國內(nèi)微推力測試技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

劉萬龍，朱昊偉，孫樹江，劉奎芹，鄭 然

（北京航天試驗技術(shù)研究所，北京，100074）

0 引言

隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，深空探測航天器以及微小衛(wèi)星的姿態(tài)控制、軌道控制及編隊飛行等方面對微推進(jìn)系統(tǒng)的需求越來越多。通常把推力介于μN～N之間的推力器統(tǒng)稱為微型推力器[1-2]。微型推力器在航天和軍事領(lǐng)域都有著潛在的應(yīng)用價值，世界上對微推力器的研究也愈來愈多[3]。據(jù)報導(dǎo)目前已有超過110個在軌運行的航天器應(yīng)用了微推進(jìn)系統(tǒng)[4]。其中NASA格林研究中心研制的氙離子推力器NSTAR-30被用來作為美國深空一號探測器（DS-1）的主推力器，其比沖3 300 s，推力92 mN[5]；2012年11月，中國成功發(fā)射實踐九號A衛(wèi)星，首次采用我國研制的電推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行在軌飛行驗證，衛(wèi)星上載有40 mN/3 000 s氙離子推進(jìn)系統(tǒng)和40 mN/1 600 s霍爾推進(jìn)系統(tǒng)[4]。

隨著這些微推力器的研制和應(yīng)用，微推力的測量的重要性也日益凸顯。國外對微推力的研究起步較早，在上個世紀(jì)60年代，美國就開始mN級微推力測量研究[6]。目前國外主要有擺式臺架結(jié)構(gòu)[2,7]、扭擺結(jié)構(gòu)[8-9]、雙擺結(jié)構(gòu)[9]以及四臂配重結(jié)構(gòu)[10]等。近些年國內(nèi)在微推力測量領(lǐng)域也有較多研究與應(yīng)用。本文目的在于介紹目前國內(nèi)在微推力測量技術(shù)方面的研究進(jìn)展和技術(shù)特點。

1 微推力測量的難點

推力是火箭發(fā)動機的一個重要工作參數(shù)，直接反映了發(fā)動機的性能指標(biāo)[11]，對其精確測量有十分重要的意義。微型推力器推力測量干擾因素很多[6]：

1）介質(zhì)供應(yīng)管路及測控電線等會對其測量有較大影響；

2）當(dāng)微型推力器工作時，推力器產(chǎn)生的氣流 (或離子流)會使周圍的氣流環(huán)境發(fā)生擾動，從而影響推力的測量；

3）針對特定的電推進(jìn)系統(tǒng) (如電弧推力器)，電磁力和氣動力的交互作用將會對試驗結(jié)果產(chǎn)生很大影響。

2 國內(nèi)幾種典型測量模式

微推力測量的實質(zhì)是通過測量在微推力作用下推力臺架的響應(yīng)，從而間接地測量推力。微推力測量的關(guān)鍵是對力本身或力的作用效果進(jìn)行有效放大，從而保證測量裝置有較高靈敏度，同時選用高精度測量元件對力的作用效果進(jìn)行測量。由于摩擦力會影響測量精度，設(shè)計推力測量裝置時，各個部件之間要盡量選擇無摩擦的連接形式；另外要盡可能減小介質(zhì)供應(yīng)管路和測控電線所帶來的附加力。下面對國內(nèi)常用的幾種典型測量模式進(jìn)行介紹和分析。

2.1 直接測量模式

2004年清華大學(xué)沈巖等人在進(jìn)行低功率水電弧推力器的實驗時，為微推力測量設(shè)計了一套低成本的測力裝置[12]。其測量原理圖如圖1所示。

圖1 直接測量模式Fig.1 Direct measurement mode

其主體由電子秤和推力器支架構(gòu)成，推力器支架固定在電子秤上，電弧推力器固定在支架上，推進(jìn)劑通過一個內(nèi)徑1 mm的軟管輸入到推力器中，從而減小管道應(yīng)力對測量帶來的影響。在電子秤上直接讀出推力，也可將電子秤的數(shù)據(jù)輸出至計算機上進(jìn)一步處理。

2008年中科院力學(xué)研究所李騰、潘文霞等人設(shè)計制作了采用懸臂梁結(jié)構(gòu)的微推力測試架[13]。整個推力架的設(shè)計如圖2所示：推力器和軸承組固聯(lián)在一起，可在導(dǎo)軌上滑動，推力器產(chǎn)生的推力作用在與基座連接的懸臂梁上，懸臂梁的變形由力傳感器測量。

