龔景松，侯凌云，趙文華

（清華大學航天航空學院，北京100084）

0 引 言

空間技術(shù)的發(fā)展對應用于衛(wèi)星等航天器的推進技術(shù)的要求越來越高[1]，對發(fā)動機工作參數(shù)的測試要求越來越細致、準確和全面。當發(fā)動機執(zhí)行微小衛(wèi)星的姿態(tài)控制任務時，要求發(fā)動機提供的推力只有幾個毫牛到幾百毫牛甚至到微牛量級[2-3]，且工作時間很短，基本在脈沖工況下工作。對這些小推力發(fā)動機而言，由于推力小、推進劑流量小以及要求測量瞬態(tài)參數(shù)，一直是推進系統(tǒng)地面實驗的關(guān)鍵技術(shù)之一。

發(fā)動機瞬態(tài)力測量的研究在近年來受到廣泛重視，孫寶元等[4]開展了20 N推力的動態(tài)測量實驗裝置的開發(fā)和建模分析驗證；董洪強等[5]設計了一種100N情況下的推力測量裝置；歐陽華兵等[6]采用動態(tài)數(shù)字濾波補償技術(shù)對某小型姿控固體火箭發(fā)動機瞬態(tài)推力進行測量，改善了測量系統(tǒng)的動態(tài)響應特性；或者采用自適應濾波技術(shù)對信號進行處理[7]等。從這些研究中可以看出，動態(tài)力的測量對響應時間要求高，且無統(tǒng)一的標定標準，因此存在較大挑戰(zhàn)，特別當發(fā)動機的推力小到幾百毫牛時，其動態(tài)測量就變得更加艱難。因此，深入研究測量系統(tǒng)動態(tài)微小推力測量特性及提高推力測量精度在微小發(fā)動機的測試相關(guān)研究中是非常重要的。

本文的研究任務是根據(jù)微小推力測量裝置推力測量特點，尋找能夠簡單加載動態(tài)推力的方法及其標定裝置，并對前期開發(fā)的測量裝置進行動態(tài)特性測試。

1 實驗系統(tǒng)

在前期的研究中，設計了一套用于測量發(fā)動機微小推力的推力測量系統(tǒng)，并對其穩(wěn)態(tài)測量特性進行了系統(tǒng)的研究，在400 mN的量程范圍內(nèi)，系統(tǒng)的標定誤差小于±1%FS，并具有良好的穩(wěn)定性和重復性。

在穩(wěn)態(tài)測量的基礎上，還需要進一步對其動態(tài)響應特性進行研究。綜合分析可以看出，目前在動態(tài)加載方面最常用的主要有兩種方法：負階躍力響應法和沖擊力響應法[6]。負階躍力響應法的特點是先加載一定的力于測量系統(tǒng)，然后突然將此力卸載，則測量系統(tǒng)受到一個負的階躍力作用，卸載的方法包括如采用剪刀、脆性材料斷裂、激波管等[8]，其關(guān)鍵在于必須在極短的時間內(nèi)突然卸載，否則就不能獲得理想的階躍力。沖擊力響應法是采用力錘激勵推力測量系統(tǒng)的一種方法，其關(guān)鍵在于如何控制沖擊力的大小及幅度，其缺點是力的大小不易控制。當力的范圍達到毫牛級別時，常規(guī)的方法都很難直接用來進行測量系統(tǒng)的標定，必須在上述方法的基礎上針對微小力的特點選擇適合的標定加載方法。

本文對上述兩種方法都進行了試驗，最終選擇了電磁加載方式下的負階躍力的加載模式，得到了良好的試驗結(jié)果。

所搭建的試驗系統(tǒng)如圖1所示，主要包括底座、橫梁、刀口、配重、推進劑管路及導線、發(fā)動機及其控制系統(tǒng)和信號處理單元。在試驗過程中，還需要根據(jù)不同的加載方法將加載小球或電磁線圈加載到橫梁上。

