[發(fā)明專利]彈性微牛級(jí)小推力測(cè)量系統(tǒng)

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910080547.6
• 申請(qǐng)日: 2009-03-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101514927A
• 公開(kāi)（公告）日: 2009-08-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 湯海濱;王安良;鐘凌偉;胡曉亮
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G01L1/04
• 分類號(hào): G01L1/04
• 代理公司: 北京慧泉知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 王順榮;唐愛(ài)華

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及一種彈性微牛級(jí)小推力測(cè)量系統(tǒng)，屬于空間微小推力發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

微、電推進(jìn)等空間用微小推力發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)在航空航天等許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)中微小推力測(cè)量技術(shù)是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，只有獲得實(shí)測(cè)的推力，才能獲取發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際性能參數(shù)(發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際比沖)，并開(kāi)展進(jìn)一步的設(shè)計(jì)和研制工作。

由于微小推力發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的推力非常小(mN級(jí)或μN(yùn)級(jí))，推進(jìn)劑氣路、電路的連接又對(duì)推力的測(cè)量產(chǎn)生很大的影響，而整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)必須在真空下工作，因而給推力的直接測(cè)量帶來(lái)很大困難。

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)微小推力的測(cè)量，根據(jù)推力性質(zhì)的不同，國(guó)外采用了不同方法和推力架進(jìn)行了測(cè)量，其結(jié)構(gòu)包括目標(biāo)靶、彈性元件、天平、懸擺和光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)等，但測(cè)量架均含有非彈性部分，測(cè)量精度只能通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)量的方法得到，或測(cè)量系統(tǒng)復(fù)雜，許多重要細(xì)節(jié)均不公開(kāi)報(bào)道。

就國(guó)內(nèi)而言，北航研制出的名稱為《一種適用于空間微小推力發(fā)動(dòng)機(jī)的推力測(cè)量系統(tǒng)》已經(jīng)獲得發(fā)明專利，專利號(hào)為ZL?2006?1?0089041.8。這種推力測(cè)量系統(tǒng)采用叉簧支撐來(lái)消除摩擦，采用各種彈性元件來(lái)消除干擾，但是只能測(cè)量毫牛級(jí)推力。這種系統(tǒng)方案無(wú)法滿足更進(jìn)一步的對(duì)微牛級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)推力的測(cè)量。

清華大學(xué)采用電子天平的方法測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)工作的小推力，(陳黎明，趙文華，劉巖松。低功率電弧加熱發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究。Vol.10，No.2，2002)，屬于非彈性支撐和連接。

中科院空間中心采用扭擺測(cè)量了小推力，(吳漢基，馮學(xué)章，等。氮?dú)浠旌蠚怆娀〖訜岚l(fā)動(dòng)機(jī)的性能試驗(yàn)，中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)，2002年，第4期)，但未采用彈性連接和電磁控制。

本發(fā)明裝置以懸掛的薄片彈性元件(彈簧片)作為敏感元件，使系統(tǒng)符合虎克定律，將μN(yùn)級(jí)推力施加到薄片彈性元件上，通過(guò)彈性元件末端位移量的轉(zhuǎn)換，最終測(cè)量出發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)微小推力。

發(fā)明內(nèi)容：

本發(fā)明的目的在于提供一種彈性微牛級(jí)小推力測(cè)量系統(tǒng)，針對(duì)目前國(guó)內(nèi)微牛級(jí)推力測(cè)量裝置的問(wèn)題，主要是支撐元件和附件連接影響微小推力的準(zhǔn)確測(cè)量和微小推力的標(biāo)定問(wèn)題，而采用以彈簧片作為關(guān)鍵彈性敏感元件，通過(guò)位移量的轉(zhuǎn)換和靜電力標(biāo)定的方法，較精確地測(cè)量出微小推力發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)微小推力，推力測(cè)量范圍為0～500μN(yùn)。

