[发明专利]弹性微牛级小推力测量系统

说明书

技术领域：

本发明涉及一种弹性微牛级小推力测量系统，属于空间微小推力发动机技术领域。

背景技术：

微、电推进等空间用微小推力发动机技术在航空航天等许多领域都有广泛的应用，发动机地面试验中微小推力测量技术是一项关键技术，只有获得实测的推力，才能获取发动机的实际性能参数(发动机实际比冲)，并开展进一步的设计和研制工作。

由于微小推力发动机工作时的推力非常小(mN级或μN级)，推进剂气路、电路的连接又对推力的测量产生很大的影响，而整个发动机必须在真空下工作，因而给推力的直接测量带来很大困难。

针对发动机微小推力的测量，根据推力性质的不同，国外采用了不同方法和推力架进行了测量，其结构包括目标靶、弹性元件、天平、悬摆和光学测量系统等，但测量架均含有非弹性部分，测量精度只能通过多次实验测量的方法得到，或测量系统复杂，许多重要细节均不公开报道。

就国内而言，北航研制出的名称为《一种适用于空间微小推力发动机的推力测量系统》已经获得发明专利，专利号为ZL 2006 1 0089041.8。这种推力测量系统采用叉簧支撑来消除摩擦，采用各种弹性元件来消除干扰，但是只能测量毫牛级推力。这种系统方案无法满足更进一步的对微牛级发动机推力的测量。

清华大学采用电子天平的方法测量发动机工作的小推力，(陈黎明，赵文华，刘岩松。低功率电弧加热发动机的实验研究。Vol.10，No.2，2002)，属于非弹性支撑和连接。

中科院空间中心采用扭摆测量了小推力，(吴汉基，冯学章，等。氮氢混合气电弧加热发动机的性能试验，中国空间科学技术，2002年，第4期)，但未采用弹性连接和电磁控制。

本发明装置以悬挂的薄片弹性元件(弹簧片)作为敏感元件，使系统符合虎克定律，将μN级推力施加到薄片弹性元件上，通过弹性元件末端位移量的转换，最终测量出发动机稳态微小推力。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种弹性微牛级小推力测量系统，针对目前国内微牛级推力测量装置的问题，主要是支撑元件和附件连接影响微小推力的准确测量和微小推力的标定问题，而采用以弹簧片作为关键弹性敏感元件，通过位移量的转换和静电力标定的方法，较精确地测量出微小推力发动机稳态微小推力，推力测量范围为0～500μN。

本发明一种弹性微牛级小推力测量系统，其技术方案如下：

1、测量原理

弹性元件受力会变形，发生一定角度的偏转。在弹性元件的弹性形变范围内，变形程度将与它所受力的大小对应。我们的测量方案利用的就是敏感弹性元件的这种弹性形变的可重复性。已知的标定力会让弹性元件发生偏转，偏转的程度由位移传感器读取，将每个已知力对应的偏转位移记录下来，通过各标定点，可以绘制“力-位移”标定曲线；当实际测量时，推力器的作用导致同样的弹性元件发生偏转，参照之前得到的标定曲线，根据实际测量的偏转位移大小，就能得到要测量的推力。

以上所谓的已知力是指，两标定电极间加电压产生的相互作用力。这个力可以由极板大小，电压差和极板间距离计算，也可以采用直接的方法测量。再用这个静电力来标定推力测量系统，得到一组弹簧片位移和作用力之间的关系曲线。这个曲线即为标定曲线。在实际测量过程中，只需读出推力器的实时推力造成的弹簧片的位移变化。根据标定曲线即可以得到推力测量结果。测量原理如图1所示。

2、具体机械结构

本发明是一种弹性微牛级小推力测量系统，其具体包括：推力架框架、测量主体、推力器供给系统。

所述的推力架框架由10号角钢焊接而成，整体喷塑；框架上底面相对边打两对位置对称的孔；框架下底面，在一条边的中点及其对边中心线两侧安装3个调整支架，用于调节框架的水平姿态。

所述的测量主体包括：主梁、横向移动座、纵向移动座、弹簧片、推力器、位移传感器、标定电极、传感器座、电极座、推力器、绝缘板等。

主梁为一整体成开口向下的F型，两边安装在推力架框架上，梁厚度较大，保证了整个下部推力测量主体的稳定。横向移动座，上端为槽形并安装在主梁较长的分支上，装配螺纹孔成横向放置的长方形，用于调节横向移动。纵向移动座装配在横向移动座下方，装配螺纹孔成纵向放置的长方形，用于调节纵向移动。传感器座横向安装在纵向移动座上半部，由调节螺杆和锁紧螺母构成，调节水平方向的伸缩。

位移传感器安装在传感器座前端。电极座同样由调节螺杆和锁紧螺母构成，安装在纵向移动座下半部，材料也是硬铝，电极座调节水平方向的伸缩。标定电极负极安装在电极座前端，标定电极负极与电极座绝缘连接。