专利名称：一种喷气推力的测量方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种喷气推力的测量方法及其装置，特别涉及一种在轨航天器姿态控制与轨道控制用的喷气推力的测量方法及其装置。
背景技术：
随着时代的发展，太空制约能力对一个国家的安全和发展起着越来越至关重要的作用。化学推进剂适用于短时间、大推力的推进任务。相对来说，电火箭推进技术能够获得较高的运载效率，适用于长时间、中小推力、高比冲的推进任务。目前，对于各种用途的卫星或航天器，为减少重量和尺寸、提高定位精度、延长运行寿命，使用空间电推进技术已成为必不可少的有效途径。无论是国民经济的发展、国家安全、还是未来对深空的科学研究，都需要发展高效率的空间电推进技术。这是因为与传统的姿控/轨控化学火箭相比，电推进方式具有高比冲的突出优点。空间电推进技术大致可以分为1)电热型，包括电阻加热射流方式和电弧加热等离子体射流方式；2)静电加速型，如离子推力器；3)等离子体推进型，包括霍尔推力器、脉冲等离子体推力器、磁等离子体动力学推力器和可变比冲磁等离子体推力器。迄今为止，世界上已有数百颗卫星使用了电推进系统，积累了大量的有用数据。但是，我国还没有任何种类的电推进推力器达到或接近实际应用的综合性能指标。
任何种类的电推进推力器，在真正能够上天运行之前，都必须在地面进行大量的性能研究和可靠性模拟实验。其中，推力的测量是必不可少的，尤其是对小推力推力器的推力的精确测量是至关重要的。用于空间电推进的推力器的特点之一就是推力比较小，因而电推进推力器地面测试非常关键的技术之一即为推力器的微小推力测量。测不出推力，就无法验证推力器的基本性能。因此，人们提出了各种不同原理的测力器，例如有倒钟摆式、双摆式、扭摆式、多臂式等测量方法；也有直接将推力器座在天平上(即推力方向与重力方向一致)的测力方法，或者是在座上去的基础上再作些重心平衡的处理或补偿；也有用激光干涉原理的测量方法。这些方法都存在设置调试和校准要求非常高，尤其是有些需要配重和调重心的测量方式，需要针对不同种类、重量、形状的推力推力器进行测力器结构设计和调试，并且同一测量仪对同一形状和重量的推力器，也会因为每次调试时难以把握的微小变化而产生无法估测的测量误差。在这种情况下，提出某种测量原理或测力器的精度或测量误差，在实际应用时是没有意义的。电推进推力器微小推力如此难测的根本原因是由于地面测试是在地球的重力场中进行的，而电推进推力器的特点是其自重远远大于其产生的推力。国外已有将电火箭送到太空去测量，但是这样的测量对研制电推力推力器而言必然非常昂贵而难以承受。此外供电系统、供气系统、推力器本身工作发热、测量的真空环境对推力测量的影响也非常大，为此，人们一直在寻找一种理想的高精度喷气推力测量方法。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有的测力原理在测量喷气推力时调试和校准要求高，容易产生测量误差的缺陷，提供一种简单易行的测力方法，并给出了实现该方法的测量装置。
实现本方法的测量装置包括基座15，和垂直固定在基座15上的第一支架1、第二支架14，以及测力机构；测力机构包括连有信号线13的传感器11，一端开有定位孔24的悬臂梁10，固定在悬臂梁10的上端的测力支件21，通过定位孔24将悬臂梁10固定在支架上的紧固件12。所述的悬臂梁10的上端悬浮并高于所述支撑座3，所述的传感器11贴附在悬梁臂10的表面，并通过信号线13与外部的采集、处理及显示系统电连接。测量装置特征在于，还包括导向机构2、轴承组16、支撑座3组成的推力器承载台架和固定定位机构；其中所述第一支架1和第二支架14顶端支撑所述导向机构2，轴承组16由导向机构2限制运动，支撑座3与轴承组16固定在一起，被测推力的推力器6固定在支撑座3上。
上述的技术方案中，所述传感器11可为应力应变片。而另一种技术方案是所述传感器11为涡流感应位移传感器。
上述技术方案中，轴承组由2个以上轴承组成，通过导向机构2相互定位，并与支撑座3连接。使得装载推力器6的支撑座3达到稳定与平衡。
