CN111912564B - 一种用于微牛级推力测量系统的气动标定装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于微牛级推力测量系统的气动标定装置，包括充气阀、存储气瓶、补压电磁阀、气动容腔及控制单元；充气阀的出气口端连接至存储气瓶的进气口端，充气阀的进气口端连接至外部气源，存储气瓶的出气口端连接至补压电磁阀的进气口，补压电磁阀的出气口连接至气动容腔的进气口；补压电磁阀与控制单元连接，控制单元控制补压电磁阀的通断，为气动容腔充入气体，并由气动容腔喷出气体产生推力。本发明采用气动力方法产生标准弱力，消除电磁干扰，采用贮气、供气一体化小型化设计，解除供气管路与推力测量系统的耦合，消除管路干扰。

Description

一种用于微牛级推力测量系统的气动标定装置
技术领域
本发明涉及一种气动标定装置，属于航天器推进系统设计和应用技术领域。
背景技术
微牛级推力测量系统是评估高精度推力器性能、参数等设计要素的重要支撑设备，主要用于在地面上开展推力器的稳态推力、推力分辨率等核心性能参数的精确测量。
在对推力器开展正式推力标定之前，首先需要对微牛级推力测量系统进行自标定，即需要找到一种微小推力的标准源装置。目前常用的标定方法包括质量力标定和电磁力标定两大类。质量力标定基于标准质量的重力效应，由于在标定过程中质量块不能够随意增减，造成该方法调节范围有限；电磁力标定调节范围较宽，但较容易受到外界电磁场和微振动的影响，不易保持稳定。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服微牛级推力测量系统标定过程中标准弱力源扰动大的技术难题，本发明提供一种用于微牛级推力测量系统的气动标定装置，采用气动力方法产生标准弱力，消除电磁干扰，采用贮气、供气一体化小型化设计，解除供气管路与推力测量系统的耦合，消除管路干扰；整个装置操作方便，可调节，精度高，适用范围宽。
本发明所采用的技术方案是：一种用于微牛级推力测量系统的气动标定装置，包括充气阀、存储气瓶、补压电磁阀、气动容腔及控制单元；充气阀的出气口端连接至存储气瓶的进气口端，充气阀的进气口端连接至外部气源，存储气瓶的出气口端连接至补压电磁阀的进气口，补压电磁阀的出气口连接至气动容腔的进气口；补压电磁阀与控制单元连接，控制单元控制补压电磁阀的通断，为气动容腔充入气体，并由气动容腔喷出气体产生推力。
一种用于微牛级推力测量系统的气动标定装置，还包括高压压力传感器和低压压力传感器；高压压力传感器连接至存储气瓶的出气口和补压电磁阀的进气口之间；低压压力传感器连接至补压电磁阀的出气口和气动容腔的进气口之间；高压压力传感器和低压压力传感器均与控制单元连接，控制单元通过采集高压压力传感器和低压压力传感器的压力信号，实时控制补压电磁阀的通断，实现气动容腔的压力补充。
一种用于微牛级推力测量系统的气动标定装置，还包括卸压电磁阀和均衡放气孔；卸压电磁阀的进气口与气动容腔的出气口连接，卸压电磁阀的出气口与均衡放气孔的进气口连接，均衡放气孔的出气口端与外界连通；均衡放气孔的底座固定在存储气瓶的出气口端面上；卸压电磁阀与控制单元连接，控制单元通过采集低压压力传感器的压力信号，实时控制卸压电磁阀的通断，实现气动容腔的压力卸放。
气动容腔包括容腔主体、外部上安装孔、外部下安装孔、压力监测接口、进气口、出气口以及推力孔；外部上安装孔设置在容腔主体上部，外部下安装孔设置在容腔主体下部；压力监测接口设置在容腔主体背面上部，用于安装低压压力传感器；进气口设置在容腔主体背面中部，用于与补压电磁阀连接；出气口设置在容腔主体背面下部，用于与卸压电磁阀连接；推力孔设置于容腔主体正面中心，推力孔用于在给定的容腔压力P下产生指定的标准推力F。
推力孔的孔径d采用下式计算：
Figure BDA0002606464040000021
