劉萬龍，朱昊偉，孫樹江，劉奎芹，鄭 然

（北京航天試驗技術研究所，北京，100074）

0 引言

隨著航天技術的不斷發(fā)展，深空探測航天器以及微小衛(wèi)星的姿態(tài)控制、軌道控制及編隊飛行等方面對微推進系統(tǒng)的需求越來越多。通常把推力介于μN～N之間的推力器統(tǒng)稱為微型推力器[1-2]。微型推力器在航天和軍事領域都有著潛在的應用價值，世界上對微推力器的研究也愈來愈多[3]。據(jù)報導目前已有超過110個在軌運行的航天器應用了微推進系統(tǒng)[4]。其中NASA格林研究中心研制的氙離子推力器NSTAR-30被用來作為美國深空一號探測器（DS-1）的主推力器，其比沖3 300 s，推力92 mN[5]；2012年11月，中國成功發(fā)射實踐九號A衛(wèi)星，首次采用我國研制的電推進系統(tǒng)進行在軌飛行驗證，衛(wèi)星上載有40 mN/3 000 s氙離子推進系統(tǒng)和40 mN/1 600 s霍爾推進系統(tǒng)[4]。

隨著這些微推力器的研制和應用，微推力的測量的重要性也日益凸顯。國外對微推力的研究起步較早，在上個世紀60年代，美國就開始mN級微推力測量研究[6]。目前國外主要有擺式臺架結(jié)構(gòu)[2,7]、扭擺結(jié)構(gòu)[8-9]、雙擺結(jié)構(gòu)[9]以及四臂配重結(jié)構(gòu)[10]等。近些年國內(nèi)在微推力測量領域也有較多研究與應用。本文目的在于介紹目前國內(nèi)在微推力測量技術方面的研究進展和技術特點。

1 微推力測量的難點

推力是火箭發(fā)動機的一個重要工作參數(shù)，直接反映了發(fā)動機的性能指標[11]，對其精確測量有十分重要的意義。微型推力器推力測量干擾因素很多[6]：

1）介質(zhì)供應管路及測控電線等會對其測量有較大影響；

2）當微型推力器工作時，推力器產(chǎn)生的氣流 (或離子流)會使周圍的氣流環(huán)境發(fā)生擾動，從而影響推力的測量；

3）針對特定的電推進系統(tǒng) (如電弧推力器)，電磁力和氣動力的交互作用將會對試驗結(jié)果產(chǎn)生很大影響。

2 國內(nèi)幾種典型測量模式

微推力測量的實質(zhì)是通過測量在微推力作用下推力臺架的響應，從而間接地測量推力。微推力測量的關鍵是對力本身或力的作用效果進行有效放大，從而保證測量裝置有較高靈敏度，同時選用高精度測量元件對力的作用效果進行測量。由于摩擦力會影響測量精度，設計推力測量裝置時，各個部件之間要盡量選擇無摩擦的連接形式；另外要盡可能減小介質(zhì)供應管路和測控電線所帶來的附加力。下面對國內(nèi)常用的幾種典型測量模式進行介紹和分析。

2.1 直接測量模式

2004年清華大學沈巖等人在進行低功率水電弧推力器的實驗時，為微推力測量設計了一套低成本的測力裝置[12]。其測量原理圖如圖1所示。

圖1 直接測量模式Fig.1 Direct measurement mode

其主體由電子秤和推力器支架構(gòu)成，推力器支架固定在電子秤上，電弧推力器固定在支架上，推進劑通過一個內(nèi)徑1 mm的軟管輸入到推力器中，從而減小管道應力對測量帶來的影響。在電子秤上直接讀出推力，也可將電子秤的數(shù)據(jù)輸出至計算機上進一步處理。

2008年中科院力學研究所李騰、潘文霞等人設計制作了采用懸臂梁結(jié)構(gòu)的微推力測試架[13]。整個推力架的設計如圖2所示：推力器和軸承組固聯(lián)在一起，可在導軌上滑動，推力器產(chǎn)生的推力作用在與基座連接的懸臂梁上，懸臂梁的變形由力傳感器測量。

