欒希亭，張晰哲，韓先偉，陳祖奎，毛根旺

(1.西北工業(yè)大學(xué)，西安 710072;2.西安航天動(dòng)力研究所，西安 710100)

0 引言

自由分子流微電阻加熱推力器(FMMR)是一種基于MEMS技術(shù)的新型電熱式推力器，其原理是利用薄膜電阻發(fā)熱，推進(jìn)劑分子通過(guò)與燃燒室壁面的碰撞獲得能量，然后由膨脹槽噴出，從而產(chǎn)生推力。FMMR微推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高，在空間任務(wù)中具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。但FMMR推力器產(chǎn)生的推力只有幾mN，如何準(zhǔn)確獲得其推力一直是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

常用推力測(cè)量裝置都是將推力器固定在試車架上，通過(guò)測(cè)量推力器工作而引起的試車架形變來(lái)獲取推力器的推力。由于推力較大，系統(tǒng)內(nèi)各種供氣、供液管路及供電線路對(duì)形變產(chǎn)生的約束都可忽略不計(jì)。但對(duì)于微推進(jìn)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這些管路和線路產(chǎn)生的影響是可以與其推力相比擬的，若不設(shè)法消除這些影響，就無(wú)法準(zhǔn)確獲得推力;另外，在地球的重力場(chǎng)中，微推進(jìn)系統(tǒng)的自重遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其產(chǎn)生的推力。因此，在重力場(chǎng)中進(jìn)行微小推力測(cè)量必須消除推力器自重對(duì)推力測(cè)量的影響。總的來(lái)說(shuō)，微小推力測(cè)量需要解決以下幾個(gè)問(wèn)題:微推力器自重與推力的分離;微推力器供電系統(tǒng)對(duì)推力測(cè)量的影響;微推力器推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)對(duì)推力測(cè)量的影響[2]。

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)天平式的微推力測(cè)量裝置，為提高其測(cè)量精度，就如何消除推進(jìn)系統(tǒng)自重和供電線路對(duì)推力測(cè)量的影響進(jìn)行研究。

1 系統(tǒng)組成

1.1 方案選擇

微小推力的測(cè)量原理多種多樣，但大多是使用剛性支架支撐推力器，或是將推力器懸掛，并使其推力方向與重力方向垂直，從而消除推力器自重對(duì)推力的影響;再采取一定的方法盡量降低供電線路和供氣管路對(duì)推力器的非剛性約束;最后利用力/力矩，或位移傳感器測(cè)量微小推力引起的變化從而測(cè)得推力大小。

微推力測(cè)試實(shí)際上是基于微推力臺(tái)架進(jìn)行的測(cè)試，其實(shí)質(zhì)是通過(guò)測(cè)量在微推力作用下推力臺(tái)架的響應(yīng)，如振動(dòng)幅度(位移)，間接測(cè)量推力或脈沖量。對(duì)于一個(gè)給定的微推力器，測(cè)試量主要是單脈沖沖量、總沖量和平均推力。本文采用天平式結(jié)構(gòu)測(cè)量FMMR微推進(jìn)系統(tǒng)的平均推力，通過(guò)標(biāo)定靜態(tài)推力與支架位移之間的關(guān)系，用測(cè)量出的位移量計(jì)算平均推力。

在整個(gè)微小推力測(cè)量裝置設(shè)計(jì)中，推力器推力與自重的分離是一個(gè)難點(diǎn)，目前大部分天平式的小推力測(cè)量裝置利用隨遇平衡原理，即通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將整個(gè)裝置的質(zhì)心落在天平的支點(diǎn)上，從而消除推力器自重[3]。這種方式的測(cè)量精度高，但裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy，且成本較高。本文采用系統(tǒng)配重方法，保持天平兩端的質(zhì)量基本相等，然后根據(jù)天平的傾角，利用計(jì)算方法消除重力對(duì)推力測(cè)量的影響。

