一種懸擺式微衝量測試裝置及測試方法
2023-12-05 06:01:11 1
一種懸擺式微衝量測試裝置及測試方法
【專利摘要】本發明公開了一種懸擺式微衝量測試裝置及測試方法，懸擺系統固定在真空箱內，推進器點火電源、電路開關、導線與微型推進器採用模塊化集成於懸擺系統,懸擺式微衝量測試系統在真空環境下工作，電路開關使用遙控開關進行遙控點火，消除了微型推進器點火電阻絲供電電源和導線對測試結果的影響；雷射都卜勒測量器安裝在真空箱外部，調節雷射都卜勒測量器中單光束雷射頭的光路，使之與靶標反射鏡片對中,消除出射光束與入射光束的偏離量，準確地測量推進器的位移變化，避免懸擺擺動時受到空氣阻力的影響。微衝量測試裝置及測試方法，既能測試微型火箭發動機較短時間工作的力，也能測試微小脈衝衝量，且對脈衝衝量測試精度較高。
【專利說明】 一種懸擺式微衝量測試裝置及測試方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及微型推進器測試領域，具體地說，涉及一種懸擺式微衝量測試裝置及測試方法。
【背景技術】
[0002]微小型化是現代太空飛行器發展的一個重要方向。微小太空飛行器要具有快速響應、高精度和高可靠性的特點，而這些特點都與微小太空飛行器的推進系統有直接關係，因而對微推進系統提出了更高的要求。一般微推進系統提供毫牛級的微小推力，而且工作時間非常短。因此，微小型推進器的性能試驗和標定，需要解析度高且具有高頻響應的測量系統。
[0003]微型推進器衝量的測量是一項十分困難複雜的工作。一方面，微推進器工作時本身產生的推力非常小且工作時間非常短，這種情況下，電路導線的阻尼會對推力的準確測量產生很大的影響；另一方面，微型推進器一般是針對太空環境使用設計的，而微型推進器衝量測量則是在地球的重力場中進行。在地球重力場中，微推進器的自重遠遠大於其產生的推力，因此在重力場中進行微小推力的測量就必須消除自重對測量的影響。微型推進器微小衝量測量要解決以下兩個問題:(I)微型推進器自重與推力的分離；(2)微型推進器供電系統對推力測量的影響。
[0004]目前，已研製成功的幾種典型微衝量測試系統有:NASA LEWIS研究中心的THOMAS脈衝等離子體微推進器衝量測試臺，LEWIS研究中心大功率微推進器推力測試方法，0LDDARD空間飛行中心的旋絲式微推力測試臺，雙擺測量推力系統，雷射幹涉測量方法測量脈衝衝量，東京大學脈衝等離子體微推力器測試臺。從結構角度來講，微衝量測試系統按照結構可分為:天平式、旋絲式與懸擺式。
[0005]懸擺式結構微衝量測試系統由於其測量微小推力和脈衝衝量的精度高而應用較廣，但是懸擺式結構的微衝量測試系統仍存在一些不足，例如Thomas脈衝等離子體微推進器衝量測試臺。該測試系統為扭轉懸擺臺架結構，可測試單脈衝衝量和等離子推進器連續脈衝點火平均推力。靜態標定中確定推力與臺架扭擺位移之間的關係；衝量標定中用鐘擺撞擊的方法，確定動量變化後的臺架響應，記錄臺架最大位移和固有頻率。但是系統沒有儘可能的消除系統阻尼，如空氣阻尼與轉動摩擦損失，而且系統沒有用數學方法推導出推力或衝量與位移的關係，只是用實驗的方法標定系統，精度較低。再如雙懸擺推力測量系統，該系統為左側支撐和右側懸掛兩個擺臂結構，微型推進器水平放置；可測試靜推力、平均推力和單脈衝衝量。系統的結構可保持微型推進器工作時，推進器在上下方向上運動距離小，有利於LVDT測量微型推進器左右擺動位移，該系統的不足之處在於採用四個活動關節，因此系統有較大摩擦力，因而在單脈衝後，系統振動位移信號衰減很快。
