推进器30，所述多个微推进器30靠近所述台体20的中心轴设置，能够有效提高测试工作的效率。
实施例2
本发明实施例2提供了一种拉丝约束的微牛顿推力测试台装置，请参阅图4和图5所示，该测试台装置包括：安装框架10、台体20、微推进器30、两个拉丝约束组件40、测微器50和悬挂件60，其中，台体20通过两个拉丝约束组件40以及悬挂件60设置于安装框架10上，本实施例与实施例1的区别在于，台体20竖直设置，两个拉丝约束组件40分别设于台体20的上下两端，并且，在竖直方向上设置有悬挂件60，以补偿台体20的重力影响，其中，悬挂件60可以为弹性悬挂件，例如，包括第三拉丝601和设于该第三拉丝601上的第三弹性件602。
在本实施例中，每个拉丝约束组件40包括一个施力调节件401、以及至少三根第一拉丝402，该施力调节件401用于为该台体20施加拉力以及为多个第一拉丝402加载张力，该第一拉丝402的一端设于该安装框架10、另一端设于该台体20外表面，多根第一拉丝402在该台体20的外周上彼此等间隔且呈放射状布设。
在一个优选实施方式中，该台体20呈柱状，台体20的横截面呈圆形，第一拉丝402与该台体20的圆形的横截面相切。进一步地，该第一拉丝402的数量为3，相邻两个第一拉丝402之间的夹角为60°，请参阅图5所示，其中一根第一拉丝402与施力调节件401在该台体20上对称设置。
具体地，施力调节件401包括第二拉丝4011、定滑轮4013和施力机构4012，第二拉丝4011的一端设于该台体20上、另一端经过所述定滑轮4013与所述施力机构4012相连，定滑轮4013固定于该安装框架10上，第二拉丝4011与台体20的圆形的横截面相切，第二拉丝4011和三根第一拉丝402共面设置。优选地，施力机构4012为砝码。
本实施例仅仅描述与实施例1不同的部分，与实施例1相同的部分不再进行一一赘述。
实施例3
本发明实施例3提供了一种拉丝约束的微牛顿推力差分测试系统，请参阅图6所示，该差分测试系统包括：安装框架100、测试装置和对比装置，该测试装置包括：第一台体201、微推进器301和拉丝约束组件40，该对比装置包括：第二台体202、替代体302和拉丝约束组件40，其中，第一台体201通过至少一个拉丝约束组件40设于安装框架10上，第一台体201具有第一容纳腔，第一容纳腔沿第一台体201的轴向延伸，微推进器301设于第一台体201的第一容纳腔内；第二台体202具有第二容纳腔，第二容纳腔沿第二台体202的轴向延伸，替代体302设于第二台体202的第二容纳腔内；替代体302的质量与微推进器301相同。拉丝约束组件40的结构和设置方式参考上述实施例，在此不进行一一赘述，测微器的设置方式也与上述实施例1相同。
本实施例为了在地面测试中抑制地面震动、温度波动等共模噪声，使用了差分测量的方法，即在同一个安装框架中装备两个测试台单元，即为测试装置和对比装置，对比装置作为对比测试台，用以扣除共模噪声，提高测试的信噪比。在本实施例中，第一台体201、微推进器301、以及第一台体201和安装框架100之间的拉丝约束组件40形成测试装置，第二台体202、替代体302、以及第二台体202和安装框架100之间的拉丝约束组件40形成对比装置。
进一步地，第一台体201和第二台体202上均设有测微器或弱力执行器，设置方式与上述实施例1相同，测试装置的测微器设于第一台体201上，例如，可以设于第一台体201上的远离微推进器301的一端，用于检测第一台体201在水平方向(x轴方向)上的位移，对比装置的测微器设于第二台体202的远离替代体302的一端，用于检测第二台体202在水平方向(x轴方向)上的位移。