針對(duì)推力器的供電，提出了3種解決方案:電磁線圈無(wú)線供電，系統(tǒng)內(nèi)集成電池，觸點(diǎn)式外接供電線路。電磁線圈無(wú)線供電的作用距離較短，必須將其與推力測(cè)量裝置集成，但因其質(zhì)量較大，集成后會(huì)影響裝置的調(diào)平，增加調(diào)試難度。系統(tǒng)內(nèi)部集成電池的方案存在同樣的問(wèn)題，體積小的電池功率無(wú)法滿足系統(tǒng)要求，功率足夠的電池卻具有較大的體積和質(zhì)量。最終將推力器的供電方案確定為觸點(diǎn)式外接供電線路形式。

圖1是供電線路接入的結(jié)構(gòu)示意圖。圖1中粗實(shí)線為電流通路，與天平橫梁絕緣，A點(diǎn)為天平中刀與橫梁接觸線的端點(diǎn)，B為天平橫梁，C為外部供電線路的端部，D為與天平上的電路導(dǎo)通的金屬?gòu)椘?。為了盡量減小對(duì)推力測(cè)量的影響，供電線路C與金屬?gòu)椘珼的接觸點(diǎn)處于天平中刀與橫梁接觸線通過(guò)點(diǎn)A向外的延長(zhǎng)線上，此時(shí)若天平在微推力器推力作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)，則由供電線路接入產(chǎn)生的摩擦力對(duì)天平橫梁B的作用力矩為零。另外，針尖對(duì)彈片的結(jié)構(gòu)形式也在保證可靠接觸的同時(shí)，將接觸點(diǎn)的摩擦力控制在最小。

為確定供電接入形式對(duì)天平受力后動(dòng)作的影響，利用標(biāo)準(zhǔn)砝碼對(duì)供電接入前后天平的動(dòng)作進(jìn)行標(biāo)定。取總質(zhì)量分別為 0.3、0.6、0.9、1.2、1.5 g 的標(biāo)準(zhǔn)砝碼組合，每個(gè)質(zhì)量點(diǎn)測(cè)量10組位移數(shù)據(jù)，取最大值、最小值和平均值列于表1中。由表1可看出，供電線路接入前測(cè)量到的天平位移略大于理論計(jì)算值，而供電線路接入后測(cè)量到的天平位移略小于理論計(jì)算值，這表明供電線路接入點(diǎn)產(chǎn)生的摩擦力對(duì)天平橫梁的動(dòng)作產(chǎn)生了一定的阻礙。但觀察到測(cè)量數(shù)據(jù)極值與平均值的誤差不超過(guò)±3%，數(shù)據(jù)具有較好的重復(fù)性，可用于計(jì)算微推力器的推力，證明上述的供電線路接入結(jié)構(gòu)能夠應(yīng)用于微推力測(cè)量裝置。

圖2為使用標(biāo)準(zhǔn)砝碼進(jìn)行標(biāo)定時(shí)，天平的理論計(jì)算位移量與供電線路接入前后傳感器測(cè)量到的位移量的曲線。從圖2可看出，砝碼質(zhì)量越大，測(cè)量位移與理論位移的差值也越大，但3組數(shù)據(jù)都具有較好的線性。分析認(rèn)為測(cè)量位移與理論位移之間產(chǎn)生誤差的原因:(1)彈簧的實(shí)際剛度略小于設(shè)計(jì)剛度;(2)供電線路接入點(diǎn)的摩擦力阻礙了天平在砝碼作用力下的動(dòng)作。

圖1 供電線路接入結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schem atic of supp lying electric circuit

表1 供電線路接入前后測(cè)量的天平位移Table 1 Displacement before and after connectingthe power supp ly w ire

圖2 供電線路接入前后標(biāo)定曲線Fig.2 Calibration curves before and after connecting the power supply w ire

