曾慶德， 賈云飛， 劉慧莉， 余業(yè)輝

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 南京 210094)

不同介質(zhì)條件下冷氣微推力器推力特性研究

曾慶德， 賈云飛， 劉慧莉， 余業(yè)輝

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 南京 210094)

搭建了冷氣微推力器推力測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)， 研究了不同介質(zhì)條件下冷氣微推力器的推力特性. 改變?nèi)肟诤铜h(huán)境壓力分析推力、 質(zhì)量流率及比沖變化規(guī)律； 對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)擬合， 推算出真空環(huán)境下的推力值. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明： 入口壓力為0.86 MPa時(shí)N2和NH3的真空推力為90.46 mN和103.42 mN， 與真空環(huán)境相比， 地面推力至少降低50%， 地面與真空環(huán)境下推力性能差異較大； 真空環(huán)境下NH3的推力比N2高出13%， 液氨的真空閃蒸特性能明顯提高微推力器的推力； 測(cè)量的推力實(shí)驗(yàn)值與理論計(jì)算的偏差小于10%， 表明實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠精確測(cè)量微推力.

冷氣微推力器； 推力測(cè)量； 推力特性； 真空環(huán)境； 閃蒸特性

Abstract: The thrust measurement experimental system was established to research thrust characteristic of air cooled micro thruster in different media conditions. The changes in thrust, mass flow rate and specific impulse are analyzed by changing the inlet and ambient pressure; The experimental data were fitted to calculate the thrust value under vacuum environment. The experimental results show when the inlet pressure is 0.86 MPa, the vacuum thrusts of N2and NH3are 90.46 mN and 103.42 mN respectively, the ground thrust is reduced by at least 50% compared with the vacuum environment, the thrust performance under the ground and vacuum environment is quite different; Under the vacuum environment, the thrust of NH3is 13% higher than that of N2, the vacuum flashing characteristic of liquid ammonia obviously enhances the thrust of the micro thruster; The difference between the experimental value and theoretical calculation is less than 10%, which indicates that the experimental system can accurately measure the micro thrust.

Keywords: air-cooled micro thruster; thrust measurement; thrust characteristic; vacuum environment; flashing characteristic

0 引 言

隨著我國(guó)航天事業(yè)的不斷發(fā)展， 微小衛(wèi)星越來(lái)越受到人們的重視. 編隊(duì)飛行的微小衛(wèi)星可以實(shí)現(xiàn)單顆大衛(wèi)星的功能， 且制造的發(fā)射成本大大降低， 在國(guó)防、 通訊等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1-4]. 微小衛(wèi)星在執(zhí)行飛行任務(wù)時(shí)， 推進(jìn)系統(tǒng)的作用是衛(wèi)星軌道保持和姿態(tài)控制， 當(dāng)今推進(jìn)系統(tǒng)得到實(shí)際應(yīng)用的有： 冷氣推進(jìn)、 化學(xué)推進(jìn)、 電推進(jìn)等. 冷氣推進(jìn)由于其成本低、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 可靠等優(yōu)點(diǎn)， 在目前航天領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[5].

微推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展推動(dòng)微推力測(cè)試技術(shù)的不斷進(jìn)步. 微推力的精確測(cè)量為冷氣微推力器的設(shè)計(jì)研制提供了必要的技術(shù)途徑. Robert L.Bayt[6]搭建的推力測(cè)試臺(tái)采用擺桿和回力彈簧研究了冷氣推力器； 葉迎華[7]等人研制的推力測(cè)試臺(tái)利用推力器推進(jìn)產(chǎn)生推力推動(dòng)天平擺動(dòng)來(lái)測(cè)量微推力； 湯海濱[8]等人設(shè)計(jì)了一套全彈性微推力測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置， 成功地在模擬真空環(huán)境中測(cè)量了N2和N2O冷氣微推力器連續(xù)工作的推力； 寧中喜[9]等人設(shè)計(jì)了一種三絲扭擺式微推力測(cè)量系統(tǒng)， 采用扭矩平衡和光杠桿放大原理， 將推力轉(zhuǎn)化成激光光斑的位移進(jìn)行測(cè)量. 岑繼文[10]利用杠桿力放大的原理研究微牛頓量級(jí)微推力器； 沈巖[11]等人通過(guò)電子秤直接測(cè)量低功率水電弧推力器的推力.

