微小推力測量系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性研究

龔景松，侯凌云，趙文華

（清華大學航天航空學院，北京100084）

0 引 言

空間技術(shù)的發(fā)展對應(yīng)用于衛(wèi)星等航天器的推進技術(shù)的要求越來越高[1]，對發(fā)動機工作參數(shù)的測試要求越來越細致、準確和全面。當發(fā)動機執(zhí)行微小衛(wèi)星的姿態(tài)控制任務(wù)時，要求發(fā)動機提供的推力只有幾個毫牛到幾百毫牛甚至到微牛量級[2-3]，且工作時間很短，基本在脈沖工況下工作。對這些小推力發(fā)動機而言，由于推力小、推進劑流量小以及要求測量瞬態(tài)參數(shù)，一直是推進系統(tǒng)地面實驗的關(guān)鍵技術(shù)之一。

發(fā)動機瞬態(tài)力測量的研究在近年來受到廣泛重視，孫寶元等[4]開展了20 N推力的動態(tài)測量實驗裝置的開發(fā)和建模分析驗證；董洪強等[5]設(shè)計了一種100N情況下的推力測量裝置；歐陽華兵等[6]采用動態(tài)數(shù)字濾波補償技術(shù)對某小型姿控固體火箭發(fā)動機瞬態(tài)推力進行測量，改善了測量系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性；或者采用自適應(yīng)濾波技術(shù)對信號進行處理[7]等。從這些研究中可以看出，動態(tài)力的測量對響應(yīng)時間要求高，且無統(tǒng)一的標定標準，因此存在較大挑戰(zhàn)，特別當發(fā)動機的推力小到幾百毫牛時，其動態(tài)測量就變得更加艱難。因此，深入研究測量系統(tǒng)動態(tài)微小推力測量特性及提高推力測量精度在微小發(fā)動機的測試相關(guān)研究中是非常重要的。

本文的研究任務(wù)是根據(jù)微小推力測量裝置推力測量特點，尋找能夠簡單加載動態(tài)推力的方法及其標定裝置，并對前期開發(fā)的測量裝置進行動態(tài)特性測試。

1 實驗系統(tǒng)

在前期的研究中，設(shè)計了一套用于測量發(fā)動機微小推力的推力測量系統(tǒng)，并對其穩(wěn)態(tài)測量特性進行了系統(tǒng)的研究，在400 mN的量程范圍內(nèi)，系統(tǒng)的標定誤差小于±1%FS，并具有良好的穩(wěn)定性和重復性。

在穩(wěn)態(tài)測量的基礎(chǔ)上，還需要進一步對其動態(tài)響應(yīng)特性進行研究。綜合分析可以看出，目前在動態(tài)加載方面最常用的主要有兩種方法：負階躍力響應(yīng)法和沖擊力響應(yīng)法[6]。負階躍力響應(yīng)法的特點是先加載一定的力于測量系統(tǒng)，然后突然將此力卸載，則測量系統(tǒng)受到一個負的階躍力作用，卸載的方法包括如采用剪刀、脆性材料斷裂、激波管等[8]，其關(guān)鍵在于必須在極短的時間內(nèi)突然卸載，否則就不能獲得理想的階躍力。沖擊力響應(yīng)法是采用力錘激勵推力測量系統(tǒng)的一種方法，其關(guān)鍵在于如何控制沖擊力的大小及幅度，其缺點是力的大小不易控制。當力的范圍達到毫牛級別時，常規(guī)的方法都很難直接用來進行測量系統(tǒng)的標定，必須在上述方法的基礎(chǔ)上針對微小力的特點選擇適合的標定加載方法。

本文對上述兩種方法都進行了試驗，最終選擇了電磁加載方式下的負階躍力的加載模式，得到了良好的試驗結(jié)果。

所搭建的試驗系統(tǒng)如圖1所示，主要包括底座、橫梁、刀口、配重、推進劑管路及導線、發(fā)動機及其控制系統(tǒng)和信號處理單元。在試驗過程中，還需要根據(jù)不同的加載方法將加載小球或電磁線圈加載到橫梁上。

