FMMR微推進(jìn)系統(tǒng)推力測量裝置研究①

欒希亭，張晰哲，韓先偉，陳祖奎，毛根旺

(1.西北工業(yè)大學(xué)，西安 710072;2.西安航天動力研究所，西安 710100)

0 引言

自由分子流微電阻加熱推力器(FMMR)是一種基于MEMS技術(shù)的新型電熱式推力器，其原理是利用薄膜電阻發(fā)熱，推進(jìn)劑分子通過與燃燒室壁面的碰撞獲得能量，然后由膨脹槽噴出，從而產(chǎn)生推力。FMMR微推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，在空間任務(wù)中具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。但FMMR推力器產(chǎn)生的推力只有幾mN，如何準(zhǔn)確獲得其推力一直是一個技術(shù)難點。

常用推力測量裝置都是將推力器固定在試車架上，通過測量推力器工作而引起的試車架形變來獲取推力器的推力。由于推力較大，系統(tǒng)內(nèi)各種供氣、供液管路及供電線路對形變產(chǎn)生的約束都可忽略不計。但對于微推進(jìn)系統(tǒng)來說，這些管路和線路產(chǎn)生的影響是可以與其推力相比擬的，若不設(shè)法消除這些影響，就無法準(zhǔn)確獲得推力;另外，在地球的重力場中，微推進(jìn)系統(tǒng)的自重遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其產(chǎn)生的推力。因此，在重力場中進(jìn)行微小推力測量必須消除推力器自重對推力測量的影響。總的來說，微小推力測量需要解決以下幾個問題:微推力器自重與推力的分離;微推力器供電系統(tǒng)對推力測量的影響;微推力器推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)對推力測量的影響[2]。

本文設(shè)計了一個天平式的微推力測量裝置，為提高其測量精度，就如何消除推進(jìn)系統(tǒng)自重和供電線路對推力測量的影響進(jìn)行研究。

1 系統(tǒng)組成

1.1 方案選擇

微小推力的測量原理多種多樣，但大多是使用剛性支架支撐推力器，或是將推力器懸掛，并使其推力方向與重力方向垂直，從而消除推力器自重對推力的影響;再采取一定的方法盡量降低供電線路和供氣管路對推力器的非剛性約束;最后利用力/力矩，或位移傳感器測量微小推力引起的變化從而測得推力大小。

微推力測試實際上是基于微推力臺架進(jìn)行的測試，其實質(zhì)是通過測量在微推力作用下推力臺架的響應(yīng)，如振動幅度(位移)，間接測量推力或脈沖量。對于一個給定的微推力器，測試量主要是單脈沖沖量、總沖量和平均推力。本文采用天平式結(jié)構(gòu)測量FMMR微推進(jìn)系統(tǒng)的平均推力，通過標(biāo)定靜態(tài)推力與支架位移之間的關(guān)系，用測量出的位移量計算平均推力。

在整個微小推力測量裝置設(shè)計中，推力器推力與自重的分離是一個難點，目前大部分天平式的小推力測量裝置利用隨遇平衡原理，即通過結(jié)構(gòu)設(shè)計，將整個裝置的質(zhì)心落在天平的支點上，從而消除推力器自重[3]。這種方式的測量精度高，但裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy，且成本較高。本文采用系統(tǒng)配重方法，保持天平兩端的質(zhì)量基本相等，然后根據(jù)天平的傾角，利用計算方法消除重力對推力測量的影響。

針對推力器的供電，提出了3種解決方案:電磁線圈無線供電，系統(tǒng)內(nèi)集成電池，觸點式外接供電線路。電磁線圈無線供電的作用距離較短，必須將其與推力測量裝置集成，但因其質(zhì)量較大，集成后會影響裝置的調(diào)平，增加調(diào)試難度。系統(tǒng)內(nèi)部集成電池的方案存在同樣的問題，體積小的電池功率無法滿足系統(tǒng)要求，功率足夠的電池卻具有較大的體積和質(zhì)量。最終將推力器的供電方案確定為觸點式外接供電線路形式。

