[发明专利]一种高承载低损耗惯量式超导磁悬浮微小力测量装置

说明书

本发明公开了一种高承载低损耗惯量式超导磁悬浮微小力测量装置，包括制冷机、冷屏、样本架、超导阵列、转接法兰、安装平台、支架、真空罩、永磁浮台、转速传感器、阻尼器和电磁轴承；真空罩为制冷机提供必要的真空工作条件，两级GM制冷机对超导阵列进行冷却，使其温度远低于临界温度，大大提高其超导性能从而提高悬浮稳定性；采用电磁轴承进行卸载，超导轴承提供水平约束力，维持悬浮稳定；测量时，整个被测推力系统处于悬浮支撑状态，彻底消除了推力器自重、推进剂及电力供应过程中的内力干扰，实现了微小力的精确测量。

技术领域

本发明涉及微小力测量和高温超导磁悬浮领域，具体是一种高承载低损耗惯量式超导磁悬浮微小力测量装置。

背景技术

近年来，微小卫星技术发展迅速，使其在不同领域不断实现各类技术验证和创新应用，微推力器作为保障微小卫星高精度控制的主要部件也在不断发展。微推力器的地面推力测量是其研发过程中最为关键的一环，微小力的精确测量可以为其设计改进、参数选择和性能评估提供必要的参考数据。然而，微推力器的地面推力测量技术比较复杂，微推力器的气路、电路连接方式、电磁扰动容易对推力测量造成干扰。此外，微推力器自重远远大于其推力，因此测量过程中需要平衡重力进而提高系统灵敏度。

目前，微推力测量系统所采用的基本动力学构型主要包括单摆型、垂摆型和扭摆型。单摆型的结构最为简单而且最为稳定，但其灵敏度一般低于其他类型，要想提高其灵敏度只有通过延长力臂的方法，而这一点对于较小的测量空间(如真空舱)来说很难实现。与单摆式推力台架不同，垂摆式推力架可以利用推力器的重量来放大推力造成的位移，由此可以提高灵敏度，但其稳定性也随之变差，因此这种推力架通常用于空间有限但对灵敏度要求很高的测量环境。扭摆式推力测量台架的最大优势在于其恢复力完全独立于推力器的重力，因此很少受到重力干扰。

高温超导体在超导态时具有抗磁性和磁通钉扎特性，可与永磁体之间产生稳定的悬浮力，利用这种特性可以制造一种非接触、低摩擦、无源自稳定的新型高性能磁轴承，在飞轮、动量轮等旋转机械领域具有广阔的应用前景。将高温超导磁悬浮技术应用于微小力测量，设计一种基于超导和电磁混合轴承的微小推力测量系统，采用电磁轴承卸载、超导轴承提供稳定，在满足稳定悬浮的同时提高悬浮力，大大减少了超导材料的使用从而节约成本。使微推力器处于悬浮支撑状态，实现一种既可测量稳态推力又可评估微推力器冲量作用的微小力测量方法，彻底消除了微推力器自重、推进剂及电力供应过程中产生的内力干扰，大大提高微推力器推力的地面测试水平。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种高承载低损耗惯量式超导磁悬浮微小力测量装置，其损耗低，摩擦系数低于10^-5；承载能力强，可满足20kg有效载荷；无源自稳定悬浮，无需任何悬浮控制系统；可以实现0～100mN的推力精确测量。

所述的测量装置包括制冷机、冷屏、样本架、超导阵列、转接法兰、安装平台、支架、真空罩、永磁浮台、转速传感器、阻尼器和电磁轴承。

制冷机位于测量装置下部，包括上下两级冷头，其边缘处各自均匀设有一圈螺纹通孔，用于安装冷屏及样本架；一级冷头的制冷温度为45K，用于冷屏的持续冷却；二级冷头的制冷温度为4.2K，用于样本架及超导阵列的持续冷却；制冷机底部设有圆形法兰盘，可通过螺钉与转接法兰固定连接。

冷屏为柱状圆筒，通过螺钉固定在一级冷头上，用于屏蔽热辐射；样本架外形为圆柱体，包括上下两部分，上半部有方形槽，用于放置超导阵列；下半部设有沉孔，可通过螺钉与二级冷头固定连接。

超导阵列采用六方YBCO高温超导块材，水平放置于样本架方形槽内，通过氧化铝盖板压紧，避免其上下振动。

转接法兰为柱状圆盘，通过螺钉与制冷机法兰盘、真空罩及安装平台固定连接。

真空罩为柱状圆筒，内外层之间设有真空夹层，可大幅度提高保温能力；底部为法兰圆盘，通过螺钉与转接法兰固定连接，真空罩、转接法兰、制冷机冷头、超导阵列均保持同轴。