冷气微推力器测试系统设计及实验研究

发布时间：2020-07-25 16:07

【摘要】：冷气微推进系统是目前小卫星上技术最成熟的推进方式,微推进技术的发展推动微推力测试技术的不断进步。目前测试系统较多采用的扭摆、天平、悬臂等测试方法,测量精度有待提高,而且测试装置结构复杂、系统稳定性较差。为了解决上述问题,本文设计了基于立式测力法的冷气微推力器测试系统,并对推力特性进行了实验研究。对冷气微推力器推力特性进行理论研究,为测试系统的设计提供重要依据。首先对微推力器结构及工作原理进行介绍,通过对喷管内的气体流动进行分析,得出基于推力系数的推力计算公式,理论研究微推力器在地面及真空条件下的推力性能。根据测试系统性能指标和理论研究结果,设计了冷气微推力器测试系统,系统包括微推力测试台架系统和数据采集系统。通过力传感器直接测量推力,设计了角度可调节测力装置和立式测力装置。为了对实验信号进行采集并处理,设计了基于LabVIEW的数据采集软件,对实验数据进行采集、保存、调取、报表、滤波等处理。对冷气微推力器的推力特性进行实验研究,通过改变总压P0和背压pa,实验研究冷气微推力器的地面及真空条件下的推力特性。N2和NH3的地面推力始终保持相似,根据推力系数和真空度的测量方法得到出绝对真空推力。与地面推力相比,真空推力增大一倍,NH3的闪蒸射流现象提高推力10%～15%。通过测量电流变化得到响应时间,不同推进工质对响应时间影响区别不大,保护回路中串联稳压二极管对改善动态特性的作用大于电阻。对推力测量实验的误差进行分析,通过标定得到压力传感器的总误差为0.39%。分析推力测量装置静态指标,标定方法带来的误差为0.48%,静态指标带来的误差为0.25%。分析影响测量实验误差的主要来源,得到推力测量装置带来的误差为0.54%,微推力测试系统的总误差为0.94%,满足测试系统技术指标要求。微推力测试系统的总误差低于1%,测量精度相对以往有较大提高。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V433.9
【图文】：

微推力,冷气

在气体泄露的隐患，高压气瓶造价高、体积大，且不适合长期贮存，大大降低了小卫星逡逑的有效载荷，不利于小卫星的微推进系统实现标准化［１７—１９］。逡逑新世纪初ＳＳＴＬ公司所研制的ＳＮＡＰ－１卫星首次装备冷气微推力器［２（）］，如图１．１所逡逑示，微推力器采用丁烷作为推进气体。系统产生的推力范围为４５ｍＮ？１２０ｍＮ，总冲量最逡逑大达到２２．３ＮＳ，工作寿命为５年以上。逡逑．Ｘｒ邋＇逡逑图１．邋１邋ＳＮＡＰ－１卫星上的微推力器逡逑荷兰ＴＮＯ、Ｔｗｅｎｔｅ大学和Ｄｅｌｆｔ大学一起研发的Ｔ３ｐＰＳ固体冷气微推进系统［２１］，己逡逑在－ＣｕｂｅＳａｔ上进行了飞行验证，该系统由储气瓶和电路板组成，储气瓶内安装了冷气生逡逑成器、电磁＿、压力传感器等，固体冷气微推进系统质量仅为１４０ｇ，满足了小卫星对微逡逑推进系统的质量及体积要求。逡逑清华大学的唐飞技术结合在冷气微推进系统上，提出基于ＭＥＭＳ的冷逡逑气推进系统．从不同的喉部尺寸和扩张比的角度，对微推力器的推进性能进行了实验测逡逑量

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图１．２直接测量模式逡逑２00４年清华大学沈岩［３１）１等人设计了低成本的测力装置，进行低功率水电弧微推力逡逑器推力测量实验。其测量原理图如图１．２所示，主要由微推力器支架和电子秤组成，微逡逑推力器支架固定在电子秤上，在电子秤上直接读出推力，也可将电子秤的数据输出至计逡逑算机上处理。逡逑ｎ邋仿感器逡逑＾推进器］）0邋ｆ逡逑｜邋＂Ｔ逦逦＞．逦？逡逑逦轴承组邋ｇ邋＼逡逑逦邋二邋＼栜龙逡逑／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／．逡逑图１．３推力架结构示意图逡逑２00８年中科院力学研宄所李腾等人设计了采用悬臂梁结构的微推力测试台架，逡逑推力测量台架如图１．３所示，推力器和轴承组固定联接在一块，可以在导轨上滑动，产逡逑生的推力作用在悬臂梁上，悬臂梁的变形由力传感器测量。逡逑１９９９年航天计量测试技术研宄所赵宝瑞［３２］等人设计了电磁天平模式测量微推力的逡逑装置，推力量程为１０？１邋０００邋ｍＮ。电磁天平结构原理如图１．４所示，调整平衡装置Ｄ１、逡逑Ｄ２和Ｄ３使天平梁的质心与天平中刀０重合，消除了电火箭自重对推力的影响，通过逡逑测量力矩器的输出电流测量出微推力。逡逑３逡逑

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逦—Ｌ逦Ｉ，—－邋，１逡逑图１．２直接测量模式逡逑２00４年清华大学沈岩［３１）１等人设计了低成本的测力装置，进行低功率水电弧微推力逡逑器推力测量实验。其测量原理图如图１．２所示，主要由微推力器支架和电子秤组成，微逡逑推力器支架固定在电子秤上，在电子秤上直接读出推力，也可将电子秤的数据输出至计逡逑算机上处理。逡逑ｎ邋仿感器逡逑＾推进器］）0邋ｆ逡逑｜邋＂Ｔ逦逦＞．逦？逡逑逦轴承组邋ｇ邋＼逡逑逦邋二邋＼栜龙逡逑／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／／．逡逑图１．３推力架结构示意图逡逑２00８年中科院力学研宄所李腾等人设计了采用悬臂梁结构的微推力测试台架，逡逑推力测量台架如图１．３所示，推力器和轴承组固定联接在一块，可以在导轨上滑动，产逡逑生的推力作用在悬臂梁上，悬臂梁的变形由力传感器测量。逡逑１９９９年航天计量测试技术研宄所赵宝瑞［３２］等人设计了电磁天平模式测量微推力的逡逑装置，推力量程为１０？１邋０００邋ｍＮ。电磁天平结构原理如图１．４所示，调整平衡装置Ｄ１、逡逑Ｄ２和Ｄ３使天平梁的质心与天平中刀０重合

【参考文献】