CN112050988B - 推力测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请揭示了一种推力测量装置及方法，该装置包括：支架组件、刀片悬吊组件、下摆盘、位移传感器组件、数据采集系统和砝码标定系统，刀片悬吊组件悬吊于支架组件上，刀片悬吊组件下端为下摆盘；下摆盘上固定安装有待测推力器，位移传感器组件固定安装于支架组件的侧边且与待测推力器相对设置；数据采集系统采集位移传感器组件获取的待测推力器的位移数据；砝码标定系统与下摆盘连接，通过外挂的砝码带动下摆盘摆动，位移传感器组件获取下摆盘摆动时刀片悬吊组件摆动的位移数据，计算刀片吊臂组件摆动时单位角位移所对应的推力值。本申请通过刀片悬吊组件带动下摆盘上的待测推力器摆动，提高了推力测量台架的动态响应速度。

Description

推力测量装置及方法

技术领域

本发明属于空间电推进装置推力测量技术领域，涉及一种基于刀片架结构的推力测量装置及方法。

背景技术

空间电推进装置作为一种全新的空间飞行器动力系统，正在逐渐取代常规化学推进形式成为未来空间飞行器动力系统的主流，对其开展地面真空环境下的推力测量是掌握空间电推进装置性能的关键手段。

目前推力测量基本都是基于力的动力效果，将推力转换成测量台架的振动幅值或转动位移。在对推力器进行测量的直接测量法中，推力器固连在测量台架的执行部件上，推力直接转换为测量台架的振动幅值或转动位移，典型装置有扭摆结构、单摆结构、天平结构。直接测量法测量的精度较高，但由于台架上固连推力器，质量会增加，导致台架上执行部件固有频率较小，因而响应速度较慢，难以完成推力器设计者十分关注的动态推力的测量。

发明内容

为了解决相关技术中利用直接测量法对推力器的推力进行测量时，因由于台架上固连推力器，台架质量会增加，导致台架上执行部件固有频率较小，因而响应速度较慢，难以完成推力器设计者十分关注的动态推力的测量的问题，本申请提供了一种基于刀片架结构的推力测量装置及方法。技术方案如下：

第一方面，本申请提供的一种基于刀片架结构的推力直接测量装置，包括：支架组件、刀片悬吊组件、下摆盘、位移传感器组件、数据采集系统和砝码标定系统，其中：

所述刀片悬吊组件悬吊于所述支架组件上，所述刀片悬吊组件下端悬吊起所述下摆盘，所述刀片悬吊组件带动所述下摆盘相对于所述支架组件摆动；

所述下摆盘上固定安装有待测推力器，所述位移传感器组件固定安装于所述支架组件的侧边且与所述待测推力器相对设置；

所述数据采集系统采集所述位移传感器组件获取的所述待测推力器的位移数据；

所述砝码标定系统与所述下摆盘连接，通过外挂的砝码带动所述下摆盘摆动，所述位移传感器组件获取所述下摆盘摆动时所述刀片悬吊组件摆动的位移数据，计算所述刀片吊臂组件摆动时单位角位移所对应的推力值。

可选的，所述支架组件包括支架、上吊板和底座，所述支架安装在所述底座上，所述上吊板平铺固定在所述支架的顶端，所述上吊板开设有开口朝上的V字形凹槽。

可选的，所述刀片悬吊组件包括刀片和两个间隔设置的刀片吊臂，所述刀片为单刃刀片，所述刀片的刀刃朝下安装于所述上吊板的V字形凹槽内，两个所述刀片吊臂的上端间隔悬挂固定于所述刀片的刀背上，两个所述刀片吊臂的下端固定悬吊起所述下摆盘；

所述待测推力器工作产生推力时，所述下摆盘将沿着以所述刀片为轴线、以所述刀片吊臂为半径的圆弧切线方向运动。

可选的，所述砝码标定系统包括高纤细丝线和安装座，所述高纤细丝线的一端固定安装于所述下摆盘上，另一端固定在具有预定质量的砝码托盘上，下摆盘静止状态下，所述高纤细丝线与所述待测推力器的轴向方向平行；