一种用于微牛级推力测量系统的气动标定装置，还包括第一固定支架；第一固定支架安装在存储气瓶外部下安装孔和气动容腔的外部下安装孔之间，用于连接固定存储气瓶和气动容腔。
一种用于微牛级推力测量系统的气动标定装置，还第二固定支架；第二固定支架安装在存储气瓶外部上安装孔和气动容腔的外部上安装孔之间，用于连接固定存储气瓶和气动容腔；控制单元位于存储气瓶和气动容腔上方，第二固定支架与控制单元底部安装槽连接，用于支撑承控制单元。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明提出的气动力标定装置基于气体流动的稀薄气体效应，将气体流动控制在自由分子流的状态，可精确计算其气动力的数值；通过控制气流的压力变化来改变其产生力的大小，调节更方便；同时该气动力标定装置不受电磁干扰和微振动影响，非常适合用于微牛级推力测量系统的精确标定。
(2)本发明的用于微牛级推力测量系统的气动标定装置采用气动力方法进行标定的装置，能够在真空条件下产生1～50μN的标准推力，并且整个装置采取一体化的结构设计，无需外接管路，完全避开了管路对推力测量系统的干扰。
(3)本发明采用气动力作为标准弱力源，不需要外部供电产生驱动力，消除了电磁干扰。本发明使用前，充气阀通过地面管路与外部气源连接，为存储气瓶充满气体，充满后拆除管路，测试期间无管路干扰。气动容腔的补压和卸压均采取电子调压方式，精度高、调节范围宽。均衡放气孔采用对称双孔设计，压力卸放时不会产生外部净推力；系统采用了模块化集成设计，减小了系统的体积，为微牛级推力测量系统节省了宝贵的空间。
附图说明
图1为本发明系统原理图；
图2为本发明装置模块布局图；
图3为本发明气动容腔结构图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
实施例1
如图1所示，一种用于微牛级推力测量系统的气动标定装置，包括充气阀1、存储气瓶2、高压压力传感器3，控制单元4、补压电磁阀5、低压压力传感器6、气动容腔7、卸压电磁阀8和均衡放气孔9。
在气动标定装置中，充气阀1气体出口端连接存储气瓶2气体入口端；存储气瓶2气体出口端并联接入高压压力传感器3、补压电磁阀5；补压电磁阀5气体出口端并联接入低压压力传感器6、气动容腔7；气动容腔7气体出口端连接卸压电磁阀8气体入口端；卸压电磁阀8气体出口端连接均衡放气孔气体入口端；高压压力传感器3、补压电磁阀5、低压压力传感器6、卸压电磁阀8通过电缆与控制单元4连接。
在气动标定装置中，充气阀1通过地面管路与外部气源连接，为存储气瓶充气；充满后拆除地面管路；微牛级推力测量系统标定过程中实现无管路测试。
在气动标定装置中，高压压力传感器3、补压电磁阀5、低压压力传感器6与控制单元4组成电子补压系统，控制单元4通过采集高压压力传感器3和低压压力传感器6的压力信号，实时控制补压电磁阀5的通断，实现气动容腔7的压力补充；卸压电磁阀8、低压压力传感器6与控制单元4组成电子卸压系统，控制单元4通过采集低压压力传感器6的压力信号，实时控制卸压电磁阀8的通断，实现气动容腔7的压力卸放。
图2为气动标定装置的集成化模块布局图。充气阀1安装于存储气瓶2的背面；高压压力传感器3安装于存储气瓶2的正面上部；低压压力传感器6安装于气动容腔7的背面上部；补压电磁阀5安装于存储气瓶2正面与气动容腔7背面之间；存储气瓶2与气动容腔7通过第一固定支架10和第二固定支架11连接并固定；控制单元4安装于第二固定支架11上；均衡放气孔9底座安装于存储气瓶2正面下部；卸压电磁阀8安装于气动容腔7背面下部与均衡放气孔9之间。通过产品的集成化模块设计，实现了系统的小型化，降低了系统的安装空间。
图3为气动容腔结构图。气动容腔7包括容腔主体73、外部上安装孔71、外部下安装孔77、压力监测接口72、进气口74、出气口76以及推力孔75；外部上安装孔71设置于容腔主体73上部；外部下安装孔77设置于容腔主体73下部；压力监测接口72设置于容腔主体73背面上部；进气口74设置于容腔主体73背面中部；出气口76设置于容腔主体73背面下部；推力孔75设置于容腔主体73正面中心，推力孔75用于在给定的容腔压力P下产生指定的标准推力F。推力孔75的孔径d采用下式计算：
