CN115241993A - 一种基于无线传能的超导磁悬浮微推力测量台架 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线传能的超导磁悬浮微推力测量装置，包含超导磁悬浮推力测量台架，无线传能装置以及相关传感器与位移控制机构。实现对微纳卫星上搭载的小型电推力器长时间无接触式供电，应用于长周期推力测量、整星姿态控制等地面实验。要求无线传能设备输出电压保持长时间稳定；为了保证真空舱内实验的可靠性，要求具备对无线传能线圈位置实时监控并在可在舱外控制调整；为了不引入无线传能线圈工作时偏置力矩的干扰，要求无线传能设备与超导复合轴承、微纳卫星壳体同轴心安装。

Description

一种基于无线传能的超导磁悬浮微推力测量台架

技术领域

本发明涉及空间电推力器微小推力测量、整星姿态控制，具体是一种基于无线传能的超导磁悬浮微推力测量台架。

背景技术

随着微纳卫星的快速发展以及多种空间任务中高精度无拖曳控制的需求，重量轻，体积小，比冲高的空间微推力器得到快速发展，常见的微推力器包括冷气推力器、脉冲等离子体推力器、离子推力器以及霍尔推力器等，上述微推力器能产生μN量级到mN量级的稳态推力。为了提高微推力器在轨可靠性，有必要在地面对推力器的推力大小进行精准评估，开展整星姿态控制实验。作为测量弱力的推力测量台架，必须满足高灵敏度，快速响应，高分辨率等特点。超导磁悬浮推力测量台架结构简单、承载力高，精度高且摩擦损失系数更小，无需特定工质辅助即可实现悬浮，而且采用真空低温环境，能够有效模拟外太空的工作环境，其对于零漂的抑制程度明显优于其他机械式台架，满足长周期推力测量的需求。

如何维持长时间的高精度推力测量是磁悬浮推力台架面临重要问题之一，超导磁悬浮推力测量采用与外界隔离的全悬浮测量方式，具有完全悬浮的无接触特性，因此搭载的电气设备无法直接与外界电源用线路连接，常规使用的供电电源受体积、质量等条件的限制，很难维持几小时甚至一天的能量输出。此外，电推力器的长周期点火工作也要求稳定工作电压，需要电压波动低于0.01V，避免电压波动对电推力器稳定工作带来影响；传统电池随着电量的消耗输出电压缓慢下降，难以满足电推力器长时间、大功率的供电需求，如何以无接触的方式对电推力器实现长时间、大功率稳定电压供电是本发明所需解决的问题。

应用于对日常家电无线传能的设备可以有效解决无接触供电的问题，但在超导磁悬浮推力架上搭载无线传能系统的方案存在一些难题，其一，稳定工作时要求供电线圈与充电线圈之间水平或垂直方向的偏移量限制在小于10mm范围内；其二，工作时线圈之间产生亚μN级的电磁力会对动架带来干扰力矩，影响微推力测量精度；其三，长周期点火测试时推进器工作消耗较多，导致卫星本体质心偏移量较大，改变旋转平面水平度，造成充电线圈与供电线圈之间角度偏差。

基于以上问题本发明设计了一种基于无线传能的超导磁悬浮微推力测量台架。

发明内容

本发明针对微推力器长周期推力测量评估的需求，克服以上难题，设计了一种基于无线传能的超导磁悬浮微推力测量台架。其中无线传能设备输出电压可保持长时间稳定且误差小于0.01V，有效保证微推力器稳定工作；供电线圈输出电压可在0-48V之间任意调节，可满足不同电压下推力器的工作需求；无线传能充电线圈与磁悬浮推力架复合轴承对中安装，既可保证推力架测量时不受线圈间微小电磁力带来的偏置力矩干扰，也可避免测试卫星摆动时造成两线圈间位置偏差太大使无线传能线圈无法正常工作；无线传能充电线圈两端对称安装两个小型激光位移传感器，用于实时监控无线传能线圈之间的工作间距，避免线圈间距超过允许工作范围；无线传能供电线圈与超导复合轴承上部的永磁体集成安装于可在Z轴方向移动的电动滑轨上，满足在真空舱外控制无线传能线圈间距的需求；磁悬浮动架上搭载双轴倾角传感器、调节动架质心的直线电机，传感器用于实时监控卫星整体的水平度，间接监控无线传能线圈之间的平行度，推进器长时间工作工质消耗使卫星质心偏移，若倾斜度超过工作允许范围导致无线供电异常，可在舱外无线控制直线电机调节卫星质心位置，校正线圈间的水平度。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

