一种基于磁悬浮的微小推力测量装置

1.本发明属于空间推力器的微小推力测量领域，具体是涉及一种基于磁悬浮的微小推力测量装置。


背景技术：

2.随着国际航天事业发展，卫星姿轨控、星际航行、深空宇航等领域对推力器的需求越来越大，性能要求也不断提升，更小分辨率、更高比冲的电推力器成为目前研究关注的重点。
3.精确测量空间电推力器推力是评估电推力器工作性能最重要的参数，空间电推力器通过高压放电产生等离子体，等离子体经过离子光学系统加速后，高速喷出产生推力范围一般在0～100mn之间。由于推力量级很小，尤其是当推力降到毫牛量级甚至微牛量级时，仪器装置的连接机构和环境噪声对推力测量精度和分辨率的影响越来越显著。微小推力的精确测量可以真实、直观地反映推进器电参数、介质参数变化引起的推力变化，从而为推进器的研制、设计、参数选择及性能评价提供必要的技术途径。
4.现有微小推力测量技术主要包括采用小力传感器、弹性应变测力、扭摆称式测力等，其中，扭摆称式测力通过悬丝扭摆装置实现，其包括一扭丝悬提(见附图1)的水平横梁、配重、位移或角度传感器和阻尼器等构成。通过利用磁场与通电导体的安培力产生标准弱力对扭摆的角位移进行标定，得到扭丝偏转角与扭矩间的对应关系。推力器工作时，推力力矩使得横梁在水平方向旋转，在悬丝的恢复力矩作用下，横梁在某一位置达到平衡。利用激光测得的偏转，经过数学关系计算得到推力大小。
5.扭摆式推力架的优点是推力器的重力与推力有效分离，从而消除了推力器及扭摆自重对恢复力的影响；执行部件对纵向振动不敏感，通过调整摆臂的长度可以调整灵敏度和线性度；但扭丝的承重有限，难以定位，当随着微推进器对质量和体积较大时，扭丝的限重和定位难等缺点限制了其使用。
6.因此，目前的悬丝扭摆式测量装置存在以下缺陷：
7.1.空间电推力器的推理测量需要在真空舱内实验，在工作过程中，真空泵组产生的机械振动推过真空舱容器壁传递给推力测量装置，由于推力架水平摆臂与支撑结构直接连接，在微牛级推力测量时，振动噪声明显干扰测量结果和推力测量分辨率。
8.2.传统扭摆式推力架的旋转摆臂通过挠性枢轴、轴承或者悬丝与推力架支撑结构连接，依靠加工与安装精度不足以保障扭摆臂的水平度。
9.3.空间电推力器工作需要推进剂气体工质供给和供电。这些管路和线路直接连接到旋转摆臂上，附加拖拽力很大程度上影响着微小推力测量的线性度和准确性


