CN114235251B - 真空下等离子推进器推力测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种真空下等离子推进器推力测量装置，包括支承框架(1)、摆动盘(2)、固定盘(3)、悬丝(4)、托板(5)、推力器(6)、配重(7)以及光学测量组件(8)，所述摆动盘(2)设置在所述托板(5)上，所述固定盘(3)固定在所述支承框架(1)上，所述悬丝(4)两端分别连接所述摆动盘(2)和所述固定盘(3)，且沿圆周方向间隔排列，所述摆动盘(2)和所述固定盘(3)上分别设有环形的悬丝安装部(9)，所述悬丝安装部(9)同心且间隔地设置两个以上。本发明可解决抗干扰、高精度、宽量程的微推力测量问题，且本装置结构简单、可靠。

Description

真空下等离子推进器推力测量装置

技术领域

本发明涉及一种真空下等离子推进器推力测量装置。

背景技术

随着航天技术的不断发展，对用于深空探测航天器以及微小卫星的姿态控制、轨道控制等方面的微推进系统的需求越来越明显，其中电推进已经进入了全面应用阶段，特别是霍尔电推进、离子电推进两种电推进，已经广泛应用于航天器上成为多个GEO卫星平台的标准配置。以“鸿雁星座”和“虹云工程”为代表的商业航天，均采用电推进作为卫星动力系统；军民两用的“国网”星座计划，由覆盖全球的3000余颗低轨卫星组成星座，全部采用电推进技术。

推力是电推进器主要性能参数之一，微推力的准确测量对评价电推进器的性能非常重要，推力测量直接影响比冲的测量精度，推力测量的精度直接决定了推力器在轨任务的完成。由于电推进器产生的推力非常小且范围很宽，影响推力测量的因素又比较多，因此，对电推进器微小推力进行宽范围高精度的测量非常重要。诸多在轨推力标定试验也都表明，在地面进行准确的电推进器微推力测量是十分必要的，而由于电推进器产生的推力非常小且范围很宽，影响推力测量的因素又比较多，因此，电推进器微小推力测量一直是现有技术中的难题。

微推力测量的实质是通过测量在微推力作用下推力台架的响应，从而间接的测量推力。微推力测量的关键是对力本身或力的作用效果进行有效放大，从而保证测量装置有较高的灵敏度，同时选用高精度测量元件对力的作用效果进行测量。由于摩擦力会影响测量精度，设计推力测量装置时，各个部件之间要尽量选择无摩擦的连接形式；另外要尽可能减小介质供应管路和测控电线所带来的附加力。

但是，电推进推力测量量值小、跨量程宽、所处环境受电推进系统自身产生的电、磁、热等因素的干扰，准确测量电推进推力具有较大的技术难度。现有技术中的推力测量面临着诸多问题，比如零点漂移、温度漂移、空气流动引起的实验装置振动等都会对测量产生影响，除此之外，地面震动、热噪声干扰以及电磁环境干扰等环境因素对微小推力测量结果的精确度带来的影响也是不可忽略的。在现有的推力测量实验中，还存在测量系统和微推进器本身也会对测量系统带来附加误差的问题，包括微推进器自重、推进器的推进剂供应管路和供应电路的放置、位移角度测量等。针对上述问题，传统的微推力测量方法主要分为天平型推力架和扭摆型推力架，通过使用降噪、拟合、补偿等数值分析方法提实验结果精度，但是仍然无法解决宽范围、高精度等问题，精度方面仍有待提高。

在现有的三丝扭摆推力测量装置中，例如，“微波推力器独立系统的三丝扭摆推力测量”，杨涓等，《推进技术》，第37卷第2期，第362-371页，其中提出了一种三丝扭摆推力测量系统，具体对三丝扭摆推力测量装置安装进行了详细的论述。但是，该文献所公开的推力测量装置并未提到宽范围高精度的测量能力，而且也没有对干扰因素做防护措施。