圖2 推力架結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of thrust frame

2009年中國科學技術大學熱科學與能源工程系采用德國Sartorius Genius系列IvIE215S型電子秤進行微推力測試[14]。通過測量推力器噴出氣流對電子天平的沖擊力來測量推力。

通過普通應變傳感器或者電子秤來直接測量微推力的方式精度不高，通常只是在對微推力器進行定性的機理研究時使用，當進行深入研究時，需要選用精度更高的測量方式。

2.2 杠桿放大模式

2008年，中國科學院廣州能源研究所研制了一種杠桿放大測力裝置[15]，其推力器芯片固定于杠桿的端部，芯片的對稱中心軸處于鉛直狀態(tài)，噴嘴豎直向上噴氣，以保證微推力方向與重力方向一致。芯片通過硅膠軟管與氣瓶連接。推力器芯片產(chǎn)生的推力經(jīng)杠桿放大，由位于杠桿另一端距離支點僅5 mm左右的壓電晶體傳感器測量。這種模式受限于壓電晶體的測量精度，溫漂和時漂較大，也只適合于微推力器的初始研究。

2.3 電磁天平模式

1999年，北京航天計量測試技術研究所趙寶瑞、李晶等人設計研制了一臺電磁天平模式微推力測量裝置，量程為10～1 000 mN。同年他們設計了其改進型，量程為5～100 mN[16-17]。電磁天平結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。調(diào)整平衡裝置D1，D2及D3使天平梁系統(tǒng)的質(zhì)心與天平中刀O(天平梁支撐點)重合，天平梁系統(tǒng)自重對天平中刀O的力矩為零，消除了電火箭自重對推力的影響，天平工作在隨遇平衡狀態(tài)。利用力矩器電磁反饋補償微推力器推力，通過砝碼標定力矩器的輸出電流。試驗時通過測量力矩器的輸出電流，可以測量出小的推力。

圖3 電磁天平結(jié)構(gòu)原理Fig.3 Principle diagram of electromagnetic balance

2000年左右，上?？臻g推進研究所在進行穩(wěn)態(tài)等離子體推力器研究時，推力測量也采用電磁天平模式[18]。2008年國防科技大學航天與材料工程學院與北京航天計量測試技術研究所合作，基于電磁天平模式，研制了脈沖等離子體推力器（PPT）微推力測量裝置[19]。

電磁天平模式的微推力測量裝置將推力器及其附件的重量預先平衡，再由測量元件產(chǎn)生相應的平衡力來平衡推力器產(chǎn)生的微推力。這種模式結(jié)構(gòu)簡單精度較高，但對推力器質(zhì)量變化敏感，而且平衡不易穩(wěn)定。

2.4 扭擺模式

2009年裝備指揮技術學院采用扭擺[20]測量激光燒蝕微推力器推力。圖4是其采用的測量裝置原理圖。使用配重平衡推力器重量，使用油池進行阻尼。采用激光干涉法測量[21]測量扭擺的偏轉(zhuǎn)。測量系統(tǒng)主要由2部分組成：激光干涉分系統(tǒng)和沖擊擺分系統(tǒng)。激光干涉分系統(tǒng)由He-Ne激光器、分光鏡、角耦反射鏡、光電二極管以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) (示波器)組成。沖擊擺分系統(tǒng)用來標定。

圖4 單絲扭擺測量原理圖Fig.4 Principle diagram of monofilament torsional pendulum

2012年哈爾濱工業(yè)大學能源科學與工程學院設計了一種三絲扭擺式微推力測量系統(tǒng)[22]，它采用扭矩平衡和光杠桿放大原理，將推力器的微推力轉(zhuǎn)化為激光光斑的大位移進行測量。其原理圖如圖5所示，整個扭擺平臺被三根絲吊起，利用配重調(diào)整平臺平衡，并使三根絲受力均勻。發(fā)動機工作時，所產(chǎn)生的推力將對平臺產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩，使其發(fā)生偏轉(zhuǎn)。平臺上的反射鏡會與扭擺一同發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使激光光斑在標尺上的位置發(fā)生移動，移動距離與推力成正比，最后通過換算，就可以得到發(fā)動機的推力值。在實際應用中，利用砝碼在線標定。

