微小推力測(cè)量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性研究

龔景松，侯凌云，趙文華

（清華大學(xué)航天航空學(xué)院，北京100084）

0 引 言

空間技術(shù)的發(fā)展對(duì)應(yīng)用于衛(wèi)星等航天器的推進(jìn)技術(shù)的要求越來越高[1]，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作參數(shù)的測(cè)試要求越來越細(xì)致、準(zhǔn)確和全面。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)執(zhí)行微小衛(wèi)星的姿態(tài)控制任務(wù)時(shí)，要求發(fā)動(dòng)機(jī)提供的推力只有幾個(gè)毫牛到幾百毫牛甚至到微牛量級(jí)[2-3]，且工作時(shí)間很短，基本在脈沖工況下工作。對(duì)這些小推力發(fā)動(dòng)機(jī)而言，由于推力小、推進(jìn)劑流量小以及要求測(cè)量瞬態(tài)參數(shù)，一直是推進(jìn)系統(tǒng)地面實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)力測(cè)量的研究在近年來受到廣泛重視，孫寶元等[4]開展了20 N推力的動(dòng)態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置的開發(fā)和建模分析驗(yàn)證；董洪強(qiáng)等[5]設(shè)計(jì)了一種100N情況下的推力測(cè)量裝置；歐陽華兵等[6]采用動(dòng)態(tài)數(shù)字濾波補(bǔ)償技術(shù)對(duì)某小型姿控固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)推力進(jìn)行測(cè)量，改善了測(cè)量系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性；或者采用自適應(yīng)濾波技術(shù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理[7]等。從這些研究中可以看出，動(dòng)態(tài)力的測(cè)量對(duì)響應(yīng)時(shí)間要求高，且無統(tǒng)一的標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)，因此存在較大挑戰(zhàn)，特別當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力小到幾百毫牛時(shí)，其動(dòng)態(tài)測(cè)量就變得更加艱難。因此，深入研究測(cè)量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)微小推力測(cè)量特性及提高推力測(cè)量精度在微小發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試相關(guān)研究中是非常重要的。

本文的研究任務(wù)是根據(jù)微小推力測(cè)量裝置推力測(cè)量特點(diǎn)，尋找能夠簡(jiǎn)單加載動(dòng)態(tài)推力的方法及其標(biāo)定裝置，并對(duì)前期開發(fā)的測(cè)量裝置進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性測(cè)試。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

在前期的研究中，設(shè)計(jì)了一套用于測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)微小推力的推力測(cè)量系統(tǒng)，并對(duì)其穩(wěn)態(tài)測(cè)量特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，在400 mN的量程范圍內(nèi)，系統(tǒng)的標(biāo)定誤差小于±1%FS，并具有良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性。

在穩(wěn)態(tài)測(cè)量的基礎(chǔ)上，還需要進(jìn)一步對(duì)其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行研究。綜合分析可以看出，目前在動(dòng)態(tài)加載方面最常用的主要有兩種方法：負(fù)階躍力響應(yīng)法和沖擊力響應(yīng)法[6]。負(fù)階躍力響應(yīng)法的特點(diǎn)是先加載一定的力于測(cè)量系統(tǒng)，然后突然將此力卸載，則測(cè)量系統(tǒng)受到一個(gè)負(fù)的階躍力作用，卸載的方法包括如采用剪刀、脆性材料斷裂、激波管等[8]，其關(guān)鍵在于必須在極短的時(shí)間內(nèi)突然卸載，否則就不能獲得理想的階躍力。沖擊力響應(yīng)法是采用力錘激勵(lì)推力測(cè)量系統(tǒng)的一種方法，其關(guān)鍵在于如何控制沖擊力的大小及幅度，其缺點(diǎn)是力的大小不易控制。當(dāng)力的范圍達(dá)到毫牛級(jí)別時(shí)，常規(guī)的方法都很難直接用來進(jìn)行測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定，必須在上述方法的基礎(chǔ)上針對(duì)微小力的特點(diǎn)選擇適合的標(biāo)定加載方法。

本文對(duì)上述兩種方法都進(jìn)行了試驗(yàn)，最終選擇了電磁加載方式下的負(fù)階躍力的加載模式，得到了良好的試驗(yàn)結(jié)果。

所搭建的試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，主要包括底座、橫梁、刀口、配重、推進(jìn)劑管路及導(dǎo)線、發(fā)動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)和信號(hào)處理單元。在試驗(yàn)過程中，還需要根據(jù)不同的加載方法將加載小球或電磁線圈加載到橫梁上。

