一种同时测量推力器主轴推力和偏心推力的装置及方法

摘要

一种同时测量推力器主轴推力和偏心推力的装置及方法，属于力的测量技术领域。该装置包括推力器、两个基座、两个支撑轴、两个力传感器、推进剂导管和力信号处理单元及计算机。第一横梁绕第一支撑轴旋转，第二横梁绕第二支撑轴旋转；两支撑轴位于同一竖直平面内且平行布置。推力器安装在第二横梁上，其主轴轴线与两个支撑轴中心连线垂直。该方是将推力分解为主轴推力和偏心推力，偏心推力再分解为二维方向上的两个分力，通过力矩平衡方法测量每个方向上的分力，再通过力的合成，即可给出偏心推力和主轴方向的推力值。本发明所述装置具有原理结构简单、操作方便、重复性好等优点，可以满足不同类型推力器主轴方向推力和微小偏心推力测量的需要。

说明书

技术领域

本发明涉及一种力测量设备，尤其涉及一种同时测量推力器微小偏心推力和主轴推力的推力测量装置及方法，属于力的测量技术领域。

背景技术

推力器的作用是为各种航天器如卫星、飞船等空间飞行器提供姿态调整和轨道保持控制的冲量，推力器通过工作过程中喷射推进剂的方式来提供沿推力器轴线(主轴)方向的推力。但是这些推力器在提供主轴推力的同时，由于推力器自身在加工过程中的安装误差、喷管的加工和位置误差、推进剂的喷射角度变化、催化剂装填不对称等因素导致推力器除了产生沿主轴的主推力外，还在喷管出口平面的径向方向上有推力的分量，即：偏心推力的存在，如果此力过大，会对飞行器的姿态调整造成显著影响。随着加工精度和组装测试技术的进步，这个径向推力分量的值在逐步减小。如果飞行器对控制精度要求不高，可以忽略这个分力，当飞行器需要完成一些高精度任务时，如准确定点相对位置等，或者推力器要求配对使用时，将会产生附加力矩作用在飞行器上，这时径向推力分量的影响将会变得明显，因此需要给出此径向推力分量的力值范围和作用方向。此力的突出特点是力值很小，与主轴推力相比，其力值约为主轴推力的百分之几，或者更小，导致测量难度更大。因此，除了测量推力器的主轴方向的推力外，还需要准确评估和测量推力器的偏心推力。

目前已有的技术，如(ZL201410141249.4)公开了“一种量程可调型微小推力测量装置”，该装置虽然可以很好的测量推力器的微小推力，但只能够测量推力器主轴方向的推力，不能实现同时测量主轴推力和偏心推力的情况。因此，需要开发同时能够测量主轴方向推力和微小偏心推力的推力测量装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种在测量推力器主轴推力的同时也能对微小偏心推力进行测量的推力测量装置，实现一体化结构，即对推力器工作过程中产生的主轴方向的推力和微小偏心推力能同时进行有效的测量，这对研究推力器在真空条件下的工作特性具有重要的工程应用价值，使其在航空航天领域对推力器的微小推力研究和性能测试中起到重要的作用。

本发明提供的技术方案如下：

一种同时测量推力器主轴推力和偏心推力的装置，该装置包括推力器、第一基座、第一横梁、第一支撑轴、推进剂导管、第一力传感器、力信号处理单元及计算机；所述的第一横梁通过第一支撑轴和第一连接板吊装在第一基座上，且第一横梁能够绕第一支撑轴旋转；其特征在于：该装置还包括第二基座、第二横梁、第二支撑轴和第二力传感器；第一横梁通过第一支架与第二基座相连接；所述的第二横梁通过第二支撑轴和第二连接板吊装在第二基座上，且第二横梁能够绕第二支撑轴旋转；所述第一支撑轴和第二支撑轴位于同一竖直平面内且平行布置；推力器通过法兰安装在第二横梁的一端，第二横梁的另一端安装调节质量块；推力器的主轴延长线经过第二支撑轴的中心，并与两个支撑轴中心连线垂直；所述的力信号处理单元分别通过信号线与第一力传感器和第二力传感器连接。