上述技术方案中，导向机构2使得轴承组16在确定方向作直线移动，移动方向与推力方向平行，并且轴承组16与导向机构2之间的水平滑动阻力小于1mN。
上述技术方案中，装载推力器的支撑座3，如定向直线平移的台车，移动方向与测力悬臂梁垂直。
上述技术方案中，支撑座的形貌设计能实现在锁紧推力器的同时，使得推力器推力方向与轴承组移动方向平行。
上述技术方案中，调整基座15的水平度，使推力方向与重力方向夹角等于或略小于90度，消除沿推力方向滑动时由重力产生的附加阻力。
本发明的优点在于1、由于电推进火箭推力器与轴承组固接，只要制作时根据推力器的重量和大小选择合适尺寸和承载能力的轴承，加工配合尺寸合理，组装时将轴承滑移的阻力调到最小，推力器支撑座就像装在阻力极小的滑轨上的平稳的车座，在将推力器与车座固接时，不要求注意推力器重心位置和机身平衡的调节，只需保证推力与直线轴承的滑动方向相互平行，就可实现高精度的测量。
2、保证推力(也就是推力器轴线)与轴承组导向机构平行的条件，是在支撑座和支架以及导向机构的设计时，就根据推力器的结构考虑了固结时的定位限制，因而不依赖于安装和调试人员的操作感觉，所以也不会因人而异，更不需要每次安装时烦杂细致而又不能保证重复性的校准，因此实验测量结果的可重复性好，推力器不同运行参数时的推力测量结果的可比性强。
图1为本发明的喷气推力测量装置的结构示意图；图2为本发明的传感器选用应力应变片时，传感器与悬臂梁的相互关系示意图；图3为本发明的传感器选用涡流感应传感器时，传感器与悬臂梁的相互关系示意图；图4是本发明的推力标定及校验的系统示意图。
图面说明1 第一支架 2 导向机构 3 支撑座4 高速气流 5 箭头6 推力器 7 供给气路 8 电源线9 顶头 10 悬臂梁11 传感器 12 紧固件13 信号线14 第二支架 15 基座16 轴承组 21 测力支件 24 定位孔30 连接件31 传力件33 位移传感件 37 光纤 38 精密轴承 39 轴40 砝码
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明的喷气推力的测量装置进行详细说明。
实施例1参考图1，制作一台本发明的喷气推力的测量装置。将第一支架1和第二支架14固定在基座15上，第一支架1和第二支架14顶端支撑一导向机构2。轴承组16和导向机构2构成运动副，支撑座3与轴承组16固定在一起，被测推力的推力器6固定在支撑座3上，从而实现与轴承组16的固定。所述支撑座3由绝热良好的材料制成。
如图2所示，一根金属条作为悬臂梁10，该金属条的悬臂梁10一端开有定位孔24，紧固件12通过定位孔24将悬臂梁10固定在第二支架14上，也可以固定在第一支架1上，紧固件12可固定于支架上不同的位置上，以适合不同尺寸的推力器的推力测量。本实施例的传感器I1使用应力应变片，该应力应变片贴附在悬梁臂10的表面，应力应变片通过信号线13与外部的采集、处理及显示系统电连接，应力应变片感应悬梁臂10的变形量。
利用本发明的喷气推力的测量装置对推力器的喷气推力进行测量时，推力器6由供给气路7供入推力器推进剂，由电源线8给推力器供电，以便对推进剂加热。工作时推力器6的喷嘴喷出高温高速气流4，同时对推力器产生箭头5所示方向的推力，如图1和2所示，该推力通过固接于推力器6的顶头9，作用于测量装置悬臂梁10的悬浮端上的测力支件21。悬臂梁10在推力的作用下产生形变，应力应变片感应形变量，输出电信号并通过信号线13经电路板转换为对应于力大小的电压并通过数码管显示为测力读数。
实施例2如图1所示，制作一台本发明的喷气推力的测量装置。制成一基座15，在基座15上固定第一支架1和第二支架14，第一支架1和第二支架14的顶端支撑导向机构2。轴承组16和导向机构2构成运动副，支撑座3与轴承组16固定在一起，被测推力的推力器6通过螺钉固定在支撑座3上，从而实现与轴承组16的固定。所述支撑座3由绝热良好的材料制成。如图2所示，悬臂梁10的一端上有定位孔24，紧固件12通过定位孔24将悬臂梁10固定在第二支架14上，紧固件12可固定于第二支架14的不同位置，以适合不同尺寸的推力器的推力测量。悬梁臂10的悬浮端的附近有传感器11，所述传感器11采用涡流感应位移传感器。