本发明结构包括包括：无线传能系统、超导磁悬浮微推力测量系统。无线传能系统是系统的核心组件，为微推力器长周期推力测量评估提供长时间稳定供电，包括：供电线圈、接收线圈、环氧树脂板、定位孔、方形支撑件、小型激光位移传感器、无线传能线圈位移控制机构；无线传能线圈位移控制机构包括：步进电机、连接杆、可移动光学面板、滑轨。

超导磁悬浮微推力测量系统包括：推力架、微纳卫星、推力器、推力器电源模块、超导轴承、测量块、双轴倾角传感器、无线调平机构、超导块阵列、超导块样本架、真空舱、制冷机冷头、光学面板。

无线传能充电线圈与接收线圈均固定在正方形环氧树脂板上，树脂板厚度为3mm，用于线圈与其他机构的固定连接；正方形支撑件将接收线圈与超导轴承对中安装固定在一起，两个线圈中心位置均有直径为20mm的圆孔，保证线圈的安装不影响超导磁悬浮复合轴承正常工作，超导轴承通过螺栓与微纳卫星上下表面壳体紧固。两个小型激光位移传感器对称安装在供电线圈两端，其量程为50mm，精度为0.1mm，用于实时监控无线传能线圈之间的工作间距，传感器示数通过数据采集器可在真空舱外实时读取、记录。无线传能线圈位移控制机构固定安装在光学面板上，内部步进电机滑块上固定有M5阵列螺纹孔的光学面板，滑块在滑轨上运动的允许行程为200mm，位移控制精度为0.1mm，满足改变线圈间距的需求。

推力器及其电源模块集成安装在待测试微纳卫星内。磁悬浮动架固定安装在微纳卫星侧面壳体的中心位置，用于搭载推力测试所需传感器。双轴倾角传感器固定安装磁悬浮动架一侧，其在X，Y轴的角度测量精度为0.01°，用于实时测量微纳卫星的水平度偏差，测量数据也反映了无线传能线圈之间的水平度偏差。无线调平机构固定安装磁悬浮动架另一侧，沿动架轴线方向安装，其工作行程为150mm，位移精度为0.1mm，由遥控器可实现在真空舱外无线控制，可搭载200g质量块往复运动，最大可校正推力器100g工质消耗引起的质心偏移。

本发明的优点如下：

(1)一种基于无线传能的超导磁悬浮微推力测量台架，采用无线传能的形式不通过线缆连接即可对推力架上设备供电，避免线缆接触摩擦带来的干扰力矩；无线传能设备输出电压可保持长时间稳定且误差小于0.01V，最大输出功率可达100W，有效保证微推力器稳定工作，可用于长周期μN级推力测量评估。

(2)一种基于无线传能的超导磁悬浮微推力测量台架，无线传能充电线圈与磁悬浮推力架复合轴承对中安装，保证推力架测量时不受线圈间微小电磁力带来的偏置力矩干扰，且在动架偏转时不改变无线传能线圈间的相对位置。

(3)一种基于无线传能的超导磁悬浮微推力测量台架，供电线圈的输出电压可在0-48V之间任意调节，可满足推力器电源模块不同电压下的工作需求，也可满足同一微推力器不同工作电压工况下的推力测量，通过在真空舱外对无线传能设备的开关机即可实现微推力器的点火，关机控制。

(4)一种基于无线传能的超导磁悬浮微推力测量台架，无线传能供电线圈两端搭载用于实时监控线圈间距的小型激光位移传感器，可在真空舱外实现对线圈工作间距的实时监控，避免线圈间距超过正常工作允许范围，影响推力器供电。

(5)一种基于无线传能的超导磁悬浮微推力测量台架，无线传能充电线圈安装在无线传能线圈位移控制机构上，可根据激光位移传感器信号在真空舱外实现对线圈工作间距的实时调整，保障供电的稳定性，提高实验可重复性。