所述砝码托盘上放置砝码后，所述高纤细丝线拉动所述下摆盘摆动。

可选的，所述位移传感器包括反光镜和激光位移传感器，所述反光镜安装于所述下摆盘上，所述激光位移传感器固定安装于所述下摆盘的侧边且与所述下摆盘相距预定间隔，所述激光位置传感器和所述反光镜配合，使得所述下摆盘的微小角度变化转换为光斑位移。

可选的，所述位移传感器还包括预定规格的透镜，所述透镜用于稀释所述激光位移传感器发射的激光强度。

可选的，所述推力测量装置还包括接口滑环，所述接口滑环安装于所述下摆盘上，用于提供所述待测推力器所需的供气、供电和供水接口，所述接口滑环中的管路和电路沿所述支架组件延伸以与外部连接。

第二方面，本申请还提供了一种推力测量方法，采用如第一方面以及第一方面各种可选方式中提供的推力测量装置，所述推力测量方法包括：

对所述砝码标定系统施加预定砝码，触发所述砝码标定系统带动所述下摆盘摆动；

利用所述位移传感器组件获取所述下摆盘摆动的位移数据；

利用所述数据采集系统采集所述位移传感器组件获取的所述位移数据，根据所述位移数据计算所述刀片吊臂组件摆动时单位角位移所对应的推力值。

通过上述技术特征，本申请提供的技术方案至少可以实现如下有益效果：

通过刀片悬吊组件带动下摆盘上的待测推力器摆动，提高了推力测量台架的动态响应速度，适用的推力器范围更广，既可以用于重量体积较小的微电推进器的推力测量，也适用于重量体积都较大的大功率电推进器的推力测量。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是本申请一个实施例中提供的推力测量装置的正面示意图；

图2是本申请一个实施例中提供的推力测量装置的侧面示意图；

图3是本申请一个实施例中提供的推力测量方法的方法流程图。

其中，附图标记如下：

10、支架组件；11、支架；12、上吊板、13、底座；20、刀片悬吊组件；21刀片；22、刀片吊臂；30、下摆盘；40、位移传感器组件；41、反光镜；42、激光位移传感器；50、砝码标定系统；51、高纤细丝线；60、接口滑环；70、待测推力器。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

图1是本申请一个实施例中提供的推力测量装置的正面示意图，图2是本申请一个实施例中提供的推力测量装置的侧面示意图，结合图1和图2，本申请提供的推力测量装置可以包括支架组件10、刀片悬吊组件20、下摆盘30、位移传感器组件40、数据采集系统和砝码标定系统50。

刀片悬吊组件20悬吊于支架组件10上，刀片悬吊组件20下端悬吊起下摆盘30，刀片悬吊组件20带动下摆盘30相对于支架组件10摆动。

下摆盘30上固定安装有待测推力器70，位移传感器组件40固定安装于支架组件10的侧边且与待测推力器70相对设置。

数据采集系统采集位移传感器组件40获取的待测推力器70的位移数据。

砝码标定系统50与下摆盘30连接，通过外挂的砝码带动下摆盘30摆动，位移传感器组件40获取下摆盘30摆动时刀片悬吊组件20摆动的位移数据，计算刀片吊臂22组件摆动时单位角位移所对应的推力值。

这里外挂的砝码的选择应尽量使其重力贴近推力器产生推力的大小，能有效减小误差。

在一种可能的实现方式中，支架组件10可以包括支架11、上吊板12和底座13，支架安装在底座13上，上吊板12平铺固定在支架11的顶端，上吊板12开设有开口朝上的V字形凹槽。

这里的支架11起到支撑整个测量装置的作用。

可选的，刀片悬吊组件20可以包括刀片21和两个间隔设置的刀片吊臂22，刀片21为单刃刀片，刀片21的刀刃朝下安装于上吊板12的V字形凹槽内，两个刀片吊臂22的上端间隔悬挂固定于刀片21的刀背上，两个刀片吊臂22的下端固定悬吊起下摆盘30。可选的，下摆盘30可以通过焊接的方式固定于刀片吊臂22上。