[0006]現有微衝量測試裝置在排除空氣阻尼影響，系統機械摩擦及電路導線連接產生的阻力影響方面存在一些亟待解決的問題。
【發明內容】
[0007]為了避免現有技術存在的不足，本發明提出一種懸擺式微衝量測試裝置及測試方法，懸擺式微衝量測試系統在真空環境下工作，通過刀口及電路遙控集成化設計消除阻力對測量結果的影響；採用雷射都卜勒測量器，消除出射光束與入射光束的偏離量，提高測量精度。
[0008]本發明解決其技術問題所採用的技術方案是:微衝量測試裝置包括真空箱、立柱底座、立柱、支撐塊、中刀承、中刀、平橫梁、平衡螺母、橫梁支架、供電電源、擺杆、遙控開關、微型推進器、靶標反射鏡、雷射都卜勒測量器、透明窗、真空泵接口、密封門，所述真空箱為長方體結構，真空箱上開有密封門，透明窗嵌入在真空箱側壁上，透明窗相對的真空箱側壁上有真空泵接口，立柱底座位於真空箱內底部，立柱垂直固定在立柱底座上，支撐塊固定在立柱上端部，中刀承位於支撐塊上中間部位，中刀鑲嵌在平橫梁中間，平橫梁兩端有平衡螺母，平橫梁與橫梁支架固連，擺杆一端與橫梁支架連接，供電電源安裝在擺杆與橫梁支架連接處，遙控開關固定在擺杆上，微型推進器安裝在擺杆上，微型推進器起始推力方向為水平方向，靶標反射鏡固定在擺杆上位於微型推進器的下方，靶標反射鏡鏡面與擺杆平行，中刀放置在支撐塊中心的中刀承上，中刀與中刀承的接觸點為懸擺系統擺動的軸點，雷射都卜勒測量器安裝在真空箱的外部與透明窗同一側，且雷射都卜勒測量器與透明窗、靶標反射鏡位於同一軸線上。
[0009]一種採用所述懸擺式微衝量測試裝置進行微衝量測試的方法，其特徵在於包括以下步驟:
[0010]步驟1.裝配各機械部件，將供電電源、遙控開關、微推進器及導線進行連接，連接過程中保持遙控開關始終處於斷開狀態；
[0011]步驟2.調節立柱底座的平板螺栓，使立柱底座處於水平狀態，調節平橫梁兩端的平衡螺母，使擺杆處於垂直平衡位置，調節靶標反射鏡，使靶標反射鏡鏡面與擺杆平行；
[0012]步驟3.關閉真空箱密封門，確保真空箱完全密封后啟動真空泵，直至真空箱內的真空度達KT2Pa時，關閉真空泵，真空保持I小時；
[0013]步驟4.進行光路調節；抽真空後檢查確認擺杆狀態位置，啟動雷射都卜勒測量器，調節單光束雷射頭方位，使單光束雷射頭髮出的雷射經靶標反射鏡反射後沿入射光路原路返回；
[0014]步驟5.開啟雷射都卜勒測量系統的信號處理器，使之處在工作狀態，啟動電路遙控開關使點火供電線路電流連通，點火電壓為10V，點火電流為0.5A ;微型推進器點火絲工作，使推進劑點火燃燒產生推力，推動擺杆運動；
[0015]步驟6.雷射都卜勒測量器記錄下擺杆運動過程中的數據，經信號處理得到不同時間的位移數據，並將數據傳輸至計算機，計算出微型推進器工作產生的衝量，可測量衝量為 I μ N.s ?ImN.s ；
[0016]步驟7.關閉測試裝置，保存實驗數據，固體微型推進器的衝量測試完成。
[0017]有益效果
[0018]本發明提出的一種懸擺式微衝量測試裝置及測試方法，採用真空箱為測試系統提供真空條件，懸擺式微衝量測試系統固定安裝在真空箱內，懸擺式測試系統在真空環境下工作，通過刀口及電路遙控集成消除阻力對測試結果的影響；採用雷射都卜勒測量器，消除出射光束與入射光束的偏離量，提高其測試精度；避免懸擺擺動時受到空氣阻力的影響。