发明内容

本发明的目的在于提供一种真空下等离子推进器推力测量装置。

为实现上述发明目的，本发明提供一种真空下等离子推进器推力测量装置，包括支承框架、摆动盘、固定盘、悬丝、托板、推力器、配重以及光学测量组件，所述摆动盘设置在所述托板上，所述固定盘固定在所述支承框架上，所述悬丝两端分别连接所述摆动盘和所述固定盘，且沿圆周方向间隔排列，所述摆动盘和所述固定盘上分别设有环形的悬丝安装部，所述悬丝安装部同心且间隔地设置两个以上。

根据本发明的一个方面，所述悬丝安装部上设有沿圆周方向间隔排列的安装孔，相邻所述悬丝安装部上的所述安装孔交错布置。

根据本发明的一个方面，所述推力器和所述配重均固定在所述托板上，使工作状态下的所述托板处于随遇平衡；

所述摆动盘与所述托板之间设有阻尼器。

根据本发明的一个方面，还包括标定机构，所述标定机构包括滑轮组件和砝码，所述滑轮组件分别与所述砝码和远离所述推力器的所述配重连接。

根据本发明的一个方面，所述光学测量组件包括激光器、位移传感器和反射镜；

所述反射镜固定在所述托板上，所述激光器可向所述反射镜发射激光，所述反射镜可将激光反射至所述位移传感器上。

根据本发明的一个方面，所述位移传感器为光斑位置传感器或自准直仪。

根据本发明的一个方面，还包括隔热机构，所述隔热机构由隔热板组成，所述隔热板固定在所述托板上，由多层不锈钢板组成；

所述隔热板分别围绕所述悬丝、所述推力器和所述配重设置。

根据本发明的一个方面，还包括采集单元和上位机，所述采集单元可接收所述光学测量组件的测量数据，并将所述测量数据传输至所述上位机中，计算得到推力测量结果。

根据本发明的一个方面，所述采集单元为光电转换器。

根据本发明的一个方面，所述上位机计算推力的公式为：

式中，G为所述托板及其上负载的总重；r为所述悬丝所围的半径；H为所述悬丝高度；L为推力F对应的力臂；θ为偏转角，在5°以内。

根据本发明的构思，针对电推进器产生的推力小且范围宽这一情况，在摆动盘和固定盘上设置多个相间排列的悬丝安装部(也可称直径面)，使得悬丝的安装具有了多个档位，形成宽范围的测量模式。三根丝围成的直径越小，相同推力下摆动盘的偏转角度越大、灵敏度越高，适合小推力的测量；三根丝围成的直径越大，相同推力下摆动盘的偏转角度越小、灵敏度越低，适合大推力的测量。如此，可以通过切换档位来满足不同推力测量需求的电推进器，使得本装置可测范围小至0.5毫牛，大至几百毫牛的推力，从而实现宽范围的测量模式，解决目前只能测量小范围推力问题。并且，此构思不会增加设备的复杂性，操作使用也很便捷，再结合配重调节能大幅度提高推力装置的测量范围和精度，实现高精度、高分辨率和高线性的同时测量。另外，悬丝(即悬吊的扭丝)的使用也可解决推力器自身产生的磁干扰。

根据本发明的一个方案，设置由隔热板组成的隔热机构，隔热板由多层(两层到三层)不锈钢板组成，使得本装置具备了多层隔热防护设计，以达到辐射热隔绝的效果。再配合上述扭丝的使用，共同解决电推进器自身产生的电、磁、热等产生的干扰。具体的，多层隔热防护设计主要解决热干扰，其防护对象主要是悬丝、激光器、反射镜和位移传感器。

根据本发明的一个方案，通过控制变量法，在其他影响因素一定时，通过实时调节扭摆盘总重，使扭摆角始终保持在5°以内。相对于传统的控制在10°以内的方案而言，可以极大地提高测量精度。