圖2 推力架結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of thrust frame

2009年中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)熱科學(xué)與能源工程系采用德國Sartorius Genius系列IvIE215S型電子秤進(jìn)行微推力測試[14]。通過測量推力器噴出氣流對電子天平的沖擊力來測量推力。

通過普通應(yīng)變傳感器或者電子秤來直接測量微推力的方式精度不高，通常只是在對微推力器進(jìn)行定性的機理研究時使用，當(dāng)進(jìn)行深入研究時，需要選用精度更高的測量方式。

2.2 杠桿放大模式

2008年，中國科學(xué)院廣州能源研究所研制了一種杠桿放大測力裝置[15]，其推力器芯片固定于杠桿的端部，芯片的對稱中心軸處于鉛直狀態(tài)，噴嘴豎直向上噴氣，以保證微推力方向與重力方向一致。芯片通過硅膠軟管與氣瓶連接。推力器芯片產(chǎn)生的推力經(jīng)杠桿放大，由位于杠桿另一端距離支點僅5 mm左右的壓電晶體傳感器測量。這種模式受限于壓電晶體的測量精度，溫漂和時漂較大，也只適合于微推力器的初始研究。

2.3 電磁天平模式

1999年，北京航天計量測試技術(shù)研究所趙寶瑞、李晶等人設(shè)計研制了一臺電磁天平模式微推力測量裝置，量程為10～1 000 mN。同年他們設(shè)計了其改進(jìn)型，量程為5～100 mN[16-17]。電磁天平結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。調(diào)整平衡裝置D1，D2及D3使天平梁系統(tǒng)的質(zhì)心與天平中刀O(天平梁支撐點)重合，天平梁系統(tǒng)自重對天平中刀O的力矩為零，消除了電火箭自重對推力的影響，天平工作在隨遇平衡狀態(tài)。利用力矩器電磁反饋補償微推力器推力，通過砝碼標(biāo)定力矩器的輸出電流。試驗時通過測量力矩器的輸出電流，可以測量出小的推力。

圖3 電磁天平結(jié)構(gòu)原理Fig.3 Principle diagram of electromagnetic balance

2000年左右，上?？臻g推進(jìn)研究所在進(jìn)行穩(wěn)態(tài)等離子體推力器研究時，推力測量也采用電磁天平模式[18]。2008年國防科技大學(xué)航天與材料工程學(xué)院與北京航天計量測試技術(shù)研究所合作，基于電磁天平模式，研制了脈沖等離子體推力器（PPT）微推力測量裝置[19]。

電磁天平模式的微推力測量裝置將推力器及其附件的重量預(yù)先平衡，再由測量元件產(chǎn)生相應(yīng)的平衡力來平衡推力器產(chǎn)生的微推力。這種模式結(jié)構(gòu)簡單精度較高，但對推力器質(zhì)量變化敏感，而且平衡不易穩(wěn)定。

2.4 扭擺模式

2009年裝備指揮技術(shù)學(xué)院采用扭擺[20]測量激光燒蝕微推力器推力。圖4是其采用的測量裝置原理圖。使用配重平衡推力器重量，使用油池進(jìn)行阻尼。采用激光干涉法測量[21]測量扭擺的偏轉(zhuǎn)。測量系統(tǒng)主要由2部分組成：激光干涉分系統(tǒng)和沖擊擺分系統(tǒng)。激光干涉分系統(tǒng)由He-Ne激光器、分光鏡、角耦反射鏡、光電二極管以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) (示波器)組成。沖擊擺分系統(tǒng)用來標(biāo)定。

圖4 單絲扭擺測量原理圖Fig.4 Principle diagram of monofilament torsional pendulum

2012年哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院設(shè)計了一種三絲扭擺式微推力測量系統(tǒng)[22]，它采用扭矩平衡和光杠桿放大原理，將推力器的微推力轉(zhuǎn)化為激光光斑的大位移進(jìn)行測量。其原理圖如圖5所示，整個扭擺平臺被三根絲吊起，利用配重調(diào)整平臺平衡，并使三根絲受力均勻。發(fā)動機工作時，所產(chǎn)生的推力將對平臺產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩，使其發(fā)生偏轉(zhuǎn)。平臺上的反射鏡會與扭擺一同發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使激光光斑在標(biāo)尺上的位置發(fā)生移動，移動距離與推力成正比，最后通過換算，就可以得到發(fā)動機的推力值。在實際應(yīng)用中，利用砝碼在線標(biāo)定。