进一步地，第一支撑轴和第二支撑轴内设有推进剂流道，所述的推进剂导管的出口与第一横梁内的推进剂流道入口相连通，然后经一段竖直导管与第二支撑轴内的推进剂流道连通，第二支撑轴的推进剂流道的出口通过平行于第二横梁的推进剂导管与推力器的进口连接。

进一步地，在第二支撑轴6下部沿竖直方向设置第二支架4，该第二支架上端与第二横梁7固定，第二支架的下端安装配重块3。

本发明提供的一种同时测量推力器偏心推力和主轴推力的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)启动推力器，产生主轴方向上的推力Fx和偏心推力的分力Fz，使偏心推力的分力Fz垂直作用在第二横梁上；

2)利用第一力传感器和第二力传感器分别测量得到作用在第一横梁和第二横梁的垂直方向上的力值F

3)根据力矩平衡原理，利用方程(1)和(2)求得主轴方向上的推力Fx和偏心推力的分力Fz；

F

F

4)将推力器沿主轴旋转90度，重复步骤1)-2)，产生主轴方向推力Fx和偏心推力的另一分力Fy，使偏心推力的另一分力Fy垂直作用在第二横梁上；

根据力矩平衡原理，利用方程(3)和(4)求得主轴方向上的推力Fx和偏心推力的分力Fy；

F

F

5)根据力的合成原理，利用公式(5)和公式(6)，即得到推力器的偏心推力F

式中：F

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性的技术效果：①本发明有效克服了现有技术中只能测量推力器主轴方向推力的技术缺陷，实现了能够在同一设备上同时测量主轴方向的推力和微小偏心推力的功能，即可同时给出两个方向的推力值。②该装置具有原理结构简单、操作方便、重复性好等优点，可以满足不同类型推力器微小偏心推力测量的需要。③推力器的偏心推力的力值约为主轴推力的百分之几，或者更小，本发明能够准确的测量出这个微小偏心推力，偏心推力的分辨能力可以达到毫牛量级，主轴方向的推力范围可以从几十毫牛到牛量级；这对研究推力器在真空条件下的工作特性具有重要的工程应用价值，同时在航空航天领域对推力器的微小推力研究和性能测试起到重要的作用。

附图说明

图1为本发明提供的测量装置实施例的原理结构示意图。

图2a为本发明同时测量主轴方向的推力Fx和偏心推力的分力Fz的原理示意图。

图2b为将推力器绕其轴线旋转90°后，同时测量主轴方向的推力Fx和与分力Fz垂直的另一分力Fy的原理示意图。

图3a为本发明同时测量主轴方向的推力Fx和偏心推力的分力Fz的受力分析示意图。

图3b为本发明同时测量主轴方向的推力Fx和偏心推力的分力Fy的受力分析示意图。

图中：1-推力器；2-安装法兰；3-配重块；4-第二支架；5-第二连接板；6-第二支撑轴；7-第二横梁；8-调节质量块；9-第二力传感器；10-第二基座；11-第一支架；12-第一连接板；13-第一支撑轴；14-第一横梁；15-推进剂导管；16-第一力传感器；17-第一基座；18-力信号处理单元；19-计算机。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体结构、工作原理和工作过程作进一步的说明。

