CN110562504B - 一种冷气推进器推力测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种冷气推进器推力测量装置，包括：支架两侧固定，支架中间设有通孔；通气圆筒的一端与支架的通孔密封连接，摆架包括一个对称框架，对称框架中间设有硬质气管，硬质气管的一端与通气圆筒的另一端密封连接；冷气推进器的进气孔连接硬质气管的另一端，通过支架的通孔向冷气推进器供气；冷气推进器的喷气方向与轴线垂直；由于通气圆筒具有弹性，则当冷气推进器的喷气方向与轴线相交时，工作于单摆模式，当冷气推进器的喷气方向与轴线不相交时，工作于扭摆模式；反馈单元反馈摆架的摆动或扭转角度；监测单元根据摆架的摆动或扭转角度、装置的结构参数确定冷气推进器的推力。本发明提升推力测量装置测量结果的精度。

Description

一种冷气推进器推力测量装置

技术领域

本发明涉及测量技术领域，更具体地，涉及一种冷气推进器推力测量装置。

背景技术

随着人们对空间科学任务和实验的兴趣不断增加，空间探测的需要越来越强烈，同时对卫星的微推进系统要求也越来越高，推力测量装置在冷气推进器的研发过程中具有至关重要的作用。冷气推进器在航天任务中应用广泛，由于微牛级推进器的推力比较小，并且一般推进器气管和电线等连接会对测量造成极大困难，同时微推进器还需要在真空下工作，这导致测量难度比较大。由于冷气推进器的气管连接在侧面，若通过摆系统模式测量冷气推进器的推力，侧面的气管会对测量结果造成一定的偏差。

因此需要研究一种对气管影响不敏感的冷气推进器微推力测量装置来满足日益增长的科技发展需求。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决现有测量冷气推进器推力的装置，由于冷气推进器的气管连接在侧面，会对测量结果造成一定偏差的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种冷气推进器推力测量装置，包括：支架、通气圆筒、摆架、冷气推进器、反馈单元以及监测单元；

所述支架的两侧固定，所述支架中间设有通孔，所述通孔用于通气；

所述通气圆筒的一端与支架的通孔密封连接，位于所述支架的下方，所述通气圆筒具有弹性；

所述摆架包括一个对称框架，所述对称框架中间设有硬质气管，所述硬质气管的一端与所述通气圆筒的另一端密封连接，所述摆架位于通气圆筒的下方；所述支架的通孔、通气圆筒以及所述硬质气筒位于同一条轴线上；

所述冷气推进器位于摆架的下方，冷气推进器的进气孔连接所述硬质气管的另一端，通过支架的通孔向冷气推进器供气；所述冷气推进器的喷气方向与所述轴线垂直；由于所述通气圆筒具有弹性，则当所述冷气推进器的喷气方向与所述轴线相交时，所述推力测量装置工作于单摆模式，当所述冷气推进器的喷气方向与所述轴线不相交时，所述推力测量装置工作于扭摆模式；

所述反馈单元设置在所述摆架上面，用于在冷气推进器喷气工作时，反馈所述摆架的摆动角度或扭转角度；

所述监测单元用于根据所述摆架的摆动角度或扭转角度、推力测量装置的结构参数确定所述冷气推进器的推力。

可选地，所述反馈单元包括：两个反射镜；

所述两个反射镜对称固定在摆架的两侧，用于检测摆架的摆动或扭转角度。

可选地，所述反馈单元包括：两个电容极板和电容位移传感电路；

所述两个电容极板对称固定在摆架的两侧，所述电容位移传感电路用于通过电容极板的位置变化监测摆架的位移。

可选地，所述通气圆筒包括上固定圆环、中间圆筒以及下固定圆环；

所述上固定圆环和下固定圆环分别固定在中间圆筒的上下两端；

所述通气圆筒的上固定圆环与支架的通孔密封连接；

所述通气圆筒的下固定圆环与硬质气管的一端密封连接；

所述中间圆筒为弹性部件；

所述推力测量装置工作于单摆模式或扭摆模式时，单摆模式或扭摆模式下的摆系统包括：所述中间圆筒、下固定圆环、摆架、冷气推进器以及反馈单元；所述摆系统的悬点为所述上固定圆环的水平面中心。

