一种量程可调型测量发动机微小推力的装置制造方法
【专利摘要】一种量程可调型测量发动机微小推力的装置，该装置包括底座、竖梁、阶梯支撑轴、轴承、横梁、推进剂贮箱、配重、电控箱、力传感器、力传感器固定支架、信号处理单元以及计算机；其特点是采用轴承结构并利用配重平衡发动机自重，通过改变发动机的力臂和传感器力臂的比值改变量程，推进剂管路直接与阶梯支撑轴相连，推进剂从阶梯支撑轴的推进剂流道流过，通过降低力臂来消除推进剂管路和控制线路对测量精度的影响。当被测推力范围从微牛到毫牛量级时，其零点飘移小于每小时±0.5％F.S.，稳态测量误差小于满量程的±1％，动态响应延迟时间小于15ms。本测量装置测试过程简单可靠，重复性好，可以满足发动机微小推力测量的需要。
【专利说明】一种量程可调型测量发动机微小推力的装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种力的测量设备，尤其涉及一种发动机微小推力的高精度测量装置，属于力测量【技术领域】。
【背景技术】
[0002]快速发展的微小卫星及其组网技术被广泛应用于数据通信、数据传输、地面环境监测、空间环境观测、导航定位、科学试验等众多领域。相对于中大型卫星，小卫星、微卫星和微型行星探测器对星上的推进系统质量、体积和效率提出了更高的要求，当进行卫星姿控、轨控和星座位置保持时，所需的推力非常小，达到mN或亚mN级，通过发动机工作喷射介质实现对小卫星的精确控制。而这些微小发动机工作过程的性能实验和标定是其执行卫星控制的基础，在性能实验中，推力和比冲是最重要的基本参数之一。推力的精确测量也是计算比冲的依据。微小推力测量过程也可以直观地给出发动机的压力、流量等参数变化引起的推力变化，为发动机的研制、设计及参数的选择提供必要的、有力的技术手段。
[0003]中国发明专利(ZL201010500521.5)公开了一种微小推力测量装置，可以测量发动机的微小推力。但是，此装置在现场测量中还存在一些问题和使用中的不方便，如:对测试人员的操作要求过高，搬运过程和发动机安装过程对测量系统造成影响，设备每次启动中零点变化过大等，在实际的测试过程中都需要进一步改进并提高设备的性能和操作简便性。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是在现有技术的基础上，提供一种量程可调型的测量发动机微小推力的装置，使其进一步降低由于连接的推进剂管道和导线等对测量系统零点和测量重复性的影响，从而有效提高测量精度和操作的简便性。对微小卫星用的姿态和轨道控制发动机的研究具有重要的意义，在小型发动机的推力测量和研究中具有很好的应用前景。
[0005]本发明提供的第一种技术方案如下:一种量程可调型测量发动机微小推力的装置，包括底座、第一推进剂贮箱、横梁、配重、发动机、推进剂管路、电控箱、力传感器、信号处理单元以及计算机；其特征在于:所述装置还含有阶梯支撑轴、竖梁、两个轴承和力传感器固定支架；所述的竖梁安装在底座上，两个轴承的外圈分别与安装在竖梁上的两个轴承座固定连接，两个轴承的内圈分别与阶梯支撑轴的两个轴承台阶配合面过盈配合；所述的阶梯支撑轴内设有推进剂流道，推进剂流道的进口通过推进剂管路与所述的推进剂贮箱相连通，推进剂流道的出口通过推进剂管路与发动机的推进剂进口相连；所述横梁垂直固定在阶梯支撑轴的法兰上，横梁绕阶梯支撑轴的中心转动；所述发动机和配重安装在横梁上，并分别位于阶梯支撑轴的两侧；所述的力传感器通过横梁触点与横梁接触，并与发动机设置在横梁的同一侧，该力传感器设置在力传感器固定支架上，力传感器固定支架与横梁在同一竖直面上，横梁触点与力传感器一起在力传感器固定支架上移动，并始终保持与横梁接触；发动机通过控制线路与电控箱相连；力传感器通过数据线与信号处理单元连接，信号处理单元通过数据线与计算机连接；力传感器采集的模拟信号经过信号处理单元处理后进入计算机进行处理。