参见图1，本发明提供的一种同时测量推力器偏心推力和主轴推力装置的结构原理示意图，该装置包括推力器1、第一基座17、第二基座10、第一横梁14、第二横梁7、第一支撑轴13、第二支撑轴6、推进剂导管15、第一力传感器16、第二力传感器9、力信号处理单元18及计算机19；所述的第一横梁14通过第一支撑轴13和第一连接板12吊装在第一基座17上，且第一横梁14能够绕第一支撑轴13旋转；所述的第二横梁7通过第二支撑轴6和第二连接板5吊装在第二基座10上，且第二横梁7能够绕第二支撑轴6旋转；所述第一支撑轴13和第二支撑轴6位于同一竖直平面内且平行布置。所述第一力传感器16一端安装在第一基座17上，其另一端与第一横梁14相接触；所述的第二力传感器9一端安装在第二基座10上，另一端与第二横梁7接触。第一横梁14通过第一支架11与第二基座10相连接。第一支架11的一端与第一横梁14固定，另一端与第二基座10固定。在第二支撑轴6下部沿竖直方向设置第二支架4，该第二支架上端与第二横梁7固定，第二支架的下端安装配重块3。

推力器1通过安装法兰2安装在第二横梁7的一端，第二横梁的另一端安装调节质量块8；推力器的主轴轴线经过第二支撑轴6的中心，并与两个支撑轴中心连线垂直。由于主轴方向的力过第二支撑轴的中心，从而其对第二支撑轴的力臂为0，不会对偏心推力的测量造成影响。

所述的第一力传感器16和第二力传感器9分别通过数据线与力信号处理单元18连接，力信号处理单元通过数据线与计算机19连接；第一力传感器和第二力传感器给出的模拟信号经过力信号处理单元18处理后输入到计算机19进行数据记录、转换并保存。

所述推进剂导管15通过第一支撑轴13和第二支撑轴6与推力器1相连接，且固定在第一基座17上。具体地，所述第一支撑轴13和第二支撑轴6内设有推进剂流道，所述的推进剂导管15的出口与第一横梁14内的推进剂流道入口相连通，然后经一段竖直管路与第二支撑轴6内的推进剂流道连通，第二支撑轴6的推进剂流道的出口通过平行于第二横梁7的推进剂管路与推力器的进口连接。

在第二支撑轴6的下部沿竖直方向设置第二支架4，在该第二支架的底端安装配重块3，通过调整配重块3的重量，使推力器1、第二横梁7、调节质量块8和配重块3组成的系统的重心落在第二支撑轴6的下方，保证测量装置的整体稳定性。

下面结合图2a、图2b、图3a和图3b详细说明本发明的测量方法和工作原理。

对于需要进行偏心推力和主轴方向推力测量的推力器，首先将推力器安装在安装法兰2上，并连接相应的推进剂管路和控制导线，利用砝码进行系统的标定，给出每个方向上的灵敏度系数，即电压与推力值的转换关系。启动推力器，工作产生的二个方向上的推力分别经过第一横梁和第二横梁作用在第一力传感器和第二力传感器上，得到的模拟电信号进入力信号处理单元进行放大和处理后输入计算机中。由于推力器的偏心推力沿半径方向，其大小和方向未知，因此，在偏心推力的测量中，需要对此偏心推力做力的分解(参考图3a、图3b)，分解成相互垂直的两个分力(Fy和Fz)，先测量并计算出Fx和Fz；然后将推力器沿轴心旋转90度安装，这时y方向的力将旋转到z方向，测量并计算给出Fx和Fy,再利用力的合成原理给出偏心推力的大小和方向；其具体测量方法如下：

1)启动推力器，系统产生主轴方向上的推力Fx和偏心推力的分力Fz，使偏心推力的分力Fz垂直作用在第二横梁上；采用力传感器得到

2)利用第一力传感器和第二力传感器分别测量得到作用在第一横梁和第二横梁的垂直方向上的力值F

3)根据力矩平衡原理，利用方程(1)和(2)求得主轴方向上的推力Fx和偏心推力的分力Fz；

F

F

4)将推力器沿主轴旋转90度，重复步骤1)-2)，产生主轴方向推力Fx和偏心推力的另一分力Fy，使偏心推力的另一分力Fy垂直作用在第二横梁上；

根据力矩平衡原理，利用方程(3)和(4)求得主轴方向上的推力Fx和偏心推力的分力Fy；

F

F

5)根据力的合成原理，利用公式(5)和公式(6)，即得到推力器的偏心推力F

式中：F