本发明涉及微推进器冲量测量方法,具体为一种平面扭转式微冲量测量方法,属于微推进技术测试领域。
背景技术:
微推进器是空间微推进技术领域的核心技术,目前已有很多类型,如冷气微推进器、等离子微推进器、霍尔推进器等,这些推进器可用于微小卫星空间姿态调整系统,其所提供的力矩为mN级,甚至mN以下级别。此时微推进器技术参数的精确测量将非常困难,微推进器的推力主要技术指标包括静态推力、瞬时冲量、以及平均推力,其中瞬时冲量的测量难度较大,因为冲量时间很短(通常为几十ms),传感器难以通过直接测量动态推力积分计算冲量。在目前检索的文献中,存在以下几种微冲量测量方法,西北工业大学提出的公开号为CN04374506A的发明申请一种悬摆式微冲量测试装置及测试方法,提出了基于激光多普勒测量器的测试装置及方法,该方法造价高。北京航空航天大学提出的公开号为CN102072790A的发明申请为一种微小冲量测量装置,该方法需要电磁阻尼系统,易受干扰,且以上两种原理都需要标定系统参数,如系统转动惯量,电磁阻尼系数等,但此类参数标定难度较高且精度较差。因此需要设计一种抗干扰能力强、系统标定要求低、低成本、高精度测量方法。
技术实现要素:
本发明为解决现有微冲量测量方法造价高,抗干扰能力弱,标定系统参数难度较高且精度较差的问题,进而提供一种平面扭转式微冲量测量方法。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是:一种平面扭转式微冲量测量方法,步骤一、测量装置安装,外部框架1的上部安装有静态扭矩传感器3,静态扭矩传感器3的受力的轴竖向设置,静态扭矩传感器3的受力的轴与旋转轴5的上端连接,旋转轴5的下端固接在旋转平台2的中部,被测元件4安装在旋转台体2的上表面上,保证被测元件4的推力方向位于旋转台体2的切线方向;
步骤二、记录冲量发生过程的旋转台体扭矩测量值、旋转台体回转周期、旋转台体冲量发生时刻和结束时刻的时间;
步骤三、微冲量计算,根据公式
其中,t1为旋转台体冲量发生时刻,t2为旋转台体冲量结束时刻,t3为旋转台体扭矩最大时刻,F为喷力,T为回转台体的旋转周期,r为喷力作用点到旋转台体的旋转中心的力臂,Mq为旋转台体的弹性扭矩测量值,Mqt2为t2时刻的旋转台体的弹性扭矩测量值,Mqt3为t3时刻的旋转台体的弹性扭矩测量值。
本发明的有益效果是:本发明不需要标定系统转动惯量,简化了测量步骤,避免了标定误差带来的测量误差,本发明对传感器以及旋转台体的刚度要求较低,降低了系统设计和加工成本。本发明微冲量测量方法可用于测量航天用微推力器的推进能力数值。
附图说明
图1为本发明平面扭转式微冲量测量方法相结合的测量装置的示意图;
图2为图1的俯视图。
其中,1为外部框架,2为旋转台体,3为静态扭矩传感器,4为被测元件,5为旋转轴。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明的原理进行详细说明。
步骤一、测量装置安装,外部框架的上部安装有静态扭矩传感器,静态扭矩传感器的受力的轴竖向设置,静态扭矩传感器手力的轴与旋转轴的上端连接,旋转轴的下端固接在旋转平台的中部,被测元件安装在旋转台体的上表面上,保证被测元件的推力方向位于旋转台体的切线方向,测试前,将旋转台体保持静止,此时旋转台体动能和弹性势能均为零;
步骤二、记录冲量发生过程的旋转台体扭矩测量值、旋转台体回转周期、旋转台体冲量发生时刻和结束时刻的时间,从t1时刻开始喷气,t2时刻结束喷气,此过程中的旋转台体的弹性扭矩测量值Mq直至旋转台体开始回转两个周期以上,并记录周期T。根据弹性扭矩测量值Mq,查找第一次振幅最大时刻t3,此时旋转台体的速度为零;
在此过程中,各时刻旋转台体机械能如表1所示,
表1旋转台体机械能统计表
其中,θt2为旋转台体在t2时刻的转角,θt3为旋转台体在t3时刻的转角,k为静态扭矩传感器弹性系数,ωt2为旋转台体在t2时刻的角速度,ωt1为旋转台体在t1时刻的角速度,数值为零;
喷力F从t1时刻开始做功,到t2时刻停止,因此,从t2时刻至t3时刻是机械能恒定的,因此有以下结论:
根据角动量定理
根据角动量定理
式(2)中,r为喷力作用点到旋转台体旋转中心的力臂,
由于静态扭矩传感器的弹性系数满足其中,Mq为旋转台体的弹性扭矩测量值,将其代入式(1)和(2),并联立求解,可得到:
其中,与旋转台体的固有频率有关,I为系统转动惯量,Mqt2为t2时刻的旋转台体的弹性扭矩测量值,Mqt3为t3时刻的旋转台体的弹性扭矩测量值,由于台体属于弹性振子简谐运动,因此,旋转周期代入式(3),可得到式(4):
步骤三、微冲量计算
在实际测试中,式(4)左边即为旋转台体2所受到的冲量,右边的未知量为均可通过静态扭矩传感器3测量的物理量,且可精确测量和计算,由式(4)可求,即可求得喷力冲量。