本文采用直接測(cè)量模式研究mN量級(jí)冷氣微推力器， 從推力傳感器安裝位置、 測(cè)量姿態(tài)以及管道膨脹補(bǔ)償?shù)确矫娼档蜏y(cè)量誤差. 通過(guò)搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分析了推力、 流量和比沖隨著入口壓力改變的變化規(guī)律. 測(cè)量了不同真空度下的推力值， 通過(guò)函數(shù)擬合推算出真空環(huán)境下的推力， 分析了介質(zhì)為N2和NH3時(shí)微推力器的推力性能.

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

本文以N2或NH3為推進(jìn)介質(zhì)， 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)為電螺線管式冷氣推力器， 噴管面積擴(kuò)張比為100， 微推力器自帶常閉電磁閥， 通電后噴管喉部打開(kāi)氣流噴出產(chǎn)生推力. 測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖 1 所示， 由供給部分、 推力測(cè)量部分和數(shù)據(jù)采集部分組成.

圖 1 測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.1 Thrust test stand

供給部分主要包括高壓氣罐、 減壓閥、 調(diào)節(jié)閥、 流量計(jì)等. 調(diào)節(jié)閥的主要功能是調(diào)節(jié)管道氣體流量； 流量計(jì)測(cè)量的管道內(nèi)氣體質(zhì)量流率近似認(rèn)為是微推力器噴管內(nèi)的氣體質(zhì)量流率. 通過(guò)推力傳感器直接測(cè)量出微推力器產(chǎn)生的微推力， 微推力器安裝在直角轉(zhuǎn)接頭頂端， 轉(zhuǎn)接頭固定在傳感器上， 使微推力器、 轉(zhuǎn)接頭和傳感器3者中心軸重合并都處于鉛直狀態(tài). 力傳感器采用美國(guó)Futek公司的LSB200-100 g型應(yīng)變式力傳感器， 量程為100 g， 測(cè)量精度為0.5% FS， 推力傳感器輸出電壓信號(hào)進(jìn)入應(yīng)變放大儀后將電壓信號(hào)放大1 000倍轉(zhuǎn)換為0～2 V的電壓信號(hào). 實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用兩個(gè)壓力傳感器， 分別測(cè)量氣體入口壓力和環(huán)境壓力， 信號(hào)由數(shù)據(jù)采集卡以100 kHz的采樣頻率進(jìn)行采集， 各傳感器輸出信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集后傳送到計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件.

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果分析

為了研究不同介質(zhì)條件下的冷氣微推力器的推力特性， 分別采用N2和NH3作為推進(jìn)劑測(cè)量推力. 在地面環(huán)境下改變?nèi)肟趬毫Γ?通過(guò)理論及實(shí)驗(yàn)分析推力隨入口壓力增加而呈現(xiàn)的規(guī)律. 將微推力器安裝在真空室內(nèi)， 測(cè)量不同真空度下的推力， 分析不同真空度下的推力值變化規(guī)律， 通過(guò)函數(shù)擬合推算出真空環(huán)境下的推力值. 分析當(dāng)入口壓力為0.86 MPa時(shí)不同介質(zhì)條件下微推力器在地面及真空環(huán)境下的推力性能差異， 研究液氨的真空閃蒸特性對(duì)推力產(chǎn)生的影響.

2.1 推進(jìn)性能理論分析

微推力器包括拉瓦爾噴管， 氣體流經(jīng)噴管產(chǎn)生推力， 推力計(jì)算相關(guān)公式為[12-13]

式中：CFvi為分離點(diǎn)i上游噴管段產(chǎn)生的真空推力系數(shù)； ΔCFs為分離點(diǎn)下游噴管段產(chǎn)生的推力系數(shù)， 可用凱爾特-巴代爾經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算， 即

由于實(shí)驗(yàn)中測(cè)量的是穩(wěn)態(tài)推力， 比沖可以用式(11)計(jì)算

2.2 地面實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在地面實(shí)驗(yàn)中，pa=0.1 MPa不變， 在0.1～1 MPa內(nèi)逐漸增加入口壓力， 測(cè)量出隨之改變的推力及質(zhì)量流率， 計(jì)算出其比沖值. 實(shí)驗(yàn)表明， 增大入口壓力時(shí)軟管會(huì)產(chǎn)生附加力， 軟管附加力用Fa表示， 圖2(a)為軟管附加力隨入口壓力變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果， 介質(zhì)為N2時(shí)軟管附加力隨著入口壓力增大呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì).