进一步的，V字形凹槽沿着上吊板12的中心线开设，两个刀片吊臂22为长度、质量、形状均相同的刚性吊臂，在摆动过程中不会产生形变。

待测推力器70工作产生推力时，下摆盘30将沿着以刀片21为轴线、以刀片吊臂22为半径的圆弧切线方向运动。

上吊板12V字形凹槽与单刃长刀片相配合，可以最小程度的减少部件之间的借出面积，从而减小刀片吊臂22在工作过程中所受到的阻尼，有效提高推力测量装置对推力器产生推力的响应速度。

上述底座13选用质量较重的材质，以保证待测推力器70在安装前后均可以使整个推力测量装置的重心处于底座13上，以防止支架11在工作过程中整体侧翻。

考虑到本申请所提出的推力测量装置能够测量较大质量的推力器，底座13与支架11可以同时采用中棱结构，使得支架组件10可以承受很大压力而不会弯曲。

可选的，砝码标定系统50包括高纤细丝线51和砝码托盘，高纤细丝线51的一端固定安装于下摆盘30上，另一端固定在具有预定质量的砝码托盘上，下摆盘静止状态下，高纤细丝线51与待测推力器70的轴向方向平行。

在实际应用中，砝码托盘上放置砝码后，砝码的重力可以转化为高纤细丝线51的拉力，替代推力器产生的推力，以拉动下摆盘30发生摆动，通过激光位移传感器42记录下此时刀片吊臂22摆动的位移，由此可以计算出刀片吊臂22单位角位移所对应的推力值。

试验时记录每次光标位移，从而得出待测推力器70的推力大小。实际试验时，砝码的选择应尽量使其重力贴近推力器产生推力的大小，能有效减小误差。

在一种可能的实现方式中，位移传感器包括反光镜41和激光位移传感器42，反光镜41安装于下摆盘30上，激光位移传感器42固定安装于下摆盘30的侧边且与下摆盘30相距预定间隔，激光位置传感器和反光镜41配合，使得下摆盘30的微小角度变化转换为十分明显的光斑位移。

当激光过强影响测量时，位移传感器还可以包括预定规格的透镜，透镜用于稀释激光位移传感器42发射的激光强度。

在一种可能的实现方式中，推力测量装置还可以包括接口滑环60，接口滑环60安装于下摆盘30上，用于提供待测推力器70所需的供气、供电和供水接口，接口滑环60中的管路和电路沿支架组件10延伸以与外部连接。

推力器只需与接口滑环60进行相应的电路和管路的连接即可，这样可以保证推力器在工作过程中刀片吊臂22和下摆盘30的运动不受外部连接管线的影响。

综上所述，本申请提供的推力测量装置，通过刀片悬吊组件带动下摆盘上的待测推力器摆动，提高了推力测量台架的动态响应速度，适用的推力器范围更广，既可以用于重量体积较小的微电推进器的推力测量，也适用于重量体积都较大的大功率电推进器的推力测量。

本申请提供的推力测量装置全面满足从微电推进器(200g)到大功率等离子体电推进器(150kg)的各类电推进器的推力测量需求，较之现有推力测量方法适用推力器范围更宽；取消了推力测量装置上的平衡配重部件，直接通过传感器对刀片架的摆幅进行测量，与常规推力测量方法相比，本发明提出的测量方法更为简单直观；同时本发明提出的推力测量方法采用刀片架结构，可以承载质量较大的电推进系统，且为直接推力测量方式，故对大质量电推进器的推力测量准确性较现有方法得到了提高。

另外，本申请还提供了一种推力测量方法，采用推力测量装置，推力测量装置可以参见对图1和图2的描述，这里就不再赘述。推力测量方法可以通过软件、硬件或软硬件结合的方式实现。如图3所示，其是本申请一个实施例中提供的推力测量方法的方法流程图，该推力测量方法包括如下步骤：