附图说明

图1示意性表示本发明的一种实施方式的真空下等离子推进器推力测量装置的结构图；

图2示意性表示本发明的一种实施方式的真空下等离子推进器推力测量装置中的摆动盘与固定盘上的多档位设计示意图；

图3示意性表示本发明的一种实施方式的真空下等离子推进器推力测量装置中的隔热机构的设置示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，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。

在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其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，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。

参见图1，本发明的真空下等离子推进器推力测量装置基于三丝扭摆和光杠杆放大原理实现，具体包括支承框架1、摆动盘2、固定盘3、悬丝4、托板5、推力器6、配重7以及光学测量组件8。其中，摆动盘2设置在托板5上，固定盘3固定在支承框架1上，悬丝4两端分别连接摆动盘2和固定盘3形成吊挂，且沿圆周方向间隔排列。另外，本发明所用的推力器6为电推进器。摆动盘2和固定盘3上分别设有圆环形的悬丝安装部9，根据本发明的构思，悬丝安装部9同心且间隔地设置两个以上。这样，这些悬丝安装部9就构成了多个悬丝4的安装档位。具体到本实施方式中，悬丝安装部9从内向外设置三个，则具备了内、中、外三个直径不同的档位，即三个直径面。由此，使得摆动盘2和固定盘3构成了一套档位调节器，悬丝4的安装位置不同则进而会使得所有悬丝4围成的圆环直径不同。具体的，三根悬丝4围成的直径越小，则相同推力下摆动盘的偏转角度越大(一般在10°以内否则非线性效应会增强)、灵敏度越高，适合小推力的测量；三根悬丝4围成的直径越大，则相同推力下摆动盘的偏转角度越小、灵敏度越低，适合大推力的测量。这样的设计可使本装置可测范围较大，最小可至0.5毫牛，最大可至几百毫牛，从而可以通过在这三个档位之间切换来满足不同推力测量需求的电推进器，解决目前只能测量小范围推力的问题。并且，这种多档位的调控设计并未增加设备的复杂性，操作使用也很便捷，大幅度提高推力装置的测量范围和精度。

如图1所示，本发明的推力器6和配重7均固定在托板5上，使推力器6工作时托板5整体可处于随遇平衡状态。此外，摆动盘2与托板5之间还设有阻尼器，这样使摆动盘2偏转后快速稳定下来，以进一步保证托板5整体随遇平衡的实现。这样，托板5及其上负载的布置形式可以消除管路、连接线缆等对推力测量的影响。实际上，配重7的设置目的之一是为了实现托板5的随遇平衡，其二是为了能够实时调节托板5及其上负载的总重，以间接调节偏转角。因此，配重7不仅可以如图1示出的形式设置在远离推力器6一侧，在推力器6所选型号重量较轻的情况下，还可以设置在推力器6所在一侧，以保证平衡的前提下调节托板5及其上负载的总重。

如图1所示，本发明的光学测量组件8包括激光器81、位移传感器82和反射镜83，反射镜83固定在托板5上，激光器81可向反射镜83发射激光，反射镜83可将激光反射至位移传感器82上，从而获得偏转角。由此，光学测量组件8的作用在于对三丝扭盘(即摆动盘2)的偏转角进行放大。其中，位移传感器82为光斑位置传感器或自准直仪，从而实现高精度的测量。当然，本发明的还包括采集单元12和上位机13，采集单元12可接收光学测量组件8的测量数据，并将测量数据传输至上位机13中，计算得到推力测量结果。由于位移传感器82测量的是光学信号，因此本发明的采集单元12为光电转换器，从而进行信号转换后传递给上位机13进行处理。上位机13计算推力F的公式为：