圖1是供電線路接入的結(jié)構(gòu)示意圖。圖1中粗實線為電流通路，與天平橫梁絕緣，A點為天平中刀與橫梁接觸線的端點，B為天平橫梁，C為外部供電線路的端部，D為與天平上的電路導(dǎo)通的金屬彈片。為了盡量減小對推力測量的影響，供電線路C與金屬彈片D的接觸點處于天平中刀與橫梁接觸線通過點A向外的延長線上，此時若天平在微推力器推力作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)，則由供電線路接入產(chǎn)生的摩擦力對天平橫梁B的作用力矩為零。另外，針尖對彈片的結(jié)構(gòu)形式也在保證可靠接觸的同時，將接觸點的摩擦力控制在最小。

為確定供電接入形式對天平受力后動作的影響，利用標(biāo)準(zhǔn)砝碼對供電接入前后天平的動作進(jìn)行標(biāo)定。取總質(zhì)量分別為 0.3、0.6、0.9、1.2、1.5 g 的標(biāo)準(zhǔn)砝碼組合，每個質(zhì)量點測量10組位移數(shù)據(jù)，取最大值、最小值和平均值列于表1中。由表1可看出，供電線路接入前測量到的天平位移略大于理論計算值，而供電線路接入后測量到的天平位移略小于理論計算值，這表明供電線路接入點產(chǎn)生的摩擦力對天平橫梁的動作產(chǎn)生了一定的阻礙。但觀察到測量數(shù)據(jù)極值與平均值的誤差不超過±3%，數(shù)據(jù)具有較好的重復(fù)性，可用于計算微推力器的推力，證明上述的供電線路接入結(jié)構(gòu)能夠應(yīng)用于微推力測量裝置。

圖2為使用標(biāo)準(zhǔn)砝碼進(jìn)行標(biāo)定時，天平的理論計算位移量與供電線路接入前后傳感器測量到的位移量的曲線。從圖2可看出，砝碼質(zhì)量越大，測量位移與理論位移的差值也越大，但3組數(shù)據(jù)都具有較好的線性。分析認(rèn)為測量位移與理論位移之間產(chǎn)生誤差的原因:(1)彈簧的實際剛度略小于設(shè)計剛度;(2)供電線路接入點的摩擦力阻礙了天平在砝碼作用力下的動作。

圖1 供電線路接入結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schem atic of supp lying electric circuit

表1 供電線路接入前后測量的天平位移Table 1 Displacement before and after connectingthe power supp ly w ire

圖2 供電線路接入前后標(biāo)定曲線Fig.2 Calibration curves before and after connecting the power supply w ire

為了消除推進(jìn)劑供應(yīng)管路對推力測量的影響，將整個微推進(jìn)系統(tǒng)集成后整體進(jìn)行推力測量。集成后的系統(tǒng)包括:推進(jìn)劑貯箱、推進(jìn)劑供應(yīng)管路、閥門與推力器等。推進(jìn)劑管路與天平裝置沒有任何形式的接觸，完全消除了推進(jìn)劑供應(yīng)管路對推力測量的影響。圖3為FMMR微推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成。

圖3 FMMR微推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成Fig.3 Component of FMMR m icro propulsion system

1.2 系統(tǒng)組成

按照微推力測試裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分，并按照模塊化的設(shè)計原則，整個裝置可分為3個子系統(tǒng):FMMR微推進(jìn)子系統(tǒng)，微小推力測試臺架測控子系統(tǒng)，測力天平子系統(tǒng)。

1.2.1 FMMR 微推進(jìn)子系統(tǒng)

FMMR微推進(jìn)系統(tǒng)由3個主要部分組成:推進(jìn)劑貯存組件、流體控制組件和FMMR推力器[4]。作為地面測試系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng)，F(xiàn)MMR微推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計成一個相對獨立的模塊，這樣一方面便于地面測試過程中的安裝，另一方面在某種程度上可仿真在軌運行時的工作狀態(tài)。除了微推力器、推進(jìn)劑貯存組件和流體控制組件，F(xiàn)MMR微推進(jìn)子系統(tǒng)還包括熱電偶、溫度傳感器、電阻加熱器等，其作用是保持推進(jìn)劑供應(yīng)及推力器工作狀態(tài)的穩(wěn)定，以確保微推進(jìn)系統(tǒng)能夠輸出穩(wěn)定的推力。此外，微推進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)還包括一塊控制電路，以完成系統(tǒng)供電、控制、信號采集等工作。整個測試系統(tǒng)使用無線方式傳送測量信號，避免外接電纜對測試的影響，大幅提高了測量精度。

1.2.2 微小推力測試臺架測控子系統(tǒng)