圖5 三絲扭擺測量原理圖Fig.5 Principle diagram of three-yarn torsional pendulum

近年上?？臻g推進研究所從俄羅斯進口了型號為SFMS-100的推力架[23]，用于霍爾推力器的性能測試。它由測量擺桿、位移電容傳感器、同相干擾傳感器、交流放大器、解調(diào)器、主電壓和支持電壓發(fā)生器、正比控制器、微分控制器、積分控制器、力補償器、力補償器磁鐵、調(diào)零裝置、標定裝置及采集器等部分組成。工作原理：采用一階伺服比例-積分-微分控制的基本控制原理，通過電磁補償器提供反饋力來平衡推力器工作時產(chǎn)生的推力，然后將采集到的電磁補償信號與標準力值進行比對達到測量推力的目的。SFMS-100裝置主要特點：1）推力測量動架采用了4點懸掛方案（2點為擺桿懸掛，2點為細金屬絲懸掛）；2）通過特殊機構(gòu)，有效地克服了推力器電纜、氣管等對小推力測量的干擾，保證了推力測量的準確性，其量程為1～1 000 mN。

這種扭擺模式采用光纖等細絲作為懸掛支撐，可以測量較小推力，但是這個結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有待進一步提高。

2.5 全彈性扭擺模式

北京航空航天大學宇航學院湯海濱等人在原有電磁天平模式微推力測量試驗臺架研究的基礎上，于2007年設計制作了一套全彈性微推力測量試驗裝置[24]。推力測量范圍為0～200 mN，測量精度達到±1%，并成功地在模擬真空環(huán)境中測量了N2和N2O冷氣微推力器連續(xù)工作的推力以及電弧推力器的推力測試。其結(jié)構(gòu)如圖6所示。該試驗裝置動架安裝在全彈性無摩擦旋轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)動裝置和固定裝置的連接部分采用無摩擦的叉形彈簧片連接，可以有效消除外界摩擦。通過配重來調(diào)節(jié)動架重心。使用電容式位移傳感器進行測量，使用砝碼及電磁力2種方法進行標定。

圖6 全彈性扭擺裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure diagram of full elastic torsional pendulum

2012年裝備指揮技術學院在原有扭擺測力裝置的基礎上，研制了一種毫秒脈寬激光燒蝕微推力器推力測量裝置[25]。與北京航空航天大學宇航學院的全彈性微推力測量裝置類似，其由臺體結(jié)構(gòu)，調(diào)平機構(gòu)，配平機構(gòu)，位移傳感器，施力器，磁阻尼器，控制終端。臺體結(jié)構(gòu)包括橫梁、支撐組件、撓性樞軸以及參考框架。

這種模式是扭擺測量微推力模式的一種新的發(fā)展，采用撓性樞軸代替吊絲作為試驗裝置的支撐，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，這種模式使用全彈性加配重臺架結(jié)構(gòu)，用線性可變差分位移傳感器測量位移，利用隨遇平衡原理及無差電磁力負反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)測量，采用電磁力及砝碼標定；這種模式臺架結(jié)構(gòu)容易構(gòu)造，測試手段先進，價格合理，并且還能保證測試結(jié)果具有較好的精度，是一種值得重點發(fā)展的微推力測量方式，代表了現(xiàn)在主流的研究方向[26]。

3 結(jié)束語

本文簡述了國外微推力測量技術進展，分析了微推力測量的難點，并對國內(nèi)幾種典型微推力測量模式：直接測量模式、杠桿放大模式、電磁天平模式、扭擺模式及全彈性模式進行了介紹，并分析了這幾種模式的優(yōu)缺點。綜合比較全彈性模式結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好，這種模式為全彈性加配重臺架結(jié)構(gòu)，用線性可變差分位移傳感器測量位移，利用隨遇平衡原理及無差電磁力負反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)測量，采用電磁力及砝碼標定；這種模式臺架結(jié)構(gòu)容易構(gòu)造，測試手段先進，價格合理，并且還能保證測試結(jié)果具有較好的精度，是一種值得重點發(fā)展的微推力測量方式。

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