圖 2 地面測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析Fig.2 Analysis of ground measurement experiment results

入口壓力為0.1～1 MPa時(shí)附加力為0～1 mN, 說(shuō)明軟管受壓后膨脹形變不大， 對(duì)推力的測(cè)量影響較小； 介質(zhì)為NH3時(shí)軟管附加力較大， NH3以液化氣的形式流經(jīng)軟管， 液化氣密度較大， 測(cè)力裝置自身重量增加明顯， 隨著受壓增大軟管膨脹形變更加明顯， 所以附加力增加的速度越來(lái)越快. 當(dāng)入口壓力為0.86 MPa(在20 ℃時(shí)液氨的蒸氣壓為0.86 MPa[14])時(shí)， N2和NH3的軟管附加力分別為0.9 mN和 9.5 mN， NH3的軟管附加力明顯大于N2， 地面推力測(cè)量實(shí)驗(yàn)中必須考慮軟管附加力.

地面推力用Fa表示， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2(b)所示， 地面推力隨著入口壓力增加推力值呈線性增長(zhǎng)， 且N2和NH3的推力值相差無(wú)幾. 圖2(c)是質(zhì)量流率的測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果， 隨著入口壓力增大， 質(zhì)量流率呈線性增長(zhǎng)， 和理論分析結(jié)果一致. N2和NH3的比沖均隨入口壓力增大而增大， 但是增長(zhǎng)趨勢(shì)均趨于平緩， 如圖2(d)所示.

2.3 真空實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

微推力器在實(shí)際應(yīng)用中是在真空環(huán)境下工作的， 模擬真空環(huán)境下精確測(cè)量微推力是研究微推力器推力性能的重點(diǎn). 保持p0=0.86 MPa不變， 測(cè)量在不同真空度下微推力器產(chǎn)生的推力， 研究真空度對(duì)推力值的影響. 實(shí)驗(yàn)條件下真空度無(wú)法達(dá)到太空環(huán)境下高真空度， 研究在不同真空度下推力變化規(guī)律， 通過(guò)函數(shù)擬合推算出在高真空度下推力值. 將微推力器放置在真空室內(nèi),真空泵將腔體內(nèi)空氣抽出， 腔體內(nèi)真空絕壓達(dá)到1 000 Pa， 關(guān)閉真空泵減少振動(dòng)噪聲， 打開(kāi)電磁閥， 噴管氣體噴出產(chǎn)生推力， 推力傳感器實(shí)時(shí)采集推力數(shù)據(jù).

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 氣體從噴管?chē)姵觯?真空室內(nèi)環(huán)境壓力不斷增大， 環(huán)境壓力的變化會(huì)影響推力測(cè)量， 對(duì)測(cè)力臺(tái)架有一個(gè)豎直方向的反作用力， 在不同真空度下力傳感器的初始輸出電壓不一樣， 反作用力用Fr表示， 設(shè)定地面條件下Fr=0,Fr實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3(a)所示，F(xiàn)r隨著環(huán)境壓力增大呈指數(shù)函數(shù)趨勢(shì)遞減.

圖 3 真空推力測(cè)量結(jié)果分析Fig.3 The results analysis under vacuum thrust measurement

2.4 測(cè)量實(shí)驗(yàn)誤差分析

在推力測(cè)量實(shí)驗(yàn)中存在許多實(shí)驗(yàn)干擾因素， 通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析， 改進(jìn)測(cè)試裝置， 減少實(shí)驗(yàn)誤差， 提高直接測(cè)量模式下的推力測(cè)量精度. 力傳感器信號(hào)輸出本身帶有一定噪聲信號(hào)， 噴管?chē)姎鈺r(shí)噪聲信號(hào)增大， 通過(guò)數(shù)據(jù)軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波及采集時(shí)間內(nèi)取推力平均值減小實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差. 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境振動(dòng)對(duì)傳感器輸出信號(hào)干擾較大， 實(shí)驗(yàn)室其他電子設(shè)備的運(yùn)作等都會(huì)產(chǎn)生信號(hào)噪聲影響推力測(cè)量精度， 整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)放置在一層海綿體上， 以減小振動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的噪聲干擾. 環(huán)境溫度變化也會(huì)影響測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果， 保持實(shí)驗(yàn)室室內(nèi)溫度為20 ℃不變.