[0019]本發明微衝量測試裝置將推進器點火電源，電路開關，導線與微型推進器採用模塊化集成於懸擺系統上，同時，電路開關使用遙控開關，進行遙控點火時沒有導線的幹擾，消除了微型推進器點火電阻絲供電電源和導線對測試的影響。懸擺系統擺動的支點採用刀口結構，減少系統擺動帶來的摩擦損失，提高了靈敏度。雷射都卜勒測量器置於真空箱外部，能準確的測量微型推進器的位移變化。採用微衝量測試裝置，既能測試較短時間工作的力，也能測試脈衝衝量，且對脈衝衝量測試精度較高。本發明特別適用於微型火箭發動機的微小衝量測試和研製工作。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]下面結合附圖和實施方式對本發明一種懸擺式微衝量測試裝置及測試方法作進一步詳細說明。
[0021]圖1為本發明懸擺式微衝量測試裝置的真空箱示意圖。
[0022]圖2為本發明懸擺式微衝量測試裝置結構示意圖。
[0023]圖中:
[0024]1.密封門2.透明窗3.真空泵接口 4.立柱底座5.立柱6.支撐塊7.中刀承8.中刀9.平橫梁10.平衡螺母11.橫梁支架12.供電電源13.擺杆14.遙控開關15.微型推進器16.靶標反射鏡17.雷射都卜勒測量器18.真空箱具體實施方案
[0025]本實施例是一種懸擺式微衝量測試裝置及測試方法。
[0026]參閱圖1、圖2，本實施例懸擺式微衝量測試裝置，由真空箱18、密封門1、透明窗2、真空泵接口 3、立柱底座4、立柱5、支撐塊6、中刀承7、中刀8、平橫梁9、平衡螺母10、橫梁支架11、供電電源12、擺杆13、遙控開關14、微型推進器15、靶標反射鏡16、雷射都卜勒測量器17組成。真空箱為懸擺測試系統提供真空條件，懸擺測試系統安裝在真空箱內，避免懸擺擺動時受到空氣阻力的影響。真空箱18為長方體結構，真空箱上開有密封門1，透明窗2嵌入在真空箱18側壁下方，真空泵接口 3設置在透明窗2相對的真空箱側壁上，真空箱18體材料採用亞克力板，透明窗2材料為石英玻璃。
[0027]立柱底座4安裝在真空箱18內底部，立柱底座4底面四角有調節螺栓，立柱5垂直固定在立柱底座4上通過螺栓連接，支撐塊6固定安裝在立柱5上端部，中刀承7固定在支撐塊6上，中刀8鑲嵌在平橫梁9中間部位，平橫梁9兩端設置有平衡螺母10，平橫梁9與橫梁支架11固連，擺杆13上端與橫梁支架11連接。供電電源12固定在擺杆13與橫梁支架11連接處，遙控開關14固定在擺杆13上；微型推進器15安裝在擺杆13上靠近擺杆的下端，微型推進器15起始推力方向為水平方向。靶標反射鏡16安裝在擺杆上位於微型推進器15的下方，靶標反射鏡鏡面與擺杆平行，中刀8放置在支撐塊6上中刀承7的中間，中刀8與中刀承7的接觸點為懸擺系統擺動的軸點,擺動的軸點能有效地減小擺動摩擦，阻力減小到可忽略不計的程度；中刀8與中刀承7的材料均採用瑪瑙製作。
[0028]雷射都卜勒測量器17安裝在真空箱18的外部與透明窗2同一側，且雷射都卜勒測量器17與透明窗2、靶標反射鏡16位於同一軸線上，能準確地測量微型推進器15的位移變化。
[0029]利用上述懸擺式微衝量測試裝置進行微衝量測試的方法，按以下步驟進行:
[0030]步驟一，測試實驗前，將機械構件進行裝配，並將供電電源、遙控開關、微型推進器及導線連接成完整電路，連接過程中保持遙控開關始終處於斷開狀態；
[0031]步驟二，調節靶標反射鏡，使得反射鏡鏡面與擺杆平行，然後調整立柱底座的平板調節螺栓，使得立柱底座處於水平狀態，最後調節平橫梁兩端的平衡螺母，使得擺杆處於垂直平衡位置；將懸擺系統調試到平衡狀態，而後設置遙控裝置參數；
[0032]步驟三，關閉真空箱密封門，檢測確保真空箱完全密封后，啟動真空泵抽真空，直至真空箱內的真空度達KT2Pa時，關閉真空泵，真空箱內真空度保持I小時；