Figure BDA0002606464040000051
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于微牛级推力测量系统的气动标定装置，其特征在于，包括充气阀(1)、存储气瓶(2)、补压电磁阀(5)、气动容腔(7)及控制单元(4)；充气阀(1)的出气口端连接至存储气瓶(2)的进气口端，充气阀(1)的进气口端连接至外部气源，存储气瓶(2)的出气口端连接至补压电磁阀(5)的进气口，补压电磁阀(5)的出气口连接至气动容腔(7)的进气口；补压电磁阀(5)与控制单元(4)连接，控制单元(4)控制补压电磁阀(5)的通断，为气动容腔(7)充入气体，并由气动容腔(7)喷出气体产生推力；
气动容腔(7)包括容腔主体(73)、外部上安装孔(71)、外部下安装孔(77)、压力监测接口(72)、进气口(74)、出气口(76)以及推力孔(75)；外部上安装孔(71)设置在容腔主体(73)上部，外部下安装孔(77)设置在容腔主体(73)下部；压力监测接口(72)设置在容腔主体(73)背面上部，用于安装低压压力传感器(6)；进气口(74)设置在容腔主体(73)背面中部，用于与补压电磁阀(5)连接；出气口(76)设置在容腔主体(73)背面下部，用于与卸压电磁阀(8)连接；推力孔(75)设置于容腔主体(73)正面中心，推力孔(75)用于在给定的容腔压力P下产生指定的标准推力F。
2.根据权利要求1所述的一种用于微牛级推力测量系统的气动标定装置，其特征在于，还包括高压压力传感器(3)和低压压力传感器(6)；高压压力传感器(3)连接至存储气瓶(2)的出气口和补压电磁阀(5)的进气口之间；低压压力传感器(6)连接至补压电磁阀(5)的出气口和气动容腔(7)的进气口之间；高压压力传感器(3)和低压压力传感器(6)均与控制单元(4)连接，控制单元(4)通过采集高压压力传感器(3)和低压压力传感器(6)的压力信号，实时控制补压电磁阀(5)的通断，实现气动容腔(7)的压力补充。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于微牛级推力测量系统的气动标定装置，其特征在于，还包括卸压电磁阀(8)和均衡放气孔(9)；卸压电磁阀(8)的进气口与气动容腔(7)的出气口连接，卸压电磁阀(8)的出气口与均衡放气孔(9)的进气口连接，均衡放气孔(9)的出气口端与外界连通；均衡放气孔(9)的底座固定在存储气瓶(2)的出气口端面上；卸压电磁阀(8)与控制单元(4)连接，控制单元(4)通过采集低压压力传感器(6)的压力信号，实时控制卸压电磁阀(8)的通断，实现气动容腔(7)的压力卸放。
4.根据权利要求3所述的一种用于微牛级推力测量系统的气动标定装置，其特征在于，推力孔(75)的孔径d采用下式计算：
Figure FDA0003248311760000021
5.根据权利要求4所述的一种用于微牛级推力测量系统的气动标定装置，其特征在于，还包括第一固定支架(10)；第一固定支架(10)安装在存储气瓶外部下安装孔和气动容腔(7)的外部下安装孔(77)之间，用于连接固定存储气瓶(2)和气动容腔(7)。
6.根据权利要求5所述的一种用于微牛级推力测量系统的气动标定装置，其特征在于，还第二固定支架(11)；第二固定支架(11)安装在存储气瓶外部上安装孔和气动容腔(7)的外部上安装孔(71)之间，用于连接固定存储气瓶(2)和气动容腔(7)；控制单元(4)位于存储气瓶(2)和气动容腔(7)上方，第二固定支架(11)与控制单元(4)底部安装槽连接，用于支撑承控制单元(4)。
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