圖1 測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖及加載方式

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 小球下落的加載方法

讓小球從一定高度下落到測量系統(tǒng)的橫梁上（類似于力錘的加載），通過對試驗系統(tǒng)的設計，保證了小球下落到橫梁上時的速度很小，利用測試軟件將力的變化采集存儲下來，得到的典型信號曲線如圖2所示。曲線的形狀和變化過程符合一般力學規(guī)律，同時可以通過對系統(tǒng)的建模分析出系統(tǒng)的特性參數(shù)，從而獲得系統(tǒng)的連續(xù)傳遞函數(shù)及其頻率特性。但是對于實際的一個測量系統(tǒng)，有很多參數(shù)無法準確給出，從而會對測量系統(tǒng)的特性參數(shù)產(chǎn)生一定的影響。另外，從上面的加載中還可以看出，當小球下落的時候，由于小球與橫梁之間總會存在距離，導致小球下落到橫梁時與橫梁發(fā)生碰撞，存在一個沖擊力，此沖擊力與小球和橫梁之間的距離有關(guān)系。當測量的力的數(shù)值較大時，可以采用此種方法進行標定；但是當力的數(shù)值較小時，此沖擊的相對值將會變得很大，無法直接從曲線看出系統(tǒng)的響應時間。

圖2 小球下落到橫梁上得到的力隨時間的變化圖

2.2 小球加載的負階躍力響應

為了消除上面的小球下落與橫梁的沖擊，把小球用細線懸掛在橫梁上，如圖1所示。所使用的小球質(zhì)量為20.0 g，經(jīng)過力臂折算后的等效質(zhì)量為26.9g，重量為263.6mN。當小球穩(wěn)定后，使用剪刀將其剪斷，同時記錄傳感器的信號輸出，得到的曲線如圖3所示。從試驗曲線看，測量系統(tǒng)給出的力的大小為262mN，與小球的等效重量吻合，同時其重復性良好。但是從曲線中也可以看出，當剪斷細線的瞬間，剪刀與細線之間的力傳給了測量系統(tǒng)，導致最初的一個力的增加，但是此力很快就消失了，同時剪刀對細線的力是隨機的，很難保證一致，這可以認為是操作因素造成的信號變化。

2.3 電磁力加載的負階躍力響應

為了消除上面的加載中操作因素的影響，采用了電磁力的加載方式，從而避免了運動部件或操作因素帶來的干擾。

圖3 小球被剪斷得到的信號隨時間的變化圖

首先研究了電磁加載方式的時間響應情況。傳感器采用響應頻率可以達到40 kHz的石英式壓電傳感器（由PCB公司生產(chǎn)），將鐵芯棒直接固定在壓電傳感器上，線圈套在鐵芯上，不讓鐵芯和線圈接觸，采用直流精密整流電源給線圈供電，通過開關(guān)給線圈通電和斷電，傳感器的信號經(jīng)過信號調(diào)制后用示波器記錄電壓變化情況。結(jié)果表明，電磁線圈加載方式下的響應時間小于5 ms，由于傳感器的響應時間比5ms小很多，所以這個時間就是電磁加載的響應時間，利用此力源給測量裝置進行加載。

試驗系統(tǒng)如圖1中所示，在橫梁的右端固定一鐵芯，其質(zhì)量約30g，電磁線圈固定在三維坐標架上，通過三維調(diào)節(jié)使柱形鐵芯正好在線圈的中心，與線圈無接觸，電磁線圈的電壓由精密穩(wěn)壓電源提供，實驗過程中通過開關(guān)通斷就可以給鐵芯加載和卸載電磁力。力的大小通過調(diào)節(jié)直流精密穩(wěn)壓電源的電壓來實現(xiàn)，保證了電磁線圈的穩(wěn)定性。當線圈接通電流時，電磁線圈就會對鐵芯產(chǎn)生拉力，由于鐵芯和測量裝置固定在一起，所以這個力就被作用在測量裝置上，由于沒有運動部件的接觸加載，可以有效降低碰撞造成的沖擊力的巨大波動，從而使標定過程簡單化。典型加載力的試驗曲線如圖4、圖5所示。

圖4 電磁力為170mN時的測量曲線圖

圖5 電磁力為170mN時測量曲線的局部放大圖

從測量曲線可以看出，電磁力加載情況下，推力器對電磁力的測量反應很好，避免了小力測量中加載方式對加載的沖擊影響，信號的波動情況很好，曲線變化明顯、光滑，整套測量裝置的響應時間可以達到約15ms。

3 結(jié)束語

通過前期的理論分析和實驗加載研究，可以得到如下結(jié)論：

（1）提出和采用的電磁加載標定方式簡單實用，可以有效解決微小推力的動態(tài)測量加載問題。

（2）本測量裝置在動態(tài)測量方面可以達到15ms的響應時間，能夠滿足實際發(fā)動機微小推力測量過程中對測量系統(tǒng)的要求。

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