圖1 測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖及加載方式

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 小球下落的加載方法

讓小球從一定高度下落到測量系統(tǒng)的橫梁上（類似于力錘的加載），通過對試驗系統(tǒng)的設(shè)計，保證了小球下落到橫梁上時的速度很小，利用測試軟件將力的變化采集存儲下來，得到的典型信號曲線如圖2所示。曲線的形狀和變化過程符合一般力學規(guī)律，同時可以通過對系統(tǒng)的建模分析出系統(tǒng)的特性參數(shù)，從而獲得系統(tǒng)的連續(xù)傳遞函數(shù)及其頻率特性。但是對于實際的一個測量系統(tǒng)，有很多參數(shù)無法準確給出，從而會對測量系統(tǒng)的特性參數(shù)產(chǎn)生一定的影響。另外，從上面的加載中還可以看出，當小球下落的時候，由于小球與橫梁之間總會存在距離，導致小球下落到橫梁時與橫梁發(fā)生碰撞，存在一個沖擊力，此沖擊力與小球和橫梁之間的距離有關(guān)系。當測量的力的數(shù)值較大時，可以采用此種方法進行標定；但是當力的數(shù)值較小時，此沖擊的相對值將會變得很大，無法直接從曲線看出系統(tǒng)的響應(yīng)時間。

圖2 小球下落到橫梁上得到的力隨時間的變化圖

2.2 小球加載的負階躍力響應(yīng)

為了消除上面的小球下落與橫梁的沖擊，把小球用細線懸掛在橫梁上，如圖1所示。所使用的小球質(zhì)量為20.0 g，經(jīng)過力臂折算后的等效質(zhì)量為26.9g，重量為263.6mN。當小球穩(wěn)定后，使用剪刀將其剪斷，同時記錄傳感器的信號輸出，得到的曲線如圖3所示。從試驗曲線看，測量系統(tǒng)給出的力的大小為262mN，與小球的等效重量吻合，同時其重復性良好。但是從曲線中也可以看出，當剪斷細線的瞬間，剪刀與細線之間的力傳給了測量系統(tǒng)，導致最初的一個力的增加，但是此力很快就消失了，同時剪刀對細線的力是隨機的，很難保證一致，這可以認為是操作因素造成的信號變化。

2.3 電磁力加載的負階躍力響應(yīng)

為了消除上面的加載中操作因素的影響，采用了電磁力的加載方式，從而避免了運動部件或操作因素帶來的干擾。

圖3 小球被剪斷得到的信號隨時間的變化圖

首先研究了電磁加載方式的時間響應(yīng)情況。傳感器采用響應(yīng)頻率可以達到40 kHz的石英式壓電傳感器（由PCB公司生產(chǎn)），將鐵芯棒直接固定在壓電傳感器上，線圈套在鐵芯上，不讓鐵芯和線圈接觸，采用直流精密整流電源給線圈供電，通過開關(guān)給線圈通電和斷電，傳感器的信號經(jīng)過信號調(diào)制后用示波器記錄電壓變化情況。結(jié)果表明，電磁線圈加載方式下的響應(yīng)時間小于5 ms，由于傳感器的響應(yīng)時間比5ms小很多，所以這個時間就是電磁加載的響應(yīng)時間，利用此力源給測量裝置進行加載。

試驗系統(tǒng)如圖1中所示，在橫梁的右端固定一鐵芯，其質(zhì)量約30g，電磁線圈固定在三維坐標架上，通過三維調(diào)節(jié)使柱形鐵芯正好在線圈的中心，與線圈無接觸，電磁線圈的電壓由精密穩(wěn)壓電源提供，實驗過程中通過開關(guān)通斷就可以給鐵芯加載和卸載電磁力。力的大小通過調(diào)節(jié)直流精密穩(wěn)壓電源的電壓來實現(xiàn)，保證了電磁線圈的穩(wěn)定性。當線圈接通電流時，電磁線圈就會對鐵芯產(chǎn)生拉力，由于鐵芯和測量裝置固定在一起，所以這個力就被作用在測量裝置上，由于沒有運動部件的接觸加載，可以有效降低碰撞造成的沖擊力的巨大波動，從而使標定過程簡單化。典型加載力的試驗曲線如圖4、圖5所示。

圖4 電磁力為170mN時的測量曲線圖

圖5 電磁力為170mN時測量曲線的局部放大圖

從測量曲線可以看出，電磁力加載情況下，推力器對電磁力的測量反應(yīng)很好，避免了小力測量中加載方式對加載的沖擊影響，信號的波動情況很好，曲線變化明顯、光滑，整套測量裝置的響應(yīng)時間可以達到約15ms。

3 結(jié)束語

通過前期的理論分析和實驗加載研究，可以得到如下結(jié)論：

（1）提出和采用的電磁加載標定方式簡單實用，可以有效解決微小推力的動態(tài)測量加載問題。

（2）本測量裝置在動態(tài)測量方面可以達到15ms的響應(yīng)時間，能夠滿足實際發(fā)動機微小推力測量過程中對測量系統(tǒng)的要求。

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