圖5 三絲扭擺測量原理圖Fig.5 Principle diagram of three-yarn torsional pendulum

近年上?？臻g推進(jìn)研究所從俄羅斯進(jìn)口了型號為SFMS-100的推力架[23]，用于霍爾推力器的性能測試。它由測量擺桿、位移電容傳感器、同相干擾傳感器、交流放大器、解調(diào)器、主電壓和支持電壓發(fā)生器、正比控制器、微分控制器、積分控制器、力補償器、力補償器磁鐵、調(diào)零裝置、標(biāo)定裝置及采集器等部分組成。工作原理：采用一階伺服比例-積分-微分控制的基本控制原理，通過電磁補償器提供反饋力來平衡推力器工作時產(chǎn)生的推力，然后將采集到的電磁補償信號與標(biāo)準(zhǔn)力值進(jìn)行比對達(dá)到測量推力的目的。SFMS-100裝置主要特點：1）推力測量動架采用了4點懸掛方案（2點為擺桿懸掛，2點為細(xì)金屬絲懸掛）；2）通過特殊機構(gòu)，有效地克服了推力器電纜、氣管等對小推力測量的干擾，保證了推力測量的準(zhǔn)確性，其量程為1～1 000 mN。

這種扭擺模式采用光纖等細(xì)絲作為懸掛支撐，可以測量較小推力，但是這個結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高。

2.5 全彈性扭擺模式

北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院湯海濱等人在原有電磁天平模式微推力測量試驗臺架研究的基礎(chǔ)上，于2007年設(shè)計制作了一套全彈性微推力測量試驗裝置[24]。推力測量范圍為0～200 mN，測量精度達(dá)到±1%，并成功地在模擬真空環(huán)境中測量了N2和N2O冷氣微推力器連續(xù)工作的推力以及電弧推力器的推力測試。其結(jié)構(gòu)如圖6所示。該試驗裝置動架安裝在全彈性無摩擦旋轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)動裝置和固定裝置的連接部分采用無摩擦的叉形彈簧片連接，可以有效消除外界摩擦。通過配重來調(diào)節(jié)動架重心。使用電容式位移傳感器進(jìn)行測量，使用砝碼及電磁力2種方法進(jìn)行標(biāo)定。

圖6 全彈性扭擺裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure diagram of full elastic torsional pendulum

2012年裝備指揮技術(shù)學(xué)院在原有扭擺測力裝置的基礎(chǔ)上，研制了一種毫秒脈寬激光燒蝕微推力器推力測量裝置[25]。與北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院的全彈性微推力測量裝置類似，其由臺體結(jié)構(gòu)，調(diào)平機構(gòu)，配平機構(gòu)，位移傳感器，施力器，磁阻尼器，控制終端。臺體結(jié)構(gòu)包括橫梁、支撐組件、撓性樞軸以及參考框架。

這種模式是扭擺測量微推力模式的一種新的發(fā)展，采用撓性樞軸代替吊絲作為試驗裝置的支撐，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，這種模式使用全彈性加配重臺架結(jié)構(gòu)，用線性可變差分位移傳感器測量位移，利用隨遇平衡原理及無差電磁力負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)測量，采用電磁力及砝碼標(biāo)定；這種模式臺架結(jié)構(gòu)容易構(gòu)造，測試手段先進(jìn)，價格合理，并且還能保證測試結(jié)果具有較好的精度，是一種值得重點發(fā)展的微推力測量方式，代表了現(xiàn)在主流的研究方向[26]。

3 結(jié)束語

本文簡述了國外微推力測量技術(shù)進(jìn)展，分析了微推力測量的難點，并對國內(nèi)幾種典型微推力測量模式：直接測量模式、杠桿放大模式、電磁天平模式、扭擺模式及全彈性模式進(jìn)行了介紹，并分析了這幾種模式的優(yōu)缺點。綜合比較全彈性模式結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好，這種模式為全彈性加配重臺架結(jié)構(gòu)，用線性可變差分位移傳感器測量位移，利用隨遇平衡原理及無差電磁力負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)測量，采用電磁力及砝碼標(biāo)定；這種模式臺架結(jié)構(gòu)容易構(gòu)造，測試手段先進(jìn)，價格合理，并且還能保證測試結(jié)果具有較好的精度，是一種值得重點發(fā)展的微推力測量方式。

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