由于地面震动、温度波动等共模噪声的存在，对比装置中的第二台体202在水平方向有一个位移(以下称为第一位移)，该第一位移可以通过对比装置的测微器测量得到。
测试装置中的第一台体201受到与对比装置中的第二台体202同样的干扰，测试装置的测微器的测量结果需扣除因共模噪声产生的第一位移。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种拉丝约束的微牛顿推力测试台装置，其特征在于，所述装置包括：安装框架；
设于所述安装框架上的具有容纳腔的台体，所述容纳腔沿所述台体的轴向延伸；
设于所述台体容纳腔内的微推进器；以及
至少一个设于所述台体和所述安装框架之间的拉丝约束组件，所述拉丝约束组件包括一个施力调节件、以及至少三根第一拉丝，所述施力调节件用于为所述台体施加拉力以及为所述第一拉丝加载张力，所述第一拉丝的一端设于所述安装框架、另一端设于所述台体外表面，所述至少三根拉丝在所述台体的外周彼此等间隔且呈放射状布设。
2.根据权利要求1所述的拉丝约束的微牛顿推力测试台装置，其特征在于，所述台体呈柱状，所述第一拉丝与所述台体的横截面相切，所述至少三根第一拉丝在台体上的固定点位于同一圆周上，所述至少三根第一拉丝在安装框架上的固定点位于同一圆周上，所述至少三根第一拉丝的长度相等。
3.根据权利要求2所述的拉丝约束的微牛顿推力测试台装置，其特征在于，所述第一拉丝的数量为3，相邻两个第一拉丝之间的夹角为60°。
4.根据权利要求3所述的拉丝约束的微牛顿推力测试台装置，其特征在于，所述台体横向设置，其中一根第一拉丝竖直设置，所述施力调节件与竖直设置的第一拉丝在所述台体上对称设置。
5.根据权利要求1至4任一项所述的拉丝约束的微牛顿推力测试台装置，其特征在于，所述施力调节件包括第二拉丝、定滑轮和施力机构，所述第二拉丝的一端设于所述台体上、另一端经过所述定滑轮和所述施力机构相连。
6.根据权利要求5所述的拉丝约束的微牛顿推力测试台装置，其特征在于，所述施力机构为砝码；
和/或，所述第二拉丝上设有弹性件。
7.根据权利要求1至4任一项所述的拉丝约束的微牛顿推力测试台装置，其特征在于，所述施力调节件包括第二拉丝和设于所述第二拉丝上的弹性件。
8.根据权利要求6或7所述的拉丝约束的微牛顿推力测试台装置，其特征在于，所述弹性件为弹簧。
9.根据权利要求1所述的拉丝约束的微牛顿推力测试台装置，其特征在于，所述台体竖直设置，所述装置包括设于所述台体和所述安装框架之间的悬挂件。
10.根据权利要求1所述的拉丝约束的微牛顿推力测试台装置，其特征在于，所述装置还包括设于所述台体上的测微器；
或，所述装置还包括设于所述台体的弱力执行器、以及用于控制所述弱力执行器的控制器；
或，所述装置设有多个微推进器，所述多个微推进器靠近所述台体的中心轴设置。
11.一种拉丝约束的微牛顿推力差分测量系统，其特征在于，所述系统包括：安装框架；
设于所述安装框架的测试装置，包括：通过至少一个拉丝约束组件设于所述安装框架上的具有第一容纳腔的第一台体，所述第一容纳腔沿所述第一台体的轴向延伸；以及设于所述第一容纳腔内的微推进器；
设于所述安装框架的对比装置，包括：通过至少一个拉丝约束组件设于所述安装框架上的具有第二容纳腔的第二台体，所述第二容纳腔沿所述第二台体的轴向延伸；以及设于所述第二容纳腔内的与所述微推进器质量相等的替代体；
其中，每个拉丝约束组件包括一个施力调节件、以及至少三根第一拉丝，所述施力调节件用于为所述台体施加拉力以及为所述第一拉丝加载张力，所述第一拉丝的一端设于所述安装框架、另一端设于所述台体外表面，所述至少三根拉丝在所述台体的外周彼此等间隔且呈放射状布设。
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