式中，G为托板5及其上负载的总重；r为悬丝4所围的半径；H为悬丝4高度(或称长度)；L为推力F对应的力臂；θ为偏转角(或称扭转角)。可见，在推力测量过程中，推力值受总重、扭摆盘半径、扭丝高度、力臂长度以及扭转角等因素影响。因此，在设计三丝扭摆推力测量装置时，可以通过确定H、L、r三个影响量，确保F∝Gsinθ。据此也可知，偏转角θ越小则上述相关性就越好，测量精度也就越高。因此，本发明通过控制变量法，对其他影响因素进行控制，在其他影响因素一定时，对扭摆台(即托板5及其上的负载)的总重进行实时调节，使得偏转角θ始终保持在5°以内，相对于控制在10°以内确保线性效应的方案中，本发明在保持良好的线性效应的前提下，还可以极大地提高测量精度，以达到高精度的测量目的。由于此偏转角θ为托板5以及其上设置的所有机构的转角，因此托板5及其负载的总重G是控制偏转角θ的核心要素，可按照上述布置配重7的方式来调节总重G。

如图1所示，本发明的真空下等离子推进器推力测量装置还包括标定机构10，标定机构10包括滑轮组件101和砝码102，滑轮组件101中的轮绳两端分别连接砝码102和配重7。当然，滑轮组件101连接的配重7为远离推力器6一侧设置的配重7。由此可见，本发明的滑轮组件101并非特指由多个滑轮及轮绳组成的滑轮组，其可以是如本实施方式示出的，仅具有一个滑轮和一根轮绳，目的就在于将砝码102依靠重力所做的竖直移动转换为托板5整体的水平运动(偏转)。这样，通过调整砝码102则可以控制施加于托板5上的力，进而在实际测量前对装置进行标定，从而可以演算出上述推力与转角的线性关系的数学模型(公式)。

参见图2，本发明的悬丝安装部9上设有沿圆周方向间隔排列的安装孔91(通孔)。如此，悬丝4即可穿过这些安装孔91并在端部通过螺钉等固定件实现固定。这种方式也使得在切换档位时操作使用较为便捷，从而实现大幅度提高推力装置的测量范围的作用。由此可见，本发明中的悬丝安装部9可以理解为摆动盘2和固定盘3上用于安装悬丝4的圆环形部位或区域，这一部位上可设计一些用于安装悬丝4的结构(安装孔91)，以适应于沿圆周排列的悬丝4的安装需求。当然，本发明直接在摆动盘2和固定盘3上打孔安装悬丝4的方式目的在于提供多档位调控的同时，不会增加设备的复杂性。因此，在其他实施方式中，还可根据安装需求在悬丝安装部9上设置其他结构以安装悬丝4。另外，考虑摆动盘2和固定盘3可能本身直径较小，因此相邻悬丝安装部9中的安装孔91应交错布置，从而使得在有限的空间下，尽可能多地设置供切换的档位。

参见图3，本发明的真空下等离子推进器推力测量装置还包括隔热机构11，隔热机构11由隔热板111组成，隔热板111则由多层不锈钢板(或称隔热屏)组成，具体可设置两层到三层不锈钢板。由图3可知，本实施方式的隔热板111固定在托板5上，但设置位置有所不同。具体来说，这些隔热板111整体可大致分为三部分，各部分分别围绕悬丝4、推力器6和配重7设置。在本实施方式中，围绕悬丝4的隔热板111实际是围绕支承框架1设置，但其主要保护对象为悬丝4，其可以避免悬丝4受热变形。当然，对推力器6进行围绕也可间接地实现对光学测量组件8等其余部件的防护。本发明上述所称的围绕并非指一定为严密布置，因为隔热机构11的作用就在于在能够实现测量功能的前提下，使测量装置不受热的干扰，所以隔热板11在设置时还应避免对各部件或线缆等造成不必要的干涉。在其他实施方式中，也可以根据装置具体的防热需求对隔热板111的设置位置和形式进行适应性调整。如此，隔热机构11的设置可以达到辐射热隔绝的效果，再配合上述悬丝4(即扭丝)的使用，可以共同解决电推进器自身产生的电、磁、热等产生的干扰。