可选地，当工作于单摆模式时，所述冷气推进器的平均推力F为：

F＝A₁(mgl+K₁)/L₁

其中，A₁是摆架的摆动角度，m是摆系统的质量，l是摆系统等效质心到悬点的距离，L₁是冷气推进器喷嘴到所述悬点的垂直距离，K₁是通气圆筒的弹性系数。

可选地，当工作于扭摆模式时，所述冷气推进器的平均推力F为：

F＝A₂K₂/L₂

其中，A₂是摆架的扭转角度，L₂是冷气推进器推力喷嘴到悬点竖直延长线的水平距离，K₂是通气圆筒的扭转弹性系数。

可选地，所述摆架采用铝材料制备。

可选地，所述通气圆筒采用金属材料制备，其厚度在微米量级。

可选地，将冷气推进器的供电系统安装在通气圆筒附近。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供的冷气推进器推力测量装置，通过通气圆筒的设计可以集悬挂与通气功能于一体，由于通气圆筒将支架的通气孔和推进器的进气口连接在一起，且通气圆筒具有弹性，且支架通孔、通气圆筒、摆架中的通气管以及冷气推进器连接在一起，即能组成摆系统又可以直接通过摆系统的中轴为冷气推进装置通气，使得摆系统保证严格的平衡性，使得冷气推进器不需要侧面使用额外的通气管，保证了推力测量装置的平衡性和测量结果的精度。

本发明提供的冷气推进器推力测量装置，可以对摆架质量及几何尺寸进行精确测量，通过不同转动惯量配置下的摆运动周期的精确测量可以精确地得到摆系统质心的位置，进而得到推力的大小。

本发明提供的冷气推进器推力测量装置，利用摆的结构可以把冷气推进器的供电系统安装在通气圆筒附近，布线方便且不容易产生额外的力矩。整个安装测试过程操作简单、使用方便。

附图说明

图1为本发明提供的冷气推进器推力测量装置结构图；

图2为本发明提供的冷气推进器推力测量装置的通气圆筒结构示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中，1为支架、2为通气圆筒、3为摆架、4为反射镜或电容极板、5为冷气推进器。

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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的目的在于提供一种通气与悬挂一体化设计的冷气推进器测量装置，旨在解决现有技术中气管影响冷气推进器测量装置导致推力测量结果偏差的问题。

本发明提供了一种通气与悬挂一体化的冷气推进器测量装置，包括：支架、通气圆筒、摆架、反射镜或电容极板、冷气推进器和监测单元；所述通气圆筒用于连接所述支架和摆架同时作为气管对冷气推进器供气；支架固定不动；反射镜或电容极板用于监测摆的位置和摆角信息。

更进一步地，支架包括一个横梁，与通气圆筒连接的部分打孔用来供气。

更进一步地，通气圆筒通过胶水或螺丝与所述支架和所述摆架连接，中间打孔用来为冷气推进器供气，通气圆筒的壁厚为几十微米到几百微米。

更进一步地，摆架包括：“口”型框架、气管和冷气推进器，冷气推进器固定在框架下端，框架中间打孔，通过硬质气管与冷气推进器连接。

更进一步地，反射镜或电容极板包括摆架两侧的两个反射镜或电容极板，其固定在摆架上。

更进一步地，监测单元包括：测量系统、采集卡和信号处理模块；所述测量系统用于测量摆架运动摆角和位置的变化；所述采集卡用于采集所述测量系统输出的信号；所述信号处理模块用于对所述采集卡采集的信号进行处理后获得待测量的推力大小。

