JP4525356B2 - 推力測定装置及び、推力測定方法 - Google Patents

Description

この発明は、宇宙用小型推進器の推力を測定する装置に関するものである。

従来の推力測定装置では、振り子の振れ幅を計測することで推力を測定していた。また、質量既知の錘を滑車により吊下げることで、推力較正を行う方式であった。（例えば非特許文献１参照）

Akihiro Sasoh 著 「A high-resolution thrust stand for ground tests of low-thrust space propulsion devices」 Rev. Sci. Instrum. 64(3)1993年3月 p719-723

従来のような振り子の振れ幅を計測する方式では、推進器を作動させるためのガス供給配管と電力供給配線の抵抗や、振り子支点部分に発生する摩擦によって、振り子の振れ幅が変化し、推力測定精度を悪化させるという欠点があった。また、錘の重さと個数によって推力較正の分解能が制限されるという欠点もあった。

この発明は、ガス供給配管や電力供給配線による抵抗や支点部分の摩擦の影響を無視することができ、広い推力範囲で分解能の良い推力較正が可能な推力測定装置を得ることを目的としている。

本発明に係わる推力測定装置は、支点をもち、一端に推進器を備えるアームと、前記アームの他端に設けられ、前記アームの一端に印加される荷重を測定する第１のロードセルと、前記アームの一端に荷重を印可し、前記推進器の推力を模擬するリニアモータと、前記リニアモータが印加している荷重を測定する第２のロードセルと、を備えるものである。

本発明に係わる推力測定方法は、支点をもち、一端に推進器を備えるアームと、前記アームの他端に設けられ、前記アームの一端に印加される荷重を測定する第１のロードセルと、前記アームの一端に荷重を印可し、前記推進器の推力を模擬するリニアモータと、前記リニアモータが印加している荷重を測定する第２のロードセルと、を備え、以下のステップ（ａ）〜（ｃ）の順序で前記推進器の推力を測定するものである。
（ａ）前記リニアモータで荷重を印加し、印加荷重を第１及び第２のロードセルで測定するステップ
（ｂ）前記推進器の推力を荷重として第１のロードセルで測定するステップ
（ｃ）前記推進器の推力と第２のロードセルで測定された荷重との関係を求めるステップ

広い推力範囲で分解能の良い推力較正が可能となる。

実施の形態１．
図１及び図２は、この発明の実施の形態１を示す図である。

図１は推力測定装置の概略図である。この装置を用いることで、推進器に供給される電力やガス量と、そのとき発生した推力の関係を求めることができる。

以下、図１を用いて推力測定装置について説明する。

推力測定装置１は、推進器２を取り付けるアーム４と支点５及びバランスウェイト６を含む振り子部分を備えている。支持台１０１は支持脚１００を支持しており、アーム４の支点５は、支持台１０１に支持されている。

第１のロードセル３は、支持台１０１に支持されている固定部１０２に固定されている。更に、推力測定装置１は、第１のロードセル３を含む推力計測部分と、第２のロードセル８とリニアモータ９を含む推力較正部分と、推進器２の噴射に必要なガス供給配管と電力供給配管７及び熱シールド１０ａ、１０ｂ、１１から成り、真空設備内部に吊り下げて使用される。ここで、ロードセルとは、荷重がかかった時の荷重受け部分のひずみをひずみゲージで読み取り、電気出力に換算するものである。

推進器２は、振り子のアーム４の下端に配置される。推進器２が推力を発生することにより、振り子は支点５を中心に振れようとするが、支点５より上部に配置された第１のロードセル３により振れは抑えられる。このとき第１のロードセル３にかかっている荷重を計測することで、後述する推力較正曲線から推力を求めることができる。

従来の振り子の振れ幅または振れ角を測定する方式では、測定精度を上げるため振り子の振れ幅または振れ角を大きくする必要があった。このため、推進器２を噴射させるのに必要なガス供給配管及び電力供給配線７の変位によって変化する抵抗力を無視することができないという問題があった。

これに対しこの発明では、第１のロードセル３によって振り子の振れを抑えるため、ガス供給配管及び電力供給配線７の変位はなく抵抗力は一定となるため、測定に影響がでない。

また、この発明では振り子の支点５にナイフエッジ５aを使用することで支点部分の摩擦の影響を小さくするとともに、エッジ受け５ｂを設けることにより、推力発生時に支点５が水平方向に横滑りしたり、支点５を中心にねじれたりしないようにしている。

第１のロードセル３は常に振り子のアーム４と接している必要がある。このため、バランスウェイト６の位置は、アーム４の紙面上下または、紙面左右に変化させることで振り子の重心位置を調整し、推力が発生していない時の第１のロードセル３にかかる荷重を調整できるようにしている。バランスウェイト６の設置位置は一例として推進器２の逆側（紙面左側）である。

本装置は、宇宙環境を模擬した真空設備内に設置されるため、周辺が極低温になっている場合がある。また、推進器２は高温のガスもしくはプラズマを噴射する。これらの熱影響から装置を保護するために熱シールド１０a、１０ｂ、１１を設けている。温度影響を受けやすい第１のロードセル３及び第２のロードセル８の熱シールド１０a、１０ｂは、２重のシールドとし内部は一例としてヒータを用いることによって一定温度に維持される。アーム４保護のための熱シールド１１は、振り子の抵抗にならないような薄い断熱材を使用する。

次に、この発明の推力較正について説明する。

発生した推力と第１のロードセル３で計測される荷重との関係は、推進器２や振り子自身の質量による復元力やガス供給配管及び電力供給配線７の抵抗力等の大きさが不明な力により、支点からの距離の比にはならない。このため、推力の軸方向に大きさが既知の力を加えたときの第１のロードセル３の荷重を計測することで、推力較正曲線を作成する。