圖1 測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖及加載方式

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 小球下落的加載方法

讓小球從一定高度下落到測(cè)量系統(tǒng)的橫梁上（類似于力錘的加載），通過對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，保證了小球下落到橫梁上時(shí)的速度很小，利用測(cè)試軟件將力的變化采集存儲(chǔ)下來，得到的典型信號(hào)曲線如圖2所示。曲線的形狀和變化過程符合一般力學(xué)規(guī)律，同時(shí)可以通過對(duì)系統(tǒng)的建模分析出系統(tǒng)的特性參數(shù)，從而獲得系統(tǒng)的連續(xù)傳遞函數(shù)及其頻率特性。但是對(duì)于實(shí)際的一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)，有很多參數(shù)無法準(zhǔn)確給出，從而會(huì)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的特性參數(shù)產(chǎn)生一定的影響。另外，從上面的加載中還可以看出，當(dāng)小球下落的時(shí)候，由于小球與橫梁之間總會(huì)存在距離，導(dǎo)致小球下落到橫梁時(shí)與橫梁發(fā)生碰撞，存在一個(gè)沖擊力，此沖擊力與小球和橫梁之間的距離有關(guān)系。當(dāng)測(cè)量的力的數(shù)值較大時(shí)，可以采用此種方法進(jìn)行標(biāo)定；但是當(dāng)力的數(shù)值較小時(shí)，此沖擊的相對(duì)值將會(huì)變得很大，無法直接從曲線看出系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。

圖2 小球下落到橫梁上得到的力隨時(shí)間的變化圖

2.2 小球加載的負(fù)階躍力響應(yīng)

為了消除上面的小球下落與橫梁的沖擊，把小球用細(xì)線懸掛在橫梁上，如圖1所示。所使用的小球質(zhì)量為20.0 g，經(jīng)過力臂折算后的等效質(zhì)量為26.9g，重量為263.6mN。當(dāng)小球穩(wěn)定后，使用剪刀將其剪斷，同時(shí)記錄傳感器的信號(hào)輸出，得到的曲線如圖3所示。從試驗(yàn)曲線看，測(cè)量系統(tǒng)給出的力的大小為262mN，與小球的等效重量吻合，同時(shí)其重復(fù)性良好。但是從曲線中也可以看出，當(dāng)剪斷細(xì)線的瞬間，剪刀與細(xì)線之間的力傳給了測(cè)量系統(tǒng)，導(dǎo)致最初的一個(gè)力的增加，但是此力很快就消失了，同時(shí)剪刀對(duì)細(xì)線的力是隨機(jī)的，很難保證一致，這可以認(rèn)為是操作因素造成的信號(hào)變化。

2.3 電磁力加載的負(fù)階躍力響應(yīng)

為了消除上面的加載中操作因素的影響，采用了電磁力的加載方式，從而避免了運(yùn)動(dòng)部件或操作因素帶來的干擾。

圖3 小球被剪斷得到的信號(hào)隨時(shí)間的變化圖

首先研究了電磁加載方式的時(shí)間響應(yīng)情況。傳感器采用響應(yīng)頻率可以達(dá)到40 kHz的石英式壓電傳感器（由PCB公司生產(chǎn)），將鐵芯棒直接固定在壓電傳感器上，線圈套在鐵芯上，不讓鐵芯和線圈接觸，采用直流精密整流電源給線圈供電，通過開關(guān)給線圈通電和斷電，傳感器的信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)制后用示波器記錄電壓變化情況。結(jié)果表明，電磁線圈加載方式下的響應(yīng)時(shí)間小于5 ms，由于傳感器的響應(yīng)時(shí)間比5ms小很多，所以這個(gè)時(shí)間就是電磁加載的響應(yīng)時(shí)間，利用此力源給測(cè)量裝置進(jìn)行加載。

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1中所示，在橫梁的右端固定一鐵芯，其質(zhì)量約30g，電磁線圈固定在三維坐標(biāo)架上，通過三維調(diào)節(jié)使柱形鐵芯正好在線圈的中心，與線圈無接觸，電磁線圈的電壓由精密穩(wěn)壓電源提供，實(shí)驗(yàn)過程中通過開關(guān)通斷就可以給鐵芯加載和卸載電磁力。力的大小通過調(diào)節(jié)直流精密穩(wěn)壓電源的電壓來實(shí)現(xiàn)，保證了電磁線圈的穩(wěn)定性。當(dāng)線圈接通電流時(shí)，電磁線圈就會(huì)對(duì)鐵芯產(chǎn)生拉力，由于鐵芯和測(cè)量裝置固定在一起，所以這個(gè)力就被作用在測(cè)量裝置上，由于沒有運(yùn)動(dòng)部件的接觸加載，可以有效降低碰撞造成的沖擊力的巨大波動(dòng)，從而使標(biāo)定過程簡(jiǎn)單化。典型加載力的試驗(yàn)曲線如圖4、圖5所示。

圖4 電磁力為170mN時(shí)的測(cè)量曲線圖

圖5 電磁力為170mN時(shí)測(cè)量曲線的局部放大圖

從測(cè)量曲線可以看出，電磁力加載情況下，推力器對(duì)電磁力的測(cè)量反應(yīng)很好，避免了小力測(cè)量中加載方式對(duì)加載的沖擊影響，信號(hào)的波動(dòng)情況很好，曲線變化明顯、光滑，整套測(cè)量裝置的響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到約15ms。

3 結(jié)束語

通過前期的理論分析和實(shí)驗(yàn)加載研究，可以得到如下結(jié)論：

（1）提出和采用的電磁加載標(biāo)定方式簡(jiǎn)單實(shí)用，可以有效解決微小推力的動(dòng)態(tài)測(cè)量加載問題。

（2）本測(cè)量裝置在動(dòng)態(tài)測(cè)量方面可以達(dá)到15ms的響應(yīng)時(shí)間，能夠滿足實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)微小推力測(cè)量過程中對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的要求。

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