除了環(huán)境因素的影響， 測(cè)量系統(tǒng)和微推力器自身也會(huì)對(duì)推力測(cè)量帶來(lái)誤差. 微推力器自重43 g， 與軟管連接后初始重量達(dá)到53 g， 噴管產(chǎn)生的推力范圍是0～100 mN， 推重比很低， 在分析實(shí)驗(yàn)誤差時(shí)必須將微推力器自重考慮在內(nèi)， 將微推力器豎直安裝在力傳感器上， 與力傳感器同軸豎直向下， 通過(guò)應(yīng)變放大儀校零將自重與推力分離. 軟管受氣體壓力膨脹產(chǎn)生附加力影響推力測(cè)量精度， 本實(shí)驗(yàn)采用尼龍軟管作為導(dǎo)氣管， 尼龍軟管柔性好、 變形小， 通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析， 總結(jié)出推力、 流量等參數(shù)變化規(guī)律， 可以推算出超過(guò)1 MPa時(shí)的推力特性.

與地面實(shí)驗(yàn)相比， 真空環(huán)境推力測(cè)量實(shí)驗(yàn)誤差干擾因素多. 真空泵抽取真空過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)很大， 無(wú)法保證推力測(cè)量的準(zhǔn)確度， 所以本實(shí)驗(yàn)在抽取真空后關(guān)閉真空泵進(jìn)行測(cè)量. 在地面實(shí)驗(yàn)中， 環(huán)境壓力保持一個(gè)大氣壓不變， 不會(huì)影響噴管出口氣體流動(dòng)； 真空環(huán)境下， 氣體從噴管?chē)姵觯?環(huán)境壓力在不斷上升， 干擾噴管氣體流動(dòng)， 影響真空推力測(cè)量的實(shí)驗(yàn)精度， 所以在真空室頂部安裝一個(gè)壓力傳感器， 實(shí)時(shí)精確地測(cè)量不同環(huán)境壓力下的推力， 減小實(shí)驗(yàn)誤差.

3 結(jié) 論

本文采用直接測(cè)力結(jié)構(gòu)測(cè)量推力， 通過(guò)改變?nèi)肟趬毫铜h(huán)境壓力對(duì)微推力器進(jìn)行推力測(cè)量實(shí)驗(yàn)， 研究了冷氣微推力器在地面以及真空環(huán)境下的推力特性，得到結(jié)論如下：

1) 在地面環(huán)境下， 冷氣微推力器的推力和質(zhì)量流率隨入口壓力增大而線性增加， 入口壓力越大， 比沖增長(zhǎng)速度越慢， NH3和N2的推力性能相差不大.

2) 在真空環(huán)境下， 推力隨環(huán)境壓力增加呈指數(shù)衰減趨勢(shì)， 質(zhì)量流率不受環(huán)境壓力的影響. 當(dāng)入口壓力為0.86 MPa時(shí)NH3的推力比N2提高13%， 液氨的真空閃蒸特性明顯提高微推力器的推力.

3) 地面環(huán)境下氣體在噴管內(nèi)發(fā)生流動(dòng)分離， 與真空環(huán)境相比， 地面推力至少降低50%， 地面與真空環(huán)境下推力性能差異較大， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合理論分析. 在推力測(cè)量實(shí)驗(yàn)中， 推力的實(shí)驗(yàn)值與理論計(jì)算的偏差小于10%， 說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠用于微推力測(cè)量.

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ThrustCharacteristicResearchofAirMicroThrusterinDifferentMediaConditions

ZENG Qingde， JIA Yunfei， LIU Huili， YU Yehui

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science & Technology, Nanjing 210094， China)

1671-7449(2017)05-0416-07

V439

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.05.008

2016-12-17

曾慶德(1992-)， 男， 碩士生， 主要從事微推力測(cè)試技術(shù)的研究.