[0006]本发明提供的第一种技术方案如下:一种量程可调型测量发动机微小推力的装置，包括底座、第一推进剂贮箱、横梁、配重、发动机、发动机支架、推进剂管路、电控箱、力传感器、信号处理单元以及计算机；其特征在于:所述装置还含有阶梯支撑轴、竖梁、两个轴承和力传感器固定支架；所述的竖梁安装在底座上，两个轴承的外圈分别与安装在竖梁上的两个轴承座固定连接，两个轴承的内圈分别与阶梯支撑轴的两个轴承台阶配合面过盈配合；所述的阶梯支撑轴内设有推进剂流道，推进剂流道的进口通过推进剂管路与所述的推进剂贮箱相连通，推进剂流道的出口通过推进剂管路与发动机的推进剂进口相连；所述横梁垂直固定在阶梯支撑轴的法兰上，横梁绕阶梯支撑轴的中心转动；所述发动机安装在发动机支架上，该发动机支架竖直固定在横梁上，配重安装在横梁上，发动机和配重分别位于阶梯支撑轴的两侧；所述的力传感器通过横梁触点与横梁接触，并与发动机设置在横梁的同一侧，该力传感器设置在力传感器固定支架上，力传感器固定支架与横梁在同一竖直面上，横梁触点与力传感器一起在力传感器固定支架上移动，并始终保持与横梁接触；发动机通过控制线路与电控箱相连；力传感器通过数据线与信号处理单元连接，信号处理单元通过数据线与计算机连接；力传感器采集的模拟信号经过信号处理单元处理后进入计算机进行处理。
[0007]上述两种技术方案中，所述设置在阶梯支撑轴内的推进剂流道采用单组元推进剂流道，单组元推进剂流道的进口通过推进剂管路和第一推进剂贮箱相连通，单组元推进剂流道的出口通过推进剂管路与发动机的推进剂进口相连。所述设置在阶梯支撑轴内的推进剂流道采用双组元推进剂流道，即包括双组元第一流道、双组元第二流道和第二推进剂贮箱，双组元第一流道的进口通过第一推进剂管路与第一推进剂贮箱相连通，双组元第二流道的进口通过第三推进剂管路与第二推进剂贮箱相连通；双组元第一流道的出口和双组元第二流道的出口分别通过第二推进剂管路和第四推进剂管路与发动机的推进剂进口相连通。
[0008]所述第一种技术方案中，其特征在于:在单组元推进剂流道的进口与第一推进剂贮箱相连的推进剂管路中包含一段与竖梁平行并固定在竖梁上的垂直推进剂管路；所述控制线路含有一段与竖梁平行并固定在竖梁上的一段垂直控制线路和一段与阶梯支承轴垂直并固定在横梁上的一段水平控制线路。
[0009]所述第二种技术方案中，其特征在于:在所述的第一推进剂管路和第三推进剂管路中均包含一段与竖梁平行并固定在竖梁上的垂直推进剂管路；所述控制线路含有一段与竖梁平行并固定在竖梁上的一段垂直控制线路和一段与阶梯支承轴垂直并固定在横梁上的一段水平控制线路。
[0010]本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性的技术效果:本发明在发明专利(ZL201010500521.5)优势的基础上，具有以下优点及突出性效果:①继承了原有专利中利用配重来消除发动机自重的影响的方法:利用力矩具有方向性来达到使发动机自重与产生的推力分离的目的，采用配重法来对发动机的自重进行补偿。②进一步改进推进剂管路的布置和连接方式:采用阶梯支撑轴和轴承连接，避免了系统运输和安装发动机过程中的随机变化；保证了每次启动时，系统零点的不变性和稳定性。③力传感器安装在力传感器固定支架上，并可在力传感器固定支架上沿横梁方向移动，可以改变传感器的力臂值，从而达到调整量程的目的。本发明还保留了自动标定装置和系统保护装置等。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为本发明提供的第一种技术方案的实施例的原理结构示意图。
[0012]图2为本发明提供的第二种技术方案的实施例的原理结构示意图。
[0013]图3为本发明提供的单组元推进剂使用的直通型阶梯支撑轴的剖视图。
[0014]图4为本发明提供的双组元推进剂使用的两端型阶梯支撑轴的剖视图。
[0015]图5为本发明提供的使用双组元推进剂时推进剂流道的连接关系示意图。