微小推力測試臺架測控子系統(tǒng)的框圖如圖4所示，測控子系統(tǒng)包含4個部分:

(1)微推進(jìn)器控制模塊:負(fù)責(zé)推力器的啟動、運轉(zhuǎn)、停止和穩(wěn)定工況的控制;

(2)參數(shù)測量模塊:負(fù)責(zé)整個測試過程中的工作參數(shù)測量、測量數(shù)據(jù)傳輸、試驗流程控制、故障檢測;

(3)測試系統(tǒng)的集成控制系統(tǒng)和操作接口:實現(xiàn)了試驗操作、過程控制和數(shù)據(jù)處理顯示，為FMMR的性能評估和工作特性分析提供信息;

(4)測試數(shù)據(jù)處理模塊:負(fù)責(zé)測量數(shù)據(jù)的采集、存貯、處理;試驗結(jié)果分析、輸出等。

為了保證測控子系統(tǒng)的先進(jìn)性、準(zhǔn)確性、可靠性和可維護(hù)性，硬件電路采用模塊化設(shè)計，利用專門設(shè)計的通信協(xié)議將各個模塊相互連接，組成測控子系統(tǒng)。可根據(jù)測量參數(shù)的要求，通過增減測量節(jié)點的數(shù)目和不同模塊，滿足不同測量任務(wù)需求。

圖4 測控子系統(tǒng)框圖Fig.4 Schematic ofmeasuring and controlling system

1.2.3 測力天平子系統(tǒng)

推力測量裝置由天平、彈簧、標(biāo)定砝碼、電磁阻尼器、配重質(zhì)量、位移傳感器以及被測裝置組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。安裝好待測系統(tǒng)后，首先調(diào)整配重質(zhì)量的位置使系統(tǒng)平衡，然后用砝碼對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。改變砝碼的質(zhì)量，獲得位移與砝碼質(zhì)量的關(guān)系曲線。去除標(biāo)定砝碼，使待測裝置開始工作，待測裝置產(chǎn)生的推力使天平橫梁旋轉(zhuǎn)，傳感器可記錄到一個位移量，將此位移量與先前獲得的曲線相對比，找出其對應(yīng)的砝碼質(zhì)量，則此砝碼質(zhì)量產(chǎn)生的力矩，即為待測系統(tǒng)的推力產(chǎn)生的力矩，由此即可求出待測系統(tǒng)的推力。

標(biāo)定砝碼與待測系統(tǒng)的推力都會使天平失衡，所以在天平橫梁下方設(shè)置了彈簧，其作用是產(chǎn)生與標(biāo)定力或待測力相平衡的力，以保證天平在旋轉(zhuǎn)一定角度后仍可達(dá)到平衡狀態(tài)。而電磁阻尼器的作用是在天平橫梁上下擺動時，迅速消耗掉多余的能量，使天平可盡快達(dá)到平衡。此處選用的位移傳感器為非接觸電容式位移傳感器，對系統(tǒng)本身的動作不會產(chǎn)生任何約束和影響，其分辨率可達(dá)0.3μm。

圖5 微推力測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic ofm icro thrustmeasuring stand

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計計算

FMMR推力器的計算推力約為2 mN，換算成質(zhì)量約為0.2 g，為了減小測量環(huán)境中雜質(zhì)的影響，希望使用質(zhì)量較大的砝碼進(jìn)行標(biāo)定。為此，將標(biāo)定砝碼的作用力臂與微推進(jìn)系統(tǒng)推力的作用力臂設(shè)計為1∶5的比例，即用相當(dāng)于5倍推力質(zhì)量的砝碼進(jìn)行標(biāo)定，提高了測量精度。

為了避免環(huán)境氣流擾動對推力測量的影響，必須將整個測量裝置放入密閉環(huán)境中，裝置的體積不能太大，綜合考慮各組件安裝所必需的空間，將天平的長度確定為600 mm左右，所以取待測推力的作用力臂為300 mm，標(biāo)定砝碼的作用力臂為60 mm。

