[发明专利]一种基于气动小推力测量的小推力测力器和测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种对小火箭发动机产生的气动小推力的精确测量装置和方法，特别是涉及基于气动小推力测量的一种小推力测力器和测量方法。

背景技术

随着时代的发展，太空制约能力对一个国家的安全和发展起着越来越至关重要的作用。化学火箭携带的化学燃料自身具有危险性、污染环境的弊病，推进剂的重量占运载器总重量的90％以上，有效载荷仅占1％左右，而受推进剂化学能的限制，其比冲很难提高。因此化学推进剂适用于短时间、大推力的推进任务。相对来说，电火箭推进技术能够获得较高的运载效率，适用于长时间、中小推力、高比冲的推进任务。目前，对于各种用途的卫星，为减少重量和尺寸、提高定位精度、延长运行寿命，使用空间电推进技术已成为必不可少的有效途径。无论是国民经济的发展、国家安全、还是未来对深空的科学研究，都需要发展高效率的空间电推进技术。这是因为与传统的姿控/轨控化学火箭相比，电推进方式具有高比冲的突出优点。空间电推进技术大致可以分为：1)电热型，包括电阻加热射流方式和电弧加热等离子体射流方式；2)静电加速型，如离子发动机；3)等离子体推进型，包括霍尔发动机、脉冲等离子体发动机、磁等离子体动力学发动机和可变比冲磁等离子体发动机。迄今为止，世界上已有数百颗卫星使用了电推进系统，积累了大量的有用数据。但是，我国还没有任何种类的电推进发动机达到或接近实际应用的综合性能指标。

任何种类的火箭发动机，在真正能够上天运行之前，都必须在地面进行大量的性能研究和可靠性模拟实验。其中，推力的测量是必不可少的，尤其是对小推力发动机的推力的精确测量是至关重要的，例如，对于总推力仅为几百毫牛的千瓦级电弧等离子体发动机，除测力系统本身的阻力以外，连接于发动机的供气管和供电电缆设置严重地影响推力的精确测量及测量结果的可靠性。因此，人们提出了各种不同原理的测力器，例如有倒钟摆式、双摆式、扭摆式、多臂式等测量方法(汤海滨，刘畅，向民，徐衡，杨勇，微推力全弹性测量装置，推进技术，2007，28(6)：03-706.)；也有直接将发动机坐在天平上的测力方法，或者是在坐上去的基础上再做些重心平衡的处理或补偿；也有用激光干涉原理的测量方法。这些方法都存在设置调试和校准要求非常高，需要针对不同种类、重量、形状的推力发动机进行测力器结构设计和调试，并且同一测力器对同一形状和重量的发动机，也会因为每次调试时难以把握的微小变化而产生无法估测的测量误差。在这种情况下，提出某种测量原理或测力器的精度或测量误差，在实际应用时是没有意义的。

发明内容

本发明的目的在于：克服上述的小推力测量装置都存在设置调试和校准要求非常高，需要针对不同种类、重量、形状的推力发动机进行测力器结构设计和调试，并且同一测力器对同一形状和重量的发动机，也会因为每次调试时难以把握的微小变化而产生无法估测的测量误差的缺陷；从而提供一种适用于气动小推力简易、精确测量的小推力测力器。

本发明的目的之二还提供一种适用于气动小推力测量的测量方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的一种基于气动测量的小推力测力器，包括平板、配重件、轴承组、轴、支撑件和感应件构成；所述的平板用于接收小火箭发动机产生的高速气流的冲击；该平板和所述的配重件通过所述的支撑件固定于所述的轴承组，并分别固定于所述的支撑杆的两端，所述的配重件用以调节系统的重心；所述的感应件用于感应推力的变化；示意图如图1所示。

感应传感器S由测力支件20、应变片21、信号线22和梁23构成。

所述的平板9固定于所述的支撑杆10的一端，该支撑杆10的另一端固定于所述的连接件11的一端，所述的连接件11固定于所述的第一支撑件15上，该支撑件15另一端配备所述的顶头16，所述的支撑件15套装在所述的轴18的所述的低阻力轴承组17上，该轴18由固定于所述的稳定台座25上的所述的支杆19支撑；所述的连接件11另一端连接所述的第二支撑杆13，所述的配重件14固定于所述的第二支撑杆13的另一端，适当调节所述的配重件14在所述的支撑杆13上的位置，用于平衡平板9，即调节系统重心；所述的梁23末端通过所述的紧固件24固定于所述的支杆19上，当高速气流7产生的冲击力作用于平板9时，该冲击力会通过所述的顶头16作用于固定在梁23上的所述的测力支件20，应变片21贴附于梁23的表面，感应梁在受力作用时产生的应变，并通过信号线22将对应的电信号传入数据采集系统。

在上述的技术方案中，所述的平板的直径要大于测量点羽流扩展直径的两倍以上。