综上所述，本发明的宽范围高精度三丝扭摆微推力测量装置，对摆动盘和固定盘进行了改进，从而形成宽范围高精度多档位调控机构，增加了测量范围，可对电推进器的推力进行全范围测量，还保证了较高的测量精度，并且多档位的调控设计并未增加设备的复杂性，操作使用更加便捷，大幅度提高推力装置的测量范围，解决了高精度、宽量程的推力测量问题，多层隔热防护设计则可提高抗干扰性，从而使得本装置具有了抗干扰、高精度、宽量程的推力测量特点，且装置结构简单、可靠。可见，本发明可实施用于电推进器推力的大范围测量，可服务于民用和商业航天飞行任务，成为一种军民两用的关键设备。而且使得操作更加便捷，解决了航天电推进器的宽范围(量程)、高精度、抗干扰等微推力测量难题。

以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种真空下等离子推进器推力测量装置，包括支承框架(1)、摆动盘(2)、固定盘(3)、悬丝(4)、托板(5)、推力器(6)、配重(7)以及光学测量组件(8)，所述摆动盘(2)设置在所述托板(5)上，所述固定盘(3)固定在所述支承框架(1)上，所述悬丝(4)两端分别连接所述摆动盘(2)和所述固定盘(3)，且沿圆周方向间隔排列，所述摆动盘(2)和所述固定盘(3)上分别设有环形的悬丝安装部(9)，其特征在于，所述悬丝安装部(9)同心且间隔地设置两个以上；所述悬丝(4)安装在不同所述悬丝安装部(9)上时所围成的直径不同；

所述推力器(6)固定在所述托板(5)上。

2.根据权利要求1所述的真空下等离子推进器推力测量装置，其特征在于，所述悬丝安装部(9)上设有沿圆周方向间隔排列的安装孔(91)，相邻所述悬丝安装部(9)上的所述安装孔(91)交错布置。

3.根据权利要求1所述的真空下等离子推进器推力测量装置，其特征在于，所述配重(7)固定在所述托板(5)上，使工作状态下的所述托板(5)处于随遇平衡；

所述摆动盘(2)与所述托板(5)之间设有阻尼器。

4.根据权利要求3所述的真空下等离子推进器推力测量装置，其特征在于，还包括标定机构(10)，所述标定机构(10)包括滑轮组件(101)和砝码(102)，所述滑轮组件(101)分别与所述砝码(102)和远离所述推力器(6)的所述配重(7)连接。

5.根据权利要求1所述的真空下等离子推进器推力测量装置，其特征在于，所述光学测量组件(8)包括激光器(81)、位移传感器(82)和反射镜(83)；

所述反射镜(83)固定在所述托板(5)上，所述激光器(81)可向所述反射镜(83)发射激光，所述反射镜(83)可将激光反射至所述位移传感器(82)上。

6.根据权利要求5所述的真空下等离子推进器推力测量装置，其特征在于，所述位移传感器(82)为光斑位置传感器或自准直仪。

7.根据权利要求1所述的真空下等离子推进器推力测量装置，其特征在于，还包括隔热机构(11)，所述隔热机构(11)由隔热板(111)组成，所述隔热板(111)固定在所述托板(5)上，由多层不锈钢板组成；

所述隔热板(111)分别围绕所述悬丝(4)、所述推力器(6)和所述配重(7)设置。

8.根据权利要求1所述的真空下等离子推进器推力测量装置，其特征在于，还包括采集单元(12)和上位机(13)，所述采集单元(12)可接收所述光学测量组件(8)的测量数据，并将所述测量数据传输至所述上位机(13)中，计算得到推力测量结果。

9.根据权利要求8所述的真空下等离子推进器推力测量装置，其特征在于，所述采集单元(12)为光电转换器。

10.根据权利要求8所述的真空下等离子推进器推力测量装置，其特征在于，所述上位机(13)计算推力的公式为：

式中，G为所述托板(5)及其上负载的总重；r为所述悬丝(4)所围

的半径；H为所述悬丝(4)高度；L为推力F对应的力臂；θ为偏转角，

在5°以内。