従来例では滑車と質量既知の錘を数個使用することで、推力軸方向に力を発生させていた。この場合、推力較正の分解能は錘の重さと個数で決定されてしまうという問題点があった。また、錘同士を一例として糸で繋いでいるため、糸のねじれや滑車の摩擦が較正の精度を悪化させていた。

これに対しこの発明では、第２のロードセル８とリニアモータ９を組み合わせ、第２のロードセル８の荷重受け部分が推力軸上にくるようにし、これらでアーム４を引っ張ることにより推力軸方向に力を発生させる。このとき、第１のロードセル３と第２のロードセル８の関係を示す推力較正曲線は図２(a)のようになる。この発明における推力較正の分解能は第２のロードセル８の分解能とリニアモータ９の最小移動量から決定される。従来の錘による荷重印加と比較して、リニアモータ９の移動量を調整することで様々な荷重を発生させることができるため、第２のロードセル８の測定可能範囲において従来よりも高分解能の推力較正を達成できる。また、リニアモータ９を用いているため摩擦の影響は無視でき、糸のねじれとも無縁である。

次に以下で、本装置１による推力測定の手順を説明する。

まず、アーム４に推進器２を取り付けたら、バランスウェイト６の位置を調整し、第１のロードセル３にわずかに荷重がかかるようにする。その後、真空設備内部を真空排気し、推進器２が噴射できる環境にする。次に、推進器２に電力もガスも供給していない状態で、リニアモータ９を動かし第２のロードセル８でアーム４を引っ張る。リニアモータ９を動かしていき、そのときの第１のロードセル３と第２のロードセル８の値を読み取ることで、図２(a)のような推力較正曲線を作成する。推力較正曲線が完成したら、リニアモータ９を逆方向に動かし、第２のロードセル８に荷重がかからないようにする。

この状態で、推進器２にガス及び電力を供給し推進器２を噴射させる。推進器２に供給されるガス量や電力を変化させ、そのときの第１のロードセル３の出力を読み取る。一例として、電力を変化させたときの第１のロードセル３の出力の関係を図２(b)に示す。図２(b)のような関係図と図２(a)の推力較正曲線から、図２(c)に示す関係図が得られ、ガス量や電力に対する第２のロードセル８の出力、即ち、推進器２の発生した推力の大きさがわかる。

以上のように、第１のロードセル３の荷重により推力を計測する方式では、第１のロードセル３によって振り子の傾きが抑えられるために、ガス供給配管や電力供給配線の影響を無視することができる。

振り子の支点５にナイフエッジ５a及びエッジ受け５ｂを使用することで、摩擦を小さくし、支点５の横滑りをなくすことができるため、精度の良い測定が可能となる。

第２のロードセル８とリニアモータ９を組み合わせることで、高分解能の推力較正が可能である。

実施の形態１に係わる推力測定装置の概略を示した図である。 実施の形態１における推力測定時に得られるグラフを示したものである。(a)は第１のロードセル３と８の関係を示す推力較正曲線、(b)は推進器２に供給される電力と第１のロードセル３の関係を示す図、(c)は推進器２に供給される電力とそのときの発生推力の関係を示す図である。

符号の説明

１ 推力測定装置、２ 推進器、３ 第１のロードセル、４ アーム、５ 振り子支点、５a ナイフエッジ、５b エッジ受け、６ バランスウェイト、７ ガス供給配管及び電力供給配線、８ 第２のロードセル、９ リニアモータ、１０a 熱シールド、１０b 熱シールド、１１ 熱シールド 、１００ 支持脚、１０１ 支持台、１０２ 固定部。

Claims (4)

1. 支点をもち、一端に推進器を備えるアームと、
   前記アームの他端に設けられ、前記アームの一端に接触して前記アームの一端に印加される荷重を測定する第１のロードセルと、
   前記アームの一端に荷重を印加し、前記推進器の推力を模擬するリニアモータと、
   荷重受け部分が前記推進器の推力軸上にくるように設けられ、前記リニアモータが印加している荷重を測定する第２のロードセルと、を備える推力測定装置。
2. 前記アームにバランス調整用のバランスウェイトを備える請求項１ に記載の推力測定装置。
3. 第１のロードセルと、第２のロードセルとを熱的にシールドする熱シールドを備える請求項１または請求項２に記載の推力測定装置。
4. 支点をもち、一端に推進器を備えるアームと、
   前記アームの他端に設けられ、前記アームの一端に接触して前記アームの一端に印加される荷重を測定する第１のロードセルと、
   前記アームの一端に荷重を印加し、前記推進器の推力を模擬するリニアモータと、
   荷重受け部分が前記推進器の推力軸上にくるように設けられ、前記リニアモータが印加している荷重を測定する第２のロードセルと、を備えた推力測定装置による推力測定方法であって、以下のステップ（ａ）〜（ｃ）の順序で前記推進器の推力を測定する推力測定方法。
   （ａ）前記リニアモータで荷重を印加し、印加荷重を第１及び第２のロードセルで測定し、第１のロードセルと第２のロードセルの値から推力較正曲線を得るステップ
   （ｂ）前記推進器の電力変化に対する前記第１のロードセルの出力の関係を測定するステップ
   （ｃ）前記ステップ（ａ）で得られた推力較正曲線と前記ステップ（ｂ）で得られた前記推進器の電力変化に対する前記第１のロードセルの出力の関係から、前記推進器の電力変化に対する前記第２のロードセルの出力を、前記推進器の発生推力として求めるステップ

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