利用本发明的喷气推力的测量装置对推力器的喷气推力进行测量，在测量前，如图3所示，推力器6通过连接件30与传力件31的一端固定，传力件31的另一端与位移传感件33连接。所述涡流感应位移传感器在安装时应当与位移传感件33对齐，两者间存在一定的距离。测量时，推力器6由供给气路7供入推力器推进剂，由电源线8给推力器供电，推进剂在推力器6加热并由喷嘴喷出形成高温高速气流4，同时对推力器产生箭头5所示方向的推力，推力通过传力件31作用于悬臂梁10，悬臂梁10在推力作用下产生变形，以致与传力件31连接的位移传感件33产生与力的作用方向平行的移动，位移传感件33与涡流感应传感器之间的间隙发生变化，该间隙变化由涡流感应传感器感知并变换为电信号，再通过信号线13传入信号处理电路板，根据电路板输出电压和标定关系即可得到作用力的大小。
实施例3图4是本发明的喷气推力的测量装置的静态标定示意图，推力器6的中心形成小孔，200微米直径光纤37一端固定连结在推力器喷口，另一端贯穿小孔和电推力推力器6的中轴孔，并从顶头9，悬臂梁10中穿过，最后搭在精密轴承38上。精密轴承38的中心固定在轴39上，而轴39则固定在测量装置的基座15上，光纤接近精密轴承38的一端安装可卸载砝码40，与砝码40的重力大小相同的推力如箭头5所示作用在悬臂梁10上，传感器11检测作用在悬臂梁10上的受力。对比经由传感器测得的作用力和砝码40的重力即可标定本发明的喷气推力的测量装置。
权利要求
1.一种喷气推力的测量装置，包括基座(15)，和垂直固定在基座(15)上的第一支架(1)、第二支架(14)，以及测力机构；测力机构包括连有信号线(13)的传感器(11)，一端开有定位孔(24)的悬臂梁(10)，固定在悬臂梁(10)的上端的测力支件(21)，通过定位孔(24)将悬臂梁(10)固定在支架上的紧固件(12)。所述的悬臂梁(10)的上端悬浮并高于所述支撑座(3)，所述的传感器(11)贴附在悬梁臂(10)的表面并通过信号线(13)与外部的采集、处理及显示系统电连接。测量装置特征在于，还包括导向机构(2)、轴承组(16)、支撑座(3)组成的推力器承载台架和固定定位机构；其中所述第一支架(1)和第二支架(14)顶端支撑所述导向机构(2)，轴承组(16)由导向机构(2)限制运动，支撑座(3)与轴承组(16)固定在一起，被测推力的推力器(6)固定在支撑座(3)上。
2.根据权利要求1所述的喷气推力的测量装置，其特征在于轴承组由2个以上轴承组成，通过导向机构相互定位，并与支撑座连接。
3.根据权利要求2所述的轴承组，其特征在于导向机构使得轴承组在确定方向作直线移动，移动方向与推力方向平行，并且轴承组与导向机构之间的水平滑动阻力小于1mN。
4.根据权利要求2所述的轴承组和支撑座，其特征在于装载推力器的支撑座，如定向直线平移的台车，移动方向与测力悬臂梁垂直。
5.根据权利要求2所述的承载台架，其特征在于支撑座的形貌设计能实现在锁紧推力器的同时，使得推力器推力方向与轴承组移动方向平行。
6.根据权利要求1所述的喷气推力的测量装置，其特征在于调整基座的水平调整机构，使推力方向与重力方向夹角等于或略小于90度，消除机构沿推力方向滑动时由重力产生的附加阻力。
全文摘要
本发明涉及一种喷气推力的测量装置，包括垂直固定在基座上的第一支架和第二支架顶端支撑一导向机构，一轴承组套在导向机构上，支撑座与轴承组固定在一起，被测推力的推力器通过螺钉固定在支撑座上；测力机构包括一端开有定位孔的悬臂梁，紧固件通过定位孔将悬臂梁固定在支架上，悬臂梁的上端悬浮并高于支撑座，传感器贴附在悬梁臂的表面，该传感器通过信号线与外部的采集、处理及显示系统电连接。本发明的喷气推力测量装置不依赖于安装和调试人员的操作感觉，所以也不会因人而异，更不需要每次安装时烦杂细致而又不能保证重复性的校准，因此实验测量结果的可重复性好，推力器不同运行参数时的推力测量结果的可比性强。
文档编号G01L5/00GK101055215SQ20061007217
公开日2007年10月17日 申请日期2006年4月14日 优先权日2006年4月14日
发明者潘文霞, 吴承康, 李腾 申请人:中国科学院力学研究所