為了消除推進(jìn)劑供應(yīng)管路對(duì)推力測(cè)量的影響，將整個(gè)微推進(jìn)系統(tǒng)集成后整體進(jìn)行推力測(cè)量。集成后的系統(tǒng)包括:推進(jìn)劑貯箱、推進(jìn)劑供應(yīng)管路、閥門與推力器等。推進(jìn)劑管路與天平裝置沒(méi)有任何形式的接觸，完全消除了推進(jìn)劑供應(yīng)管路對(duì)推力測(cè)量的影響。圖3為FMMR微推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成。

圖3 FMMR微推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成Fig.3 Component of FMMR m icro propulsion system

1.2 系統(tǒng)組成

按照微推力測(cè)試裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分，并按照模塊化的設(shè)計(jì)原則，整個(gè)裝置可分為3個(gè)子系統(tǒng):FMMR微推進(jìn)子系統(tǒng)，微小推力測(cè)試臺(tái)架測(cè)控子系統(tǒng)，測(cè)力天平子系統(tǒng)。

1.2.1 FMMR 微推進(jìn)子系統(tǒng)

FMMR微推進(jìn)系統(tǒng)由3個(gè)主要部分組成:推進(jìn)劑貯存組件、流體控制組件和FMMR推力器[4]。作為地面測(cè)試系統(tǒng)中的一個(gè)子系統(tǒng)，F(xiàn)MMR微推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的模塊，這樣一方面便于地面測(cè)試過(guò)程中的安裝，另一方面在某種程度上可仿真在軌運(yùn)行時(shí)的工作狀態(tài)。除了微推力器、推進(jìn)劑貯存組件和流體控制組件，F(xiàn)MMR微推進(jìn)子系統(tǒng)還包括熱電偶、溫度傳感器、電阻加熱器等，其作用是保持推進(jìn)劑供應(yīng)及推力器工作狀態(tài)的穩(wěn)定，以確保微推進(jìn)系統(tǒng)能夠輸出穩(wěn)定的推力。此外，微推進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)還包括一塊控制電路，以完成系統(tǒng)供電、控制、信號(hào)采集等工作。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)使用無(wú)線方式傳送測(cè)量信號(hào)，避免外接電纜對(duì)測(cè)試的影響，大幅提高了測(cè)量精度。

1.2.2 微小推力測(cè)試臺(tái)架測(cè)控子系統(tǒng)

微小推力測(cè)試臺(tái)架測(cè)控子系統(tǒng)的框圖如圖4所示，測(cè)控子系統(tǒng)包含4個(gè)部分:

(1)微推進(jìn)器控制模塊:負(fù)責(zé)推力器的啟動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)、停止和穩(wěn)定工況的控制;

(2)參數(shù)測(cè)量模塊:負(fù)責(zé)整個(gè)測(cè)試過(guò)程中的工作參數(shù)測(cè)量、測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸、試驗(yàn)流程控制、故障檢測(cè);

(3)測(cè)試系統(tǒng)的集成控制系統(tǒng)和操作接口:實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)操作、過(guò)程控制和數(shù)據(jù)處理顯示，為FMMR的性能評(píng)估和工作特性分析提供信息;

(4)測(cè)試數(shù)據(jù)處理模塊:負(fù)責(zé)測(cè)量數(shù)據(jù)的采集、存貯、處理;試驗(yàn)結(jié)果分析、輸出等。

為了保證測(cè)控子系統(tǒng)的先進(jìn)性、準(zhǔn)確性、可靠性和可維護(hù)性，硬件電路采用模塊化設(shè)計(jì)，利用專門設(shè)計(jì)的通信協(xié)議將各個(gè)模塊相互連接，組成測(cè)控子系統(tǒng)?？筛鶕?jù)測(cè)量參數(shù)的要求，通過(guò)增減測(cè)量節(jié)點(diǎn)的數(shù)目和不同模塊，滿足不同測(cè)量任務(wù)需求。

圖4 測(cè)控子系統(tǒng)框圖Fig.4 Schematic ofmeasuring and controlling system

1.2.3 測(cè)力天平子系統(tǒng)