本发明的技术方案如下：

本发明通过通气圆筒悬挂摆架构成单摆于通气圆筒既可以悬挂摆，又可以作为气管通气，集通气功能和悬挂功能于一体，所以气管对推力的影响很小可以忽略。装置主体为摆，具体为支架、通气圆筒、摆架、冷气推进器、反射镜或电容极板和监测单元。推进器安装在摆架上。摆架被通气圆筒悬挂起来，通过冷气推进器在摆架上的位置可以调整摆架的姿态，使摆架处于竖直状态，单摆模式下，摆在重力作用下会产生周期性的运动，当冷气推进器推力作用时，推力力矩在新的平衡位置上和重力力矩达到稳定，摆的平衡位置会发生改变，根据监测单元测到的角度信息，就能得到所测推力的大小。扭摆模式下，不考虑单摆运动。通气圆筒有两个作用，一方面悬挂摆架，另一方面作为气管为冷气推进器供气。

单摆模式下平均推力的公式为F＝A₁(mgl+K₁)/L₁，A₁是摆架摆动角度，m是摆系统的质量，l是摆质心到悬点的距离，L₁是冷气推进器推力到悬点的力臂，即冷气推进器喷嘴到悬点的垂直距离，K₁是通气圆筒的弹性系数。

扭摆模式下平均推力的公式为F＝A₂K₂/L₂，A₂是摆架扭转角度，L₂是冷气推进器推力到悬点的力臂，即冷气推进器喷嘴到悬点的水平距离，K₂是通气圆筒的扭转弹性系数。

本发明是一种通气与悬挂一体化设计的冷气推进器推力测量系统，其具体包括：支架、通气圆筒、摆架、反射镜或电容极板、冷气推进器和监测单元。

摆架框架的表面处可以用来放置标准质量块来测量质心位置。摆架的侧面可以也用来固定冷气推进器的电路系统。

监测单元包括：监测系统、采集卡和信号处理模块。所述监测系统用于测量摆架运动摆角和位置的变化；所述采集卡用于采集所述测量系统输出的信号；所述信号处理模块用于对所述采集卡采集的信号进行处理后获得待测量的推力大小。

本发明提供了一种通气与悬挂一体化的冷气推进器测量装置，应用于冷气微推进器推力的测量；本发明利用通气圆筒悬挂摆和为冷气推进器供气，可以有效地减小冷气微推进器气管对推力测量的影响。本发明利用不同转动惯量配置下摆运动周期的不同，可以准确地测量出摆质心的位置，通过精确测量摆角和位置的变化，进而得到冷气推进器推力的大小。

在本发明中，微推力测量装置的主体为摆，具体为支架、通气圆筒、摆架、反射镜或电容极板、冷气推进器和监测单元。冷气推进器安装在摆架上。摆架被通气圆筒悬挂起来，通过调节冷气推进器的位置可以调整摆架的姿态，单摆模式下，摆在重力作用下会做周期性的运动，当冷气推进器推力作用时，推力力矩在新的平衡位置和重力力矩达到稳定，此时摆的平衡位置会发生改变，根据监测系统监测到的摆角和位置信息，就能得到所测推力的大小。

单摆模式下平均推力的公式为F＝A₁(mgl+K₁)/L₁，A₁是摆架摆动角度，m是摆系统的质量，l是摆质心到悬点的距离，L₁是冷气推进器推力到悬点的力臂，即冷气推进器喷嘴到悬点的垂直距离，K₁是通气圆筒的弹性系数。

扭摆模式下，摆发生扭转，通气圆筒提供回复力矩，推力力矩在新的平衡位置和回复力矩达到稳定。

扭摆模式下平均推力公式为F＝A₂K₂/L₂，A₂是摆架扭转角度，L₂是冷气推进器推力到悬点的力臂，即冷气推进器喷嘴到悬点的水平距离，K₂是通气圆筒的扭转弹性系数。

本发明通过通气圆筒悬挂摆架构成摆，由于通气圆筒悬挂摆架且通气圆筒直接对冷气推进器进行供气，所以基本不用考虑气管对推力测量的影响。因此我们能够通过摆结构以高响应率直接精确测量摆角和位置的大小，同时对摆架的质量和几何尺寸进行精确测量，通过不同转动惯量配置下的摆运动周期的精确测量可以精确地得到摆质心的位置，进而得到推力的大小。利用摆的结构可以把冷气推进器的供电系统安装在悬点附近，布线方便且不容易产生额外的力矩。整个安装测试过程操作简单、使用方便。