[0016]图中:1_底座；2-竖梁；3a_第一推进剂贮箱；3b_第二推进剂贮箱；4-轴承；5-横梁；6_配重；7_阶梯支撑轴；8_发动机；9a-第一推进剂管路；9b第二推进剂管路；9c第三推进剂管路；9d-第四推进剂管路；10-横梁触点；11_力传感器；12-力传感器固定支架；13-信号处理单元；14_电控箱；15-控制线路；16-计算机；17-发动机支架；701_阶梯支撑轴上的法兰；702_轴承台阶配合面；703_单组元推进剂流道的出口 ；704_单组元推进剂流道的进口 ；705_单组元推进剂流道；706-双组元第一流道的进口 ；707_双组元第一流道；708-双组元第二流道；709-双组元第二流道的进口 ；710_双组元第一流道的出口 ；711_双组元第二流道的出口。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图，对本发明的具体结构、工作原理和工作过程作进一步的说明。
[0018]图1为本发明提供的第一种技术方案的实施例的原理结构示意图，所述装置包括底座1、推进剂贮箱3a、横梁5、配重6、发动机8、推进剂管路、电控箱14、力传感器11、信号处理单元13以及计算机16、阶梯支撑轴7、竖梁2、两个轴承4和力传感器固定支架12 ;竖梁2安装在底座I上，每个轴承的外圈与安装在竖梁上的轴承座固定连接，两个轴承的内圈分别与阶梯支撑轴7的两个轴承台阶配合面702过盈配合；所述的阶梯支撑轴内设有推进剂流道，推进剂流道的进口通过第一推进剂管路9a与所述的第一推进剂贮箱3a相连通，推进剂流道的出口通过第二推进剂管路9b与发动机的推进剂进口相连；所述横梁5垂直固定在阶梯支撑轴的法兰701上，横梁绕阶梯支撑轴的中心转动；所述发动机8和配重6安装在横梁上，并分别位于阶梯支撑轴的两侧；所述的力传感器通过横梁触点10与横梁接触，并与发动机设置在横梁的同一侧，该力传感器设置在力传感器固定支架12上，力传感器固定支架与横梁在同一竖直面上，横梁触点与力传感器一起在力传感器固定支架上移动，并始终保持与横梁接触；发动机通过控制线路15与电控箱14相连；力传感器通过数据线与信号处理单元13连接，信号处理单元通过数据线与计算机16连接；力传感器采集的模拟信号经过信号处理单元13处理后进入计算机16进行处理。
[0019]图2为本发明提供的第二种技术方案的实施例的原理结构示意图，该装置包括底座1、第一推进剂贮箱3a、横梁5、配重6、发动机8、发动机支架17、推进剂管路、电控箱14、力传感器11、信号处理单元13、计算机16、阶梯支撑轴7、竖梁2、两个轴承4和力传感器固定支架12 ;所述的竖梁2安装在底座I上，两个轴承的外圈分别与安装在竖梁上的两个轴承座固定连接，两个轴承的内圈分别与阶梯支撑轴7的两个轴承台阶配合面702过盈配合；所述的阶梯支撑轴内设有推进剂流道，推进剂流道的进口通过推进剂管路与所述的推进剂贮箱相连通，推进剂流道的出口通过推进剂管路与发动机的推进剂进口相连；所述横梁5垂直固定在阶梯支撑轴的法兰701上，横梁绕阶梯支撑轴的中心转动；所述发动机8安装在发动机支架17上，该发动机支架竖直固定在横梁上，配重6安装在横梁上，发动机8和配重6分别位于阶梯支撑轴的两侧；所述的力传感器通过横梁触点10与横梁接触，并与发动机设置在横梁的同一侧，该力传感器设置在力传感器固定支架12上，力传感器固定支架与横梁在同一竖直面上，横梁触点与力传感器一起在力传感器固定支架上移动，并始终保持与横梁接触；发动机通过控制线路15与电控箱14相连；力传感器通过数据线与信号处理单元13连接，信号处理单元通过数据线与计算机16连接；力传感器采集的模拟信号经过信号处理单元13处理后进入计算机16进行处理。
