[发明专利]一种具有圆柱形靶的微小推力测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及空间微小推力推力器领域，具体来说，是一种具有圆柱形靶的微小推力测量装置。

背景技术

随着电推进技术的发展，越来越多的电推力器被设计出来，但是很多电推力器的推力都是mN级的，常规推力测量的方法难以对这么微小的推力进行精确测量。而推力又是推力器的一个非常重要的参数，如果无法确定推力，推力器的一些重要的性能参数，例如比冲也将无法确定，这会为推力器的实际应用带来很大麻烦。

据现有资料来看，国内清华大学研制过针对微喷管装置的标靶法推力测量装置，该装置中靶的安装方式为悬挂式，测量时把靶视为单摆的质点。使用单摆模型的前提是靶的悬挂装置的长度相对靶面的特征长度来说要足够大，所以这种测量装置需要较大的空间，而且悬挂安装的靶必然存在一个转轴，转轴处的滑动摩擦力对测量结果会有一定的影响。并且这种测量装置针对的推力器是一种微型的冷气推力器，喷出的燃气是氮气，温度较低，而附加场等离子体推力器喷出的是高温的羽流，工况十分恶劣。另外该系统中用于位移测量的传感器是电涡流位移传感器，这种传感器难以在附加场等离子体推力器羽流的强电磁环境中正常工作。在国外已经有了针对离子推力器的投靶法推力测量装置，但是国外的投靶法测量装置在测量靶的位移时用激光反射的方法，这种方法容易受到发动机发出的强光的干扰。而且该系统中靶和位移测量装置是分开的，每次移动靶的位置都需要重新标定推力架。所以这些装置都不适合附加场等离子体推力器的推力测量。

且在投靶法推力测量装置中，推力器功率通常比较大，其结果就是发动机羽流的热释放量非常大，所以弹性梁受到的热辐射量很大。如果不对其进行热防护，梁的温度会升高很快，其结果就是梁的弹性系数会发生明显改变，测量结果就会产生很大的误差。另外位移测量装置对工作温度也有要求，超过一定温度之后就无法正常工作了。所以弹性梁和位移测量装置都属于对温度要求较高的元件，需要对其进行热防护，以保证其能够正常工作。

上述投靶法的原理是利用一个靶面接受发动机羽流的撞击，靶和一个弹性元件固定在一起，靶的移动距离和受到的力是线性关系。测量前利用砝码对线性元件进行标定，即可确定靶的位移与受力之间的关系。实际测量时只需要测量靶在羽流作用下发生的位移即可根据标定的结果推算出靶的受力情况。为了是测量结果更加可靠，弹性元件需要具有较好的线性度，同时靶作为投靶法微小推力测量系统的一个关键部件，需要足够的刚度和面积，以便接收尽可能多的羽流，同时在被羽流撞击时不至于发生明显变形而影响了测量。普通的靶多是平面型的靶，结构简单，安装方便。但是羽流撞击到平面型的靶之后会反弹，对发动机的羽流场会有影响，可能会使发动机的性能参数发生改变。

发明内容

针对上述问题，本发明专门针对附加场等离子体推力器，设计一种具有圆柱形靶的微小推力测量装置，且具有热防护系统保证其中弹性元件—弹性梁，以及位移传感器的正常工作；同时，还对传统平面型靶进行改进，可减小靶对发动机羽流场的影响，减小了羽流撞击了靶之后方向分布的不确定性，使测量结果更精确。

一种具有圆柱形靶的微小推力测量装置，包括靶系统、位移传感器系统、靶安装块与热防护系统；其中，靶系统包括靶、弹性梁与垂直角铝；位移传感器系统包括位移传感器、传感器安装杆。

所述靶系统中，垂直角铝为由横板与纵板构成的截面为L型铝件；横板与靶安装块的下表面贴合，横板端面通过靶安装块上设计的定位台阶实现前后方向上的定位；纵板的外侧面上开有竖直定位凹槽；弹性梁与定位凹槽配合设置在定位凹槽中，实现弹性梁的定位固定；并使弹性梁顶端顶住靶安装块底面；弹性梁底端安装有靶。靶采用圆柱形结构，包括靶体、靶口、靶底；其中，靶体为垫片与环形透气片交替层叠设置的圆柱筒状结构；每组垫片至少为3个，周向均布，使两相邻透气片间形成空隙。靶体前端与后端分别安装有靶口与靶底；靶口为具有锥形截面的筒状结构，同轴设置在靶体内部前端。靶底采用底面为开口的空心圆锥体结构；靶底同轴设置在靶体内部；

所述位移传感器系统中，传感器安装杆竖直设置，顶端与靶安装块底面固定。传感器安装杆底端通过传感器安装板安装有位移传感器，使位移传感器的测量端正对弹性梁中部。

所述热防护系统包括陶瓷管、陶瓷管连接套与传感器保护罩；陶瓷管设计为上部陶瓷管与下部陶瓷管两段；上部陶瓷管与下部陶瓷管直径相等，均大于弹性梁直径；上部陶瓷管、下部陶瓷管与连接套均套在弹性梁上；上部陶瓷管顶端与靶安装块固定；上部陶瓷管底端与下部陶瓷管顶端分别配合插入陶瓷管连接套两端固定；陶瓷管连接套中部开口，形成光路。