(6)一种基于无线传能的超导磁悬浮微推力测量台架，推力测量台架上搭载实时测量台架水平度的双轴倾角传感器、用于校正卫星旋转平面水平度的无线调平机构，可根据倾角信号控制调平机构补偿动架因推力器工质消耗造成的质心偏移，保证无线传能线圈之间的角度偏差在工作允许范围内，保障供电的稳定性。

本发明的有益效果是：将无线传能技术与超导磁悬浮微推力测量系统相结合，兼备无线传能系统无接触，大功率长时间稳定供电与超导磁悬浮测量系统低零漂，高精度且摩擦损失系数小等优点，具备可在真空舱外对无线传能线圈间距、线圈间平行度实时测量的传感器与相应的调整机构，保障无线传能线圈供电的稳定性、可重复性。可满足多种型号微推力器长周期稳态微推力测量的需求。

附图说明

图1是本发明一种基于无线传能的超导磁悬浮微推力测量台架

1-真空舱，2-无线传能线圈位移控制机构，3-供电线圈，4-小型激光位移传感器，5-永磁体，6-接收线圈，7-支撑件，8-导线，9-双轴倾角传感器，10-推力器，11-无线调平机构，12-推力器电源模块，13-微纳卫星，14-测量块，15-超导复合轴承，16-超导块阵列，17-样本架，18-制冷机冷头，19-光学面板，20-无线控制端

图2是本发明无线传能线圈位移控制机构

201-步进电机，202-连接杆，203-可移动光学面板，204-滑轨

图3是本发明无线传能线圈示意图

301-环氧树脂板，302-无线传能线圈，303-定位孔

具体实施方式

下面将结合附图和实施要领对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种基于无线传能的超导磁悬浮微推力测量台架。利用真空环境下超导体的钉扎特性与永磁偏置轴承的强卸载能力实现稳定无接触悬浮，无接触式供电的无线传能设备在不影响超导磁悬浮动架正常工作时对推力架上电气设备稳定长时间供电，由此本发明设计了一种针对微推力器长时间稳态推力测量的新方法。

超导复合轴承15在微纳卫星13上下壳体中心位置紧固安装，动架8固定在卫星两侧壳体中心位置，完成基础框架搭建。无线传能接收线圈6与超导复合轴承15的对中安装是核心步骤，线圈6通过定位孔303与微纳卫星13通过环氧树脂制成的方形支撑件7固定安装，环氧树脂为非导磁材料，不影响复合轴承磁场分布。供电线圈3两端对称安装两个小型激光位移传感器4，其量程为50mm，精度为0.1mm，用于实时监控无线传能线圈之间的工作间距，参考传感器输出信号，通过无线控制端20实时调整线圈间距。接收线圈6通过导线与微纳卫星13内的推力器电源模块12连接供电。

磁悬浮动架上搭载的双轴倾角传感器9，在X，Y轴的测量精度为0.01°，固定安装在动架8上并通过螺栓紧固在安装表面。调节动架质心的无线调平机构工作行程为150mm，位移精度为0.1mm，由遥控器可实现在真空舱外无线控制，沿推力架臂长轴线方向安装并通过螺栓紧固。

如图2所示，无线传能线圈位移控制机构由201-步进电机，202-连接杆，203-可移动光学面板，204-滑轨组成。

供电线圈3与定架上的永磁体5对中安装通，通过连接杆202连接固定安装在可移动光学面板203上，光学面板有M5阵列螺纹孔，用于固定连接杆，线圈安装完毕后用水平仪测量水平度，并微调至水平。滑块允许行程为200mm，在真空舱外控制可在Z轴上下平移，位移控制精度为0.1mm。

如图3所示，无线传能线圈由301-环氧树脂板，302-无线传能线圈，303-定位孔组成，充电线圈与接收线圈均固定在边长150mm，厚2mm的正方形树脂板上，充电线圈与定架上的永磁体对中安装并固定在定架上，接收线圈通过一个厚度2mm，边长50mm，高50mm的正方形支撑件与推力架复合轴承对中安装，两个线圈中心位置均有直径为20mm的圆孔，保证线圈的安装不影响超导磁悬浮复合轴承正常工作。