推力測(cè)量裝置由天平、彈簧、標(biāo)定砝碼、電磁阻尼器、配重質(zhì)量、位移傳感器以及被測(cè)裝置組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。安裝好待測(cè)系統(tǒng)后，首先調(diào)整配重質(zhì)量的位置使系統(tǒng)平衡，然后用砝碼對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。改變砝碼的質(zhì)量，獲得位移與砝碼質(zhì)量的關(guān)系曲線。去除標(biāo)定砝碼，使待測(cè)裝置開(kāi)始工作，待測(cè)裝置產(chǎn)生的推力使天平橫梁旋轉(zhuǎn)，傳感器可記錄到一個(gè)位移量，將此位移量與先前獲得的曲線相對(duì)比，找出其對(duì)應(yīng)的砝碼質(zhì)量，則此砝碼質(zhì)量產(chǎn)生的力矩，即為待測(cè)系統(tǒng)的推力產(chǎn)生的力矩，由此即可求出待測(cè)系統(tǒng)的推力。

標(biāo)定砝碼與待測(cè)系統(tǒng)的推力都會(huì)使天平失衡，所以在天平橫梁下方設(shè)置了彈簧，其作用是產(chǎn)生與標(biāo)定力或待測(cè)力相平衡的力，以保證天平在旋轉(zhuǎn)一定角度后仍可達(dá)到平衡狀態(tài)。而電磁阻尼器的作用是在天平橫梁上下擺動(dòng)時(shí)，迅速消耗掉多余的能量，使天平可盡快達(dá)到平衡。此處選用的位移傳感器為非接觸電容式位移傳感器，對(duì)系統(tǒng)本身的動(dòng)作不會(huì)產(chǎn)生任何約束和影響，其分辨率可達(dá)0.3μm。

圖5 微推力測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic ofm icro thrustmeasuring stand

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

FMMR推力器的計(jì)算推力約為2 mN，換算成質(zhì)量約為0.2 g，為了減小測(cè)量環(huán)境中雜質(zhì)的影響，希望使用質(zhì)量較大的砝碼進(jìn)行標(biāo)定。為此，將標(biāo)定砝碼的作用力臂與微推進(jìn)系統(tǒng)推力的作用力臂設(shè)計(jì)為1∶5的比例，即用相當(dāng)于5倍推力質(zhì)量的砝碼進(jìn)行標(biāo)定，提高了測(cè)量精度。

為了避免環(huán)境氣流擾動(dòng)對(duì)推力測(cè)量的影響，必須將整個(gè)測(cè)量裝置放入密閉環(huán)境中，裝置的體積不能太大，綜合考慮各組件安裝所必需的空間，將天平的長(zhǎng)度確定為600 mm左右，所以取待測(cè)推力的作用力臂為300 mm，標(biāo)定砝碼的作用力臂為60 mm。

與待測(cè)力相平衡的力由彈簧的形變產(chǎn)生，為了在相同推力作用下獲得較大位移量，希望彈簧剛度盡量小，但過(guò)小的彈簧剛度可能導(dǎo)致天平橫梁偏轉(zhuǎn)過(guò)大，與天平支架相接觸。綜合考慮彈簧的材料、制作工藝，安裝空間及天平結(jié)構(gòu)等因素后，取彈簧的設(shè)計(jì)剛度K=0.3 N/mm;同時(shí)，基于盡量在傳感器處獲得更大位移量的考慮，彈簧的作用力臂應(yīng)短一些，所以將彈簧的作用力臂設(shè)計(jì)為30 mm。此時(shí)，若標(biāo)定砝碼的質(zhì)量為1 g，則彈簧受到的壓力F=19.6 mN，可由式(1):

求得彈簧的形變l=65.3μm。

為了使位移傳感器測(cè)量得到的位移量更大，將傳感器探頭與天平支點(diǎn)的距離設(shè)為270 mm，則傳感器測(cè)量到的位移為

式中L為彈簧的作用力臂，L=30 mm;L'為傳感器探頭與天平支點(diǎn)的距離，L'=270 mm;l'為傳感器測(cè)量到的位移，μm。

根據(jù)式(1)和式(2)可求得，當(dāng)待測(cè)推力在1～3 mN之間變化時(shí)，傳感器測(cè)量到的對(duì)應(yīng)位移為300～900μm，并且此位移隨推力大小呈線性變化。