[0020]为了满足不同类型发动机测试的需要，本发明还给出了针对单组元推进剂和双组元推进剂发动机的推进剂流道连接方法。对于单组元推进剂的发动机，阶梯支承轴的推进剂流道采用直通型，即阶梯支撑轴内的推进剂流道设有单组元推进剂流道705，单组元推进剂流道的进口 704通过推进剂管路和第一推进剂贮箱3a相连通，单组元推进剂流道的出口703通过推进剂管路与发动机的推进剂进口相连。对于双组元推进剂的发动机，阶梯支撑轴的推进剂流道采用两端型支撑轴，即在阶梯支撑轴内的推进剂流道设有双组元推进剂流道，即包括双组元第一流道707、双组元第二流道708和第二推进剂贮箱3b，双组元第一流道的进口 706通过第一推进剂管路9a与第一推进剂贮箱3a相连通，双组元第二流道的进口 709通过第三推进剂管路9c与第二推进剂贮箱3b相连通；双组元第一流道的出口 710和双组元第二流道的出口 711分别通过第二推进剂管路9b和第四推进剂管路9d与发动机的推进剂进口相连通。
[0021]为了提高测量精度，消除推进剂管路和控制线路对微小推力所带来的影响，本发明还采用了如下技术措施:对于单组元推进剂的发动机，在单组元推进剂流道的进口 704与第一推进剂贮箱3a相连的推进剂管路中包含一段与竖梁平行并固定在竖梁上的垂直推进剂管路，其一端与第一推进剂贮箱3a相连接，另一端与阶梯支撑轴的进口连接。控制线路15含有一段与竖梁平行并固定在竖梁上的一段垂直控制线路和一段与阶梯支承轴垂直并固定在横梁上的一段水平控制线路。对于双组元推进剂的发动机，在所述的第一推进剂管路9a和第三推进剂管路9c中均包含一段与竖梁平行并固定在竖梁上的垂直推进剂管路；控制线路15含有一段与竖梁平行并固定在竖梁上的一段垂直控制线路和一段与阶梯支承轴垂直并固定在横梁上的一段水平控制线路。
[0022]本发明的工作过程如下:
[0023]对于采用单组元推进剂的发动机，首先将发动机8安装在横梁5 (竖直安装)上，或安装在发动机支架17 (水平安装)上，利用配重6来平衡发动机自身的重量，就是利用力矩的方向性，通过调整配重的质量和距离阶梯支撑轴中心的远近使横梁平衡来消除自重的影响。根据发动机设计推力值的大小，调整力传感器在力传感器固定支架上的位置，使设计推力值在推力测量装置的量程范围内，固定好传感器。然后利用自动标定装置对测量系统进行标定，通过第一推进剂管路9a和第一推进剂管路9b和控制线路15给发动机供给推进剂和供电，发动机工作产生的推力经过横梁作用在力传感器11上，得到的模拟电信号进入信号处理单元进行放大和处理后输入计算机中，信号在计算机中进行后续的计算得到推力的数值。
[0024]当测量双组元推进剂发动机的推力时，首先将发动机8安装在横梁5 (竖直安装)上，或安装在发动机支架17 (水平安装)上，通过第一推进剂管路9a和第二推进剂管路％、9c和9d把两种推进剂贮箱与阶梯支撑轴、发动机进口连接。利用配重6来平衡发动机自身的重量。根据发动机设计推力值的大小，调整力传感器在力传感器固定支架上的位置，使设计推力值在推力测量装置的量程范围内，固定好传感器。经过自动标定后，通过推进剂管路和控制线路15给发动机供给推进剂和供电，发动机工作产生的推力经过横梁作用在力传感器11上，得到的模拟电信号进入信号处理单元进行放大和处理后输入计算机中，信号在计算机中进行后续的计算得到推力的数值。
【权利要求】
1.一种量程可调型测量发动机微小推力的装置，包括底座(1)、第一推进剂贮箱(3a)、横梁(5)、配重(6)、发动机(8)、推进剂管路、电控箱(14)、力传感器(11)、信号处理单元(13)以及计算机(16);其特征在于:所述装置还含有阶梯支撑轴(7)、竖梁(2)、两个轴承(4)和力传感器固定支架(12);所述的竖梁(2)安装在底座(1)上，两个轴承的外圈分别与安装在竖梁上的两个轴承座固定连接，两个轴承的内圈分别与阶梯支撑轴(7)的两个轴承台阶配合面(702)过盈配合；所述的阶梯支撑轴内设有推进剂流道，推进剂流道的进口通过推进剂管路与所述的推进剂贮箱相连通，推进剂流道的出口通过推进剂管路与发动机的推进剂进口相连；所述横梁(5)垂直固定在阶梯支撑轴的法兰(701)上，横梁绕阶梯支撑轴的中心转动；所述发动机(8)和配重(6)安装在横梁上，并分别位于阶梯支撑轴的两侧；所述的力传感器通过横梁触点(10)与横梁接触，并与发动机设置在横梁的同一侧，该力传感器设置在力传感器固定支架(12)上，力传感器固定支架与横梁在同一竖直面上，横梁触点与力传感器一起在力传感器固定支架上移动，并始终保持与横梁接触；发动机通过控制线路(15)与电控箱(14)相连；力传感器通过数据线与信号处理单元(13)连接，信号处理单元通过数据线与计算机(16)连接；力传感器采集的模拟信号经过信号处理单元(13)处理后进入计算机(16)进行处理。