與待測力相平衡的力由彈簧的形變產(chǎn)生，為了在相同推力作用下獲得較大位移量，希望彈簧剛度盡量小，但過小的彈簧剛度可能導(dǎo)致天平橫梁偏轉(zhuǎn)過大，與天平支架相接觸。綜合考慮彈簧的材料、制作工藝，安裝空間及天平結(jié)構(gòu)等因素后，取彈簧的設(shè)計剛度K=0.3 N/mm;同時，基于盡量在傳感器處獲得更大位移量的考慮，彈簧的作用力臂應(yīng)短一些，所以將彈簧的作用力臂設(shè)計為30 mm。此時，若標(biāo)定砝碼的質(zhì)量為1 g，則彈簧受到的壓力F=19.6 mN，可由式(1):

求得彈簧的形變l=65.3μm。

為了使位移傳感器測量得到的位移量更大，將傳感器探頭與天平支點的距離設(shè)為270 mm，則傳感器測量到的位移為

式中L為彈簧的作用力臂，L=30 mm;L'為傳感器探頭與天平支點的距離，L'=270 mm;l'為傳感器測量到的位移，μm。

根據(jù)式(1)和式(2)可求得，當(dāng)待測推力在1～3 mN之間變化時，傳感器測量到的對應(yīng)位移為300～900μm，并且此位移隨推力大小呈線性變化。

如果希望測量結(jié)果具有更高的精度，可根據(jù)測量到的位移量l'計算出天平橫梁的傾角α，再通過α求出系統(tǒng)質(zhì)量對l'的影響，消除此影響后即可獲得更精確的推力值。不過，在實際測試中，由于天平橫梁的傾角很小，該影響可忽略不計。

3 試驗結(jié)果

已知水推進(jìn)劑的FMMR推力器比沖為70 s，根據(jù)推進(jìn)劑質(zhì)量流量可求出推力器的理論推力[5]。

改變FMMR系統(tǒng)的工作參數(shù)，對不同工況下的推力進(jìn)行測量。取推進(jìn)劑流量分別為 1.32、2.11、3.05 mg/s，每個流量點測量20組數(shù)據(jù)，結(jié)果列于表2。由表2可看出，實測推力比理論計算推力略大，這可能是受天平橫梁重心偏移的影響。按高斯分布計算測量誤差，得到3倍均方根誤差為0.076，則微推力測量裝置的總精度約為±8%。

圖6為不同流量下推力測量數(shù)據(jù)的分布情況，圖中的直線顯示了各個流量下的平均測量推力。由圖6可看出，測量數(shù)據(jù)點基本均勻分布在平均值上下，并無誤差過大的數(shù)據(jù)點產(chǎn)生。

表2 FMMR微推進(jìn)系統(tǒng)推力測量結(jié)果Table 2 Experimental results ofm icro thrustmeasuring stand

圖6 不同流量下的推力測量結(jié)果Fig.6 Testing curves of variousmass flow

4 結(jié)束語

為了系統(tǒng)研究FMMR微推進(jìn)系統(tǒng)的性能，設(shè)計了一個天平式的微推力測量裝置，該裝置利用配平質(zhì)量和特殊的供電接入等方式消除了推進(jìn)系統(tǒng)自重和供電線路對推力測量的影響;采用不等臂的天平結(jié)構(gòu)有效放大了待測推力導(dǎo)致的位移，提高了測量精度。該裝置結(jié)構(gòu)簡單、制作方便，并且適用于各種集成化的微推進(jìn)系統(tǒng)。試驗表明，該裝置的測量精度可達(dá)±8%，測量結(jié)果具有一定的參考價值。

[1] Lee R H，Bauer A M，Killingsworth M D，et al.Performance characterization of the freemoleculemicro-resistojet utilizing water propellant[C]//43rd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference ＆ Exhibit.AIAA，2007，5-6.

[2] 唐飛，葉雄英，周兆英.一種基于間接標(biāo)靶法的微小推力測量技術(shù)[J].微納電子技術(shù)，2003，7/8:438-439.

[3] 趙寶瑞，李晶，蔣金偉.微小推力自動測量系統(tǒng)研究[J].宇航計測技術(shù)，2000，20(4):32-34.

[4] 張晰哲，韓先偉，等.基于水推進(jìn)劑自由分子流微型電阻加熱推力器的微推進(jìn)系統(tǒng)[C]//第五屆中國電推進(jìn)技術(shù)學(xué)術(shù)研討會論文集.大連:大連理工大學(xué)，2009:69-70.

[5] 韓先偉，唐周強(qiáng)，等.自由分子流微電熱推力器工作特性和性能研究[J].固體火箭技術(shù)，2005，28(2):83-90.