[0033]步驟四，檢查抽真空後擺杆位置是否處於垂直平衡狀態，確認垂直平衡後啟動雷射都卜勒測量器，調節單光束雷射頭方位，使得單光束雷射頭髮出的雷射經靶標反射鏡反射後沿入射光路原路返回，完成光路調節；
[0034]步驟五，開啟雷射都卜勒測試系統的信號處理器，使之處於工作狀態，啟動電路遙控開關使得點火供電線路電流連通，該點火電壓為10V，點火電流為0.5A，微型推進器點火電阻絲工作，使得微推進劑點火燃燒產生推力，推動擺杆運動；
[0035]步驟六，雷射都卜勒測量器記錄下擺杆運動過程中的數據，經信號處理得到不同時間的位移數據，將該數據傳輸給電子計算機進行計算得出微型推進器工作產生的衝量；可測量衝量範圍為I μ N.s?ImN.s ；
[0036]步驟七，關閉測試裝置，保存實驗數據，完成以上過程後拆卸實驗裝置以備下次試驗使用，固體微推進器衝量的測試實驗完成。
【權利要求】
1.一種懸擺式微衝量測試裝置，其特徵在於:包括真空箱、立柱底座、立柱、支撐塊、中刀承、中刀、平橫梁、平衡螺母、橫梁支架、供電電源、擺杆、遙控開關、微型推進器、靶標反射鏡、雷射都卜勒測量器、透明窗、真空泵接口、密封門，所述真空箱為長方體結構，真空箱上開有密封門，透明窗嵌入在真空箱側壁上，透明窗相對的真空箱側壁上有真空泵接口，立柱底座位於真空箱內底部，立柱垂直固定在立柱底座上，支撐塊固定在立柱上端部，中刀承位於支撐塊上中間部位，中刀鑲嵌在平橫梁中間，平橫梁兩端有平衡螺母，平橫梁與橫梁支架固連，擺杆一端與橫梁支架連接，供電電源安裝在擺杆與橫梁支架連接處，遙控開關固定在擺杆上，微型推進器安裝在擺杆上，微型推進器起始推力方向為水平方向，靶標反射鏡固定在擺杆上位於微型推進器的下方，靶標反射鏡鏡面與擺杆平行，中刀放置在支撐塊中心的中刀承上，中刀與中刀承的接觸點為懸擺系統擺動的軸點，雷射都卜勒測量器安裝在真空箱的外部與透明窗同一側，且雷射都卜勒測量器與透明窗、靶標反射鏡位於同一軸線上。
2.一種採用權利要求1所述的懸擺式微衝量測試裝置進行微衝量測試的方法，其特徵在於包括以下步驟: 步驟1.裝配各機械部件，將供電電源、遙控開關、微推進器及導線進行連接，連接過程中保持遙控開關始終處於斷開狀態； 步驟2.調節立柱底座的平板螺栓，使立柱底座處於水平狀態，調節平橫梁兩端的平衡螺母，使擺杆處於垂直平衡位置，調節靶標反射鏡，使靶標反射鏡鏡面與擺杆平行； 步驟3.關閉真空箱密封門，確保真空箱完全密封后啟動真空泵，直至真空箱內的真空度達KT2Pa時，關閉真空泵，真空保持I小時； 步驟4.進行光路調節；抽真空後檢查確認擺杆狀態位置，啟動雷射都卜勒測量器，調節單光束雷射頭方位，使單光束雷射頭髮出的雷射經靶標反射鏡反射後沿入射光路原路返回； 步驟5.開啟雷射都卜勒測量系統的信號處理器，使之處在工作狀態，啟動電路遙控開關使點火供電線路電流連通，點火電壓為10V，點火電流為0.5A ;微型推進器點火絲工作，使推進劑點火燃燒產生推力，推動擺杆運動； 步驟6.雷射都卜勒測量器記錄下擺杆運動過程中的數據，經信號處理得到不同時間的位移數據，並將數據傳輸至計算機，計算出微型推進器工作產生的衝量，可測量衝量為I μ N.s ?ImN.s ； 步驟7.關閉測試裝置，保存實驗數據，固體微型推進器的衝量測試完成。
【文檔編號】G01L5/00GK104374506SQ201410647212
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月14日 優先權日:2014年11月14日
【發明者】胡松啟, 劉歡, 劉凱, 陳雨 申請人:西北工業大學