2.一种量程可调型测量发动机微小推力的装置，包括底座(1)、第一推进剂贮箱(3a)、横梁(5)、配重(6)、发动机(8)、发动机支架(17)、推进剂管路、电控箱(14)、力传感器(11)、信号处理单元(13)以及计算机(16);其特征在于:所述装置还含有阶梯支撑轴(7)、竖梁(2)、两个轴承(4)和力传感器固定支架(12);所述的竖梁(2)安装在底座(1)上，两个轴承的外圈分别与安装在竖梁上的两个轴承座固定连接，两个轴承的内圈分别与阶梯支撑轴(7)的两个轴承台阶配合面(702)过盈配合；所述的阶梯支撑轴内设有推进剂流道，推进剂流道的进口通过推进剂管路与所述的推进剂贮箱相连通，推进剂流道的出口通过推进剂管路与发动机的推进剂进口相连；所述横梁(5)垂直固定在阶梯支撑轴的法兰(701)上，横梁绕阶梯支撑轴的中心转动；所述发动机(8)安装在发动机支架(17)上，该发动机支架竖直固定在横梁上，配重(6)安装在横梁上，发动机(8)和配重(6)分别位于阶梯支撑轴的两侧；所述的力传感器通过横梁触点(10)与横梁接触，并与发动机设置在横梁的同一侧，该力传感器设置在力传感器固定支架(12)上，力传感器固定支架与横梁在同一竖直面上，横梁触点与力传感器一起在力传感器固定支架上移动，并始终保持与横梁接触；发动机通过控制线路(15)与电控箱(14)相连；力传感器通过数据线与信号处理单元(13)连接，信号处理单元通过数据线与计算机(16)连接；力传感器采集的模拟信号经过信号处理单元(13)处理后进入计算机(16)进行处理。
3.按照权利要求1或2所述的一种量程可调型测量发动机微小推力的装置，其特征在于:所述设置在阶梯支撑轴内的推进剂流道采用单组元推进剂流道(705)，单组元推进剂流道的进口(704)通过推进剂管路和第一推进剂贮箱(3a)相连通，单组元推进剂流道的出口(703)通过推进剂管路与发动机的推进剂进口相连。
4.按照权利要求1或2所述的一种 量程可调型测量发动机微小推力的装置，其特征在于:所述设置在阶梯支撑轴内的推进剂流道采用双组元推进剂流道，即包括双组元第一流道(707)、双组元第二流道(708)和第二推进剂贮箱(3b)，双组元第一流道的进口(706)通过第一推进剂管路(9a)与第一推进剂贮箱(3a)相连通，双组元第二流道的进口(709)通过第三推进剂管路(9c)与第二推进剂贮箱(3b)相连通；双组元第一流道的出口(710)和双组元第二流道的出口(711)分别通过第二推进剂管路(9b)和第四推进剂管路(9d)与发动机的推进剂进口相连通。
5.按照权利要求3所述的一种量程可调型测量发动机微小推力的装置，其特征在于:在单组元推进剂流道的进口(704)与第一推进剂贮箱(3a)相连的推进剂管路中包含一段与竖梁平行并固定在竖梁上的垂直推进剂管路；控制线路(15)含有一段与竖梁平行并固定在竖梁上的一段垂直控制线路和一段与阶梯支承轴垂直并固定在横梁上的一段水平控制线路。
6.按照权利要求4所述的一种量程可调型测量发动机微小推力的装置，其特征在于:在所述的第一推进剂管路(9a)和第三推进剂管路(9c)中均包含一段与竖梁平行并固定在竖梁上的垂直推进剂管路；控制线路(15)含有一段与竖梁平行并固定在竖梁上的一段垂直控制线路和一段与 阶梯支承轴垂直并固定在横梁上的一段水平控制线路。
【文档编号】G01L5/00GK103900752SQ201410141249
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年4月9日 优先权日:2014年4月9日
【发明者】龚景松, 侯凌云, 赵文华 申请人:清华大学