如果希望測(cè)量結(jié)果具有更高的精度，可根據(jù)測(cè)量到的位移量l'計(jì)算出天平橫梁的傾角α，再通過(guò)α求出系統(tǒng)質(zhì)量對(duì)l'的影響，消除此影響后即可獲得更精確的推力值。不過(guò)，在實(shí)際測(cè)試中，由于天平橫梁的傾角很小，該影響可忽略不計(jì)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

已知水推進(jìn)劑的FMMR推力器比沖為70 s，根據(jù)推進(jìn)劑質(zhì)量流量可求出推力器的理論推力[5]。

改變FMMR系統(tǒng)的工作參數(shù)，對(duì)不同工況下的推力進(jìn)行測(cè)量。取推進(jìn)劑流量分別為 1.32、2.11、3.05 mg/s，每個(gè)流量點(diǎn)測(cè)量20組數(shù)據(jù)，結(jié)果列于表2。由表2可看出，實(shí)測(cè)推力比理論計(jì)算推力略大，這可能是受天平橫梁重心偏移的影響。按高斯分布計(jì)算測(cè)量誤差，得到3倍均方根誤差為0.076，則微推力測(cè)量裝置的總精度約為±8%。

圖6為不同流量下推力測(cè)量數(shù)據(jù)的分布情況，圖中的直線顯示了各個(gè)流量下的平均測(cè)量推力。由圖6可看出，測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)基本均勻分布在平均值上下，并無(wú)誤差過(guò)大的數(shù)據(jù)點(diǎn)產(chǎn)生。

表2 FMMR微推進(jìn)系統(tǒng)推力測(cè)量結(jié)果Table 2 Experimental results ofm icro thrustmeasuring stand

圖6 不同流量下的推力測(cè)量結(jié)果Fig.6 Testing curves of variousmass flow

4 結(jié)束語(yǔ)

為了系統(tǒng)研究FMMR微推進(jìn)系統(tǒng)的性能，設(shè)計(jì)了一個(gè)天平式的微推力測(cè)量裝置，該裝置利用配平質(zhì)量和特殊的供電接入等方式消除了推進(jìn)系統(tǒng)自重和供電線路對(duì)推力測(cè)量的影響;采用不等臂的天平結(jié)構(gòu)有效放大了待測(cè)推力導(dǎo)致的位移，提高了測(cè)量精度。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便，并且適用于各種集成化的微推進(jìn)系統(tǒng)。試驗(yàn)表明，該裝置的測(cè)量精度可達(dá)±8%，測(cè)量結(jié)果具有一定的參考價(jià)值。

[1] Lee R H，Bauer A M，Killingsworth M D，et al.Performance characterization of the freemoleculemicro-resistojet utilizing water propellant[C]//43rd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference ＆ Exhibit.AIAA，2007，5-6.

[2] 唐飛，葉雄英，周兆英.一種基于間接標(biāo)靶法的微小推力測(cè)量技術(shù)[J].微納電子技術(shù)，2003，7/8:438-439.

[3] 趙寶瑞，李晶，蔣金偉.微小推力自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)研究[J].宇航計(jì)測(cè)技術(shù)，2000，20(4):32-34.

[4] 張晰哲，韓先偉，等.基于水推進(jìn)劑自由分子流微型電阻加熱推力器的微推進(jìn)系統(tǒng)[C]//第五屆中國(guó)電推進(jìn)技術(shù)學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.大連:大連理工大學(xué)，2009:69-70.

[5] 韓先偉，唐周強(qiáng)，等.自由分子流微電熱推力器工作特性和性能研究[J].固體火箭技術(shù)，2005，28(2):83-90.