本發(fā)明一種彈性微牛級(jí)小推力測(cè)量系統(tǒng)，其技術(shù)方案如下：

1、測(cè)量原理

彈性元件受力會(huì)變形，發(fā)生一定角度的偏轉(zhuǎn)。在彈性元件的彈性形變范圍內(nèi)，變形程度將與它所受力的大小對(duì)應(yīng)。我們的測(cè)量方案利用的就是敏感彈性元件的這種彈性形變的可重復(fù)性。已知的標(biāo)定力會(huì)讓彈性元件發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的程度由位移傳感器讀取，將每個(gè)已知力對(duì)應(yīng)的偏轉(zhuǎn)位移記錄下來(lái)，通過(guò)各標(biāo)定點(diǎn)，可以繪制“力-位移”標(biāo)定曲線；當(dāng)實(shí)際測(cè)量時(shí)，推力器的作用導(dǎo)致同樣的彈性元件發(fā)生偏轉(zhuǎn)，參照之前得到的標(biāo)定曲線，根據(jù)實(shí)際測(cè)量的偏轉(zhuǎn)位移大小，就能得到要測(cè)量的推力。

以上所謂的已知力是指，兩標(biāo)定電極間加電壓產(chǎn)生的相互作用力。這個(gè)力可以由極板大小，電壓差和極板間距離計(jì)算，也可以采用直接的方法測(cè)量。再用這個(gè)靜電力來(lái)標(biāo)定推力測(cè)量系統(tǒng)，得到一組彈簧片位移和作用力之間的關(guān)系曲線。這個(gè)曲線即為標(biāo)定曲線。在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，只需讀出推力器的實(shí)時(shí)推力造成的彈簧片的位移變化。根據(jù)標(biāo)定曲線即可以得到推力測(cè)量結(jié)果。測(cè)量原理如圖1所示。

2、具體機(jī)械結(jié)構(gòu)

本發(fā)明是一種彈性微牛級(jí)小推力測(cè)量系統(tǒng)，其具體包括：推力架框架、測(cè)量主體、推力器供給系統(tǒng)。

所述的推力架框架由10號(hào)角鋼焊接而成，整體噴塑；框架上底面相對(duì)邊打兩對(duì)位置對(duì)稱的孔；框架下底面，在一條邊的中點(diǎn)及其對(duì)邊中心線兩側(cè)安裝3個(gè)調(diào)整支架，用于調(diào)節(jié)框架的水平姿態(tài)。

所述的測(cè)量主體包括：主梁、橫向移動(dòng)座、縱向移動(dòng)座、彈簧片、推力器、位移傳感器、標(biāo)定電極、傳感器座、電極座、推力器、絕緣板等。

主梁為一整體成開(kāi)口向下的F型，兩邊安裝在推力架框架上，梁厚度較大，保證了整個(gè)下部推力測(cè)量主體的穩(wěn)定。橫向移動(dòng)座，上端為槽形并安裝在主梁較長(zhǎng)的分支上，裝配螺紋孔成橫向放置的長(zhǎng)方形，用于調(diào)節(jié)橫向移動(dòng)。縱向移動(dòng)座裝配在橫向移動(dòng)座下方，裝配螺紋孔成縱向放置的長(zhǎng)方形，用于調(diào)節(jié)縱向移動(dòng)。傳感器座橫向安裝在縱向移動(dòng)座上半部，由調(diào)節(jié)螺桿和鎖緊螺母構(gòu)成，調(diào)節(jié)水平方向的伸縮。

位移傳感器安裝在傳感器座前端。電極座同樣由調(diào)節(jié)螺桿和鎖緊螺母構(gòu)成，安裝在縱向移動(dòng)座下半部，材料也是硬鋁，電極座調(diào)節(jié)水平方向的伸縮。標(biāo)定電極負(fù)極安裝在電極座前端，標(biāo)定電極負(fù)極與電極座絕緣連接。