步骤301，对砝码标定系统施加预定砝码，触发砝码标定系统带动下摆盘摆动；

步骤302，利用位移传感器组件获取下摆盘摆动的位移数据；

步骤303，利用数据采集系统采集位移传感器组件获取的位移数据，根据位移数据计算刀片吊臂组件摆动时单位角位移所对应的推力值。

综上所述，本申请提供的推力测量方法，通过刀片悬吊组件带动下摆盘上的待测推力器摆动，提高了推力测量台架的动态响应速度，适用的推力器范围更广，既可以用于重量体积较小的微电推进器的推力测量，也适用于重量体积都较大的大功率电推进器的推力测量。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未发明的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (6)

1.一种推力测量装置，其特征在于，所述推力测量装置包括支架组件、刀片悬吊组件、下摆盘、位移传感器组件、数据采集系统和砝码标定系统，其中：

所述刀片悬吊组件悬吊于所述支架组件上，所述刀片悬吊组件下端悬吊起所述下摆盘，所述刀片悬吊组件带动所述下摆盘相对于所述支架组件摆动；

所述下摆盘上固定安装有待测推力器，所述位移传感器组件固定安装于所述支架组件的侧边且与所述待测推力器相对设置；

所述数据采集系统采集所述位移传感器组件获取的所述待测推力器的位移数据；

所述砝码标定系统与所述下摆盘连接，通过外挂的砝码带动所述下摆盘摆动，所述位移传感器组件获取所述下摆盘摆动时所述刀片悬吊组件摆动的位移数据，计算所述刀片悬吊 组件摆动时单位角位移所对应的推力值；

所述支架组件包括支架、上吊板和底座，所述支架安装在所述底座上，所述上吊板平铺固定在所述支架的顶端，所述上吊板开设有开口朝上的V字形凹槽；其中，所述底座具有防止支架在工作过程中整体侧翻的预定重量，并且所述支架和所述底座为中棱结构；

所述砝码标定系统包括高纤细丝线和安装座，所述高纤细丝线的一端固定安装于所述下摆盘上，另一端固定在具有预定质量的砝码托盘上，所述下摆盘静止状态下，所述高纤细丝线与所述待测推力器的轴向方向平行；

所述砝码托盘上放置砝码后，所述高纤细丝线拉动所述下摆盘摆动。

2.根据权利要求1所述的推力测量装置，其特征在于，所述刀片悬吊组件包括刀片和两个间隔设置的刀片吊臂，所述刀片为单刃刀片，所述刀片的刀刃朝下安装于所述上吊板的V字形凹槽内，两个所述刀片吊臂的上端间隔悬挂固定于所述刀片的刀背上，两个所述刀片吊臂的下端固定悬吊起所述下摆盘；

所述待测推力器工作产生推力时，所述下摆盘将沿着以所述刀片为轴线、以所述刀片吊臂为半径的圆弧切线方向运动。

3.根据权利要求1所述的推力测量装置，其特征在于，所述位移传感器包括反光镜和激光位移传感器，所述反光镜安装于所述下摆盘上，所述激光位移传感器固定安装于所述下摆盘的侧边且与所述下摆盘相距预定间隔，所述激光位置传感器和所述反光镜配合，使得所述下摆盘的微小角度变化转换为光斑位移。

4.根据权利要求3所述的推力测量装置，其特征在于，所述位移传感器还包括预定规格的透镜，所述透镜用于稀释所述激光位移传感器发射的激光强度。

5.根据权利要求1所述的推力测量装置，其特征在于，所述推力测量装置还包括接口滑环，所述接口滑环安装于所述下摆盘上，用于提供所述待测推力器所需的供气、供电和供水接口，所述接口滑环中的管路和电路沿所述支架组件延伸以与外部连接。

6.一种推力测量方法，其特征在于，采用如权利要求1-5中任一所述的推力测量装置，所述推力测量方法包括：

对所述砝码标定系统施加预定砝码，触发所述砝码标定系统带动所述下摆盘摆动；

利用所述位移传感器组件获取所述下摆盘摆动的位移数据；

利用所述数据采集系统采集所述位移传感器组件获取的所述位移数据，根据所述位移数据计算所述刀片吊臂组件摆动时单位角位移所对应的推力值。

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