技术实现要素：

10.要解决的技术问题：
11.1.改变或优化结构设计，改善或消除真空泵组机械振动噪声干扰问题；
12.2.设计电路桥接装置，实现在保证电力供给的同时，连接件之间无直接接触，解决电路线缆干扰推力测量的问题；
13.3.设计气路桥接装置，实现在保证气路密封的前提下，连接件之间无直接接触，消除供气管路干扰推力测量的问题。。
14.采用的技术方案如下：
15.一种基于磁悬浮的微小推力测量装置包括底部的静支撑结构、悬浮于静支撑结构上方的旋转平台7、轴套式桥接装置3；
16.所述静支撑结构包括底座平台1、底座接线柱2、安装在所述底座平台1上方两侧的磁悬浮导轨4；所述底座平台1侧面设置有用于电推力器以及测量系统供电的底座接线柱2；
17.所述旋转平台7下方安置动磁子701，所述动磁子701的大小尺寸大小形状与所述磁悬浮导轨4相适应；
18.所述轴套式桥接装置3设置在所述底座1和所述旋转平台7的正中心位置之间，包括电推力器的供气出口管道301、轴套式多级插头302、设置在所述供气出口管道301的漏斗型管道口外围的橡胶防溢出环303、与电推力器电路桥接的轴套式多级接头306、与电推力器气路桥接的供气入口管道305；所述底座接线柱2与所述轴套式多级接头306的金属短筒片一一对应连通。
19.所述磁悬浮导轨4为圆弧轨道。
20.所述轴套式多级插头302采用多个不同直径的同轴金属筒片插接在底板上组成，所述轴套式多级接头306采用与所述轴套式多级插头302对应的在底板上安装的具有相同数量的金属短筒片。
21.每一个所述金属短筒片内外侧设置有绝缘材料制成的隔离板304，使每一个所述金属转接头互相隔离。
22.所述轴套式多级插头302与所述轴套式多级接头306为同轴心无接触配合，二者间间隙采用液态金属填充实现电路导通和气路密封。所述旋转平台7两端分别还设置有十字型的电推力器安装孔10和配重5。
23.所述配重5的安装位置和重量均可调节。
24.所述旋转平台7上还设置有电推力器供气接口8，所述电推力器供气接口8与所述供气出口管道301相通。
25.所述旋转平台7上还设置电推力器接线柱9。
26.所述底座1的下方设置有连接推进剂贮供系统的供气接口11，所述推进剂供气接口11与所述供气入口管道305相通。
27.在所述旋转平台两侧设置弹性元件6与旋转平台紧贴固定。
28.本发明的有益效果在于：
29.1.实现了旋转平台与推力测量装置支撑结构的非直接接触，将真空泵组机械振动与电推力器产生的推力直接分隔，消除环境噪声对测量的影响。
30.2.解决了推力器电力线缆以及气体供给管路干扰摆臂旋转，导致无法测到真实推力的准确值，推力测量结果线性度差的问题。
31.3.电力连接装置中轴套式接头的金属短筒片对数可根据接线需要增加或减少，且安装方便。
32.4.基于液封的气路连接，实现随摆臂旋转管路与固定管路间的气密封无接触连接，且具有防止液封金属液体溢出的作用。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1为现有悬丝扭摆装置结构图
35.图2是为本发明整体结构示意图。
36.图3为本发明推力测量装置正剖视图。
37.图4为本发明轴套式桥接装置剖视示意图。
38.图5为本发明轴套式桥接装置填充液态金属示意图。
39.附图标记说明：
40.1-底座、2-底座接线柱、3-轴套式桥接装置、4-磁悬浮导轨、5-配重、6-弹性元件、7-旋转平台、701-动磁子、8-电推力器供气接口、9-电推力器接线柱、10-电推力器安装孔、11-推进剂供气接口、301-供气出口管道、302-轴套式多级插头、303-防溢出环、304-绝缘隔离板、305-供气入口管道、306-轴套式多级接头
具体实施方式
41.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.如图1-3所示，一种基于磁悬浮的微小推力测量装置包括底部的静支撑结构、悬浮于静支撑结构上方的旋转平台7、轴套式桥接装置3；
43.静支撑结构包括底座平台1、底座接线柱2、安装在底座平台1上方两侧的磁悬浮导轨4；底座平台1侧面设置有用于电推力器以及测量系统供电的底座接线柱2；
44.旋转平台7下方安置动磁子701，其大小尺寸和形状与磁悬浮导轨4相适应，以实现利用磁场的相互排斥作用力，使旋转平台7悬浮于导轨上；
45.轴套式桥接装置3设置在所述底座1和所述旋转平台7的正中心位置之间，包括电推力器的供气出口管道301、轴套式多级插头302、设置在所述供气出口管道301的漏斗型管道口外围的橡胶防溢出环303、与电推力器电路桥接的轴套式多级接头306、与电推力器气路桥接的供气入口管道305；所述底座接线柱2与所述轴套式多级接头306的金属短筒片一一对应连通，其中的金属筒片是圆筒形状的金属片。
46.所述磁悬浮导轨4为圆弧轨道。其工作原理与现有磁悬浮技术相同，轨道内为阵列的电磁铁401，用于产生恒定磁场。
47.所述轴套式多级插头302采用多个不同直径的同轴金属翅片(圆筒形状)插接在底板上组成，所述轴套式多级接头306采用与所述轴套式多级插头302对应的在底板上安装的
具有相同数量的金属短筒片。
48.每一个所述金属短接头内外侧设置有绝缘材料制成的隔离板304，使每一个所述金属转接头互相隔离。
49.所述轴套式多级插头302与所述轴套式多级接头306为同轴心无接触配合，二者间间隙采用液态金属填充实现电路导通和气路密封。防溢出环宽度略大于管道接口间最小间隙，当液态金属因气流或容腔压力不稳定液面波动时，防溢出环可以挡住管道间间隙。
50.所述旋转平台7两端分别还设置有十字型的电推力器安装孔10和配重5。
51.所述配重5的安装位置和重量均可调节。调节配重5重量和安装位置可以使所述旋转平台7保持水平。
52.所述旋转平台7上还设置有电推力器供气接口8，所述电推力器供气接口8与所述供气出口管道301相通。
53.所述旋转平台7上还设置电推力器接线柱9。
54.所述底座1的下方设置有推进剂供气接口11，所述推进剂供气接口11与所述供气入口管道305相通。
55.在所述旋转平台两侧设置弹性元件6与旋转平台紧贴固定，使得旋转平台在转动时，产生稳定的恢复力矩。所述弹性元件6可以为线弹簧。
56.在使用上述测量装置进行推力测量时，首先对上述微小推力测量装置进行安装，根据所测推力范围(例：0-100mn)，选取合适的刚度系数的弹性元件6，弹性元件可以选择线弹簧，使得测力装置在工作时，旋转平台在偏转位移量程(例：20mm)内转动动。其次根据所需电路连接个数选择对应数量的轴套式电路插接件个数，再根据推力器重力估算所需配重质量，调节配重在十字型滑槽中的安装位置，使旋转平台的重心与旋转中心重合，达到平衡；根据旋转平台的总重，调节磁悬浮轨道中励磁线圈的功率使旋转平台悬浮于底座正上方50mm左右高度，保证轴套式多级插头的金属齿片能浸入到轴套式多级接头内的液体金属中。
57.安装完成后对该推力测量装置进行标定，采用在测力点加载标准砝码，测量对应的旋转平台偏转位移，对旋转平台的扭转刚度系数进行标定，即建立推力与偏转位移之间的线性函数关系。测量推力时，连接好推力器的供电线路和供气管路，待推力器工作产生稳定推力后，记录偏转位移，进而计算得到该工况下的微小推力。
58.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。