本发明提供了一种通气与悬挂一体化的冷气推进器测量装置，如图1所示，其具体包括：支架1、通气圆筒2、摆架3、反射镜或电容极板4、冷气推进器5和监测单元；支架1用于悬挂整个摆系统；通气圆筒2用于连接支架和摆架；摆架3用于和通气圆筒2一起构成摆，并承载冷气推进器5；反射镜或电容极板与监测单元配合监测摆的位置信息。

其中，支架1由一个横梁构成，一般采用铝材料加工，与通气圆筒相连的位置打孔对冷气推进器供气。

如图2所示，通气圆筒包括上固定圆环、中间圆筒以及下固定圆环；上固定圆环和下固定圆环分别固定在中间圆筒的上下两端；通气圆筒的上固定圆环与支架的通孔密封连接；通气圆筒的下固定圆环与硬质气管的一端密封连接；中间圆筒为弹性部件；推力测量装置工作于单摆模式或扭摆模式时，单摆模式或扭摆模式下的摆系统包括：所述中间圆筒、下固定圆环、摆架、冷气推进器以及反馈单元；所述摆系统的悬点为所述上固定圆环的水平面中心。

其中，通气圆筒2位于支架1和摆架3之间，圆2上端固定到支架1上，下端固定到摆架上；主要用于悬挂摆架构成单摆或扭摆和对冷气推进器5供气。

其中，摆架3的框架整体为一个“口”型，一般可以采用铝结构，铝结构易加工且没有磁性。

摆架3框架的表面处可以用来放置标准质量块来测量质心位置。摆架3下端固定冷气推进器。在摆架3的侧面可以用来固定冷气推进器的电路系统。通过调整冷气推进器位置可以调整整个摆架的姿态。通过监测系统监测摆架的姿态。

监测单元包括：监测系统、采集卡和信号处理模块。

采集卡采集监测系统得到的电压到信号处理模块，最终得到电压数据，信号处理模块通过自准直仪标定的电压与摆角A之间的关系得到摆角，再计算得到推力大小。

具体地，可以根据平均推力的公式来计算推力大小，单摆模式下平均推力的公式为F＝A₁(mgl+K₁)/L₁。

扭摆模式下平均推力公式为F＝A₂K₂/L₂。

在本发明实施例中，整套系统可以通过通气圆筒连接起来，通过在摆架上放置一个标准质量来改变整个装置的转动惯量，进而改变周期。通过不同配置下周期的改变可以得到整个装置的质心位置，再测量推进器工作时的摆角改变，进而得到微推力的大小。

本发明利用上述装置获得冷气推进器推力的方法，

单摆模式下步骤如下：

(1)首先测量摆系统没有标准质量的摆运动周期T₀和摆系统有标准质量在摆架上的周期T₁。根据周期、标准质量距离悬点距离d₁、标准质量的质量m_s、摆总质量m和标准质量的转动惯量I_s得到整个装置的质心到悬点垂直位置

g为重力加速度。

(2)首先冷气推进器不工作，在重力作用下摆做周期运动，监测系统会将摆的位置信息转换成电压信息，通过采集卡存储到信号处理模块。

(3)冷气推进器工作施加推力，摆架在重力和推力的共同作用下运动，这时，摆的平衡位置就会发生改变，监测系统所测得的摆角和位置信息会发生改变。

(4)根据摆角和位置的改变量即可根据F＝A₁(mgl+K₁)/L₁得到推力大小。

扭摆模式下步骤如下：

(1)首先测量没有标准质量的摆运动周期T₀和标准质量在摆架上的周期T₁。根据周期、标准质量距离悬点水平距离d₁、标准质量的质量m_s、摆总质量m和标准质量的转动惯量I_s得到整个装置的扭转弹性系数K₂值。