工作时操作如下：

开启无线传能设备并进入工作状态，调整接收线圈6电压，使输出电压满足待测微推力器10工作电压，电测完成后关闭直流稳压电源。将所有设备安装在真空舱内的光学面板19上。关闭真空舱1舱门，对真空舱1进行抽真空处理，直到舱内压强低于10-4Pa；制冷机冷头18对超导块样本架17上固定的超导块阵列16进行预冷，冷却1.5小时后超导块温度降到50K以下，达到超导态，微纳卫星13稳定悬浮，到达推力测量实验所需状态。

参考激光位移传感器4信号，在真空舱外1控制无线传能线圈位移控制机构2在Z轴方向上下平移，调整无线传能线圈3、6间距到最佳工作距离，开启无线传能设备，无线传能线圈6开始供电，推力器10进入点火状态，可观察到在微推力作用下微纳卫星13摆动角平衡位置发生偏移。若长时间点火推力器10工质消耗较多，微纳卫星13质心偏移导致双轴倾角传感器9信号异常，无线控制端20控制无线调平机构11上安装的质量块沿动架8轴线方向以1mm步长点动，每移动一步后观察倾角传感器输出信号，直到X、Y轴角度均归零时结束调整，质心偏移补偿完毕，微纳卫星13水平度恢复正常，保证无线传能线圈3、6间水平度。待长周期稳态推力测试结束后，关闭无线传能线圈6，推力器10、推力器电源模块12关机，无线控制端20控制无线传能线圈位移控制机构2抬升100mm，并锁定，避免步进电机在承载时自行下降，关闭真空舱内部的电气开关与传感器的信号联系，随后关闭制冷机，真空泵等机械设备，完成测试。待超导块阵列恢复室温时，真空舱放气，气压恢复大气压时可打开真空舱取出设备。

Claims (6)

1.一种基于无线传能的超导磁悬浮微推力测量台架，其特征在于，将无线传能装置引入到微纳卫星推力测量及姿态控制装置中，实现在无接触摩擦时大功率、长时间供电，可用于长周期微纳卫星地面半实物实验中，所述基于无线传能的超导磁悬浮微推力测量台架包括：无线传能系统、超导磁悬浮微推力测量系统，无线传能线圈位移控制机构；

所述无线传能系统包括：供电线圈、接收线圈、支撑件、定位孔、小型激光位移传感器；

所述超导磁悬浮微推力测量系统包括：真空舱、微纳卫星、推力器、推力器电源模块、动架、无线调平机构、双轴倾角传感器、测量块、超导复合轴承、超导块阵列、超导块样本架、制冷机冷头、光学面板；

所述无线传能线圈位移控制机构包括步进电机、连接杆、可移动光学面板、滑轨。

2.如权利1所述的一种无线传能系统，其特征在于，线传能线圈与卫星及复合轴承支撑连接所用材料均非导磁材料，且无线传能线圈与超导复合轴承通过定位孔与支撑件实现精度为0.01mm的对中安装，不引入偏置力矩干扰，在微纳卫星旋转时不改变无线传能线圈间的相对位置，对微推力器及卫星内其他有效载荷实现长周期稳定供电。

3.如权利1所述的一种无线传能系统，其特征在于，无线传能系统能够维持超长时间且精度为0.01V的稳定可调电压，满足不同工作电压下微推力器稳定工作需求。

4.如权利1所述的一种无线传能系统，其特征在于方便的点火停机控制，通过真空舱外对无线传能设备的开关即可实现控制微纳卫星上微推力器点火、停机，无需在推力测量台架上安装冗余的控制开关。

5.如权利1所述的一种基于无线传能的超导磁悬浮微推力测量台架，其特征在于动架上搭载双轴倾角传感器与无线调平电机，倾角传感器实时测量待测卫星旋转水平度，测量精度为0.01°，无线调平电机可在150mm行程内往复运动以校正待测卫星旋转水平度，最大可补偿100g工质消耗引起的质心偏移，保证无线传能线圈之间的角度偏差在0.05°范围内，保障供电的稳定性。

6.如权利1所述的一种无线传能线圈位移控制机构，其特征在于，供电线圈上安装的激光位移传感器可对无线传能线圈间距进行测量，并无线控制电机改变供电线圈的位置，在真空环境下调整线圈间距到15mm工作范围内，提高推力测量实验的可重复性。

Images