(2)首先冷气推进器不工作，摆做周期运动，监测系统会将摆的位置信息转换成电压信息，通过采集卡存储到信号处理模块。

(3)冷气推进器工作施加推力，摆架在回复力和推力的共同作用下运动，这时，摆的平衡位置就会发生改变，监测系统所测得的摆角和位置信息会发生改变。

(4)根据摆角和位置的改变量即可根据F＝A₂K₂/L₂得到推力大小。

本领域的技术人员容易理解，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 (8)

1.一种冷气推进器推力测量装置，其特征在于，包括：支架、通气圆筒、摆架、冷气推进器、反馈单元以及监测单元；

所述支架的两侧固定，所述支架中间设有通孔，所述通孔用于通气；

所述通气圆筒的一端与支架的通孔密封连接，位于所述支架的下方，所述通气圆筒具有弹性；

所述摆架包括一个对称框架，所述对称框架中间设有硬质气管，所述硬质气管的一端与所述通气圆筒的另一端密封连接，所述摆架位于通气圆筒的下方；所述支架的通孔、通气圆筒以及所述硬质气管位于同一条轴线上；

所述冷气推进器位于摆架的下方，冷气推进器的进气孔连接所述硬质气管的另一端，通过支架的通孔向冷气推进器供气；所述冷气推进器的喷气方向与所述轴线垂直；由于所述通气圆筒具有弹性，则当所述冷气推进器的喷气方向与所述轴线相交时，所述推力测量装置工作于单摆模式，当所述冷气推进器的喷气方向与所述轴线不相交时，所述推力测量装置工作于扭摆模式；

所述反馈单元设置在所述摆架上面，用于在冷气推进器喷气工作时，反馈所述摆架的摆动角度或扭转角度；

所述监测单元用于根据所述摆架的摆动角度或扭转角度，以及推力测量装置的结构参数，确定所述冷气推进器的推力。

2.根据权利要求1所述的冷气推进器推力测量装置，其特征在于，所述反馈单元包括：两个反射镜；

所述两个反射镜对称固定在摆架的两侧，用于监测摆架的摆动或扭转角度。

3.根据权利要求1所述的冷气推进器推力测量装置，其特征在于，所述反馈单元包括：电容位移传感电路和两个电容极板；

所述两个电容极板对称固定在摆架的两侧，所述电容位移传感电路用于通过电容极板的位置变化监测摆架的位移。

4.根据权利要求1所述的冷气推进器推力测量装置，其特征在于，所述通气圆筒包括上固定圆环、中间圆筒以及下固定圆环；

所述上固定圆环和下固定圆环分别固定在中间圆筒的上下两端；

所述通气圆筒的上固定圆环与支架的通孔密封连接；

所述通气圆筒的下固定圆环与硬质气管的一端密封连接；

所述中间圆筒为弹性部件；

所述推力测量装置工作于单摆模式或扭摆模式时，单摆模式或扭摆模式下的摆系统包括：所述中间圆筒、下固定圆环、摆架、冷气推进器以及反馈单元；所述摆系统的悬点为所述上固定圆环的水平面中心。

5.根据权利要求4所述的冷气推进器推力测量装置，其特征在于，当工作于单摆模式时，所述冷气推进器的平均推力F为：

F=A ₁ (mgl+K ₁ )/L ₁

其中，A ₁ 是摆架的摆动角度，m是摆系统的质量，l是摆系统等效质心到悬点的距离，L ₁ 是冷气推进器喷嘴到所述悬点的垂直距离，K ₁ 是通气圆筒的弹性系数。

6.根据权利要求4所述的冷气推进器推力测量装置，其特征在于，当工作于扭摆模式时，所述冷气推进器的平均推力F为：

F=A ₂ K ₂ /L ₂

其中，A ₂ 是摆架的扭转角度，L ₂ 是冷气推进器推力喷嘴到悬点竖直延长线的水平距离，K ₂ 是通气圆筒的扭转弹性系数。

7.根据权利要求1至6任一项所述的冷气推进器推力测量装置，其特征在于，所述摆架采用铝材料制备。

8.根据权利要求1至6任一项所述的冷气推进器推力测量装置，其特征在于，所述通气圆筒的中间圆筒采用金属材料制备，其厚度在微米量级。

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