空间电推进微小推力测量技术

针对应用于空间电推进领域的微小推力测量技术的研究现状,回溯了微小推力测量技术的发展历程,梳理了测量方法的技术路线,详细介绍了扭摆式、悬摆与倒摆式、天平式和投靶式测量装置以及电磁式微小推力测量装置;针对测力系统的标定技术进行了综述,介绍了有力源微小推力标定方法和无力源标定方法;根据微小推力测量装置自身特性,介绍了其性能评估方法与环境相互作用的噪声响应情况。最终分析了微小推力测量技术的特点,给出了对该技术持续研究与开展应用的认识。

一种基于间接标靶法的微小推力测量技术

提出了一种基于间接标靶法的微小推力的测量方法。对测量原理进行了分析。利用该测量方法对一系列利用微机械技术 (MEMS)制作的微喷管的性能进行了测量。给出了在不同燃烧室压强和喉部尺寸时 ,微喷管推力的测量结果 。

基于石英晶片扭转效应的微小推力测量研究

针对毫牛(mN)级电推进器输出推力的动态测量难题,该文基于压电式扭矩传感器开发了一种微小力测量装置,通过将推进器端“小力-大力臂”转化为测量端“小力臂-大力”的方式,将推进器输出的微小力转化成扭矩测量,实现了毫牛(mN)级微小力的测量。通过电磁力施加标准微小力的方式对测量装置进行静态标定,非线性误差和重复性误差分别为1.26%和1.43%。采用脉冲激励响应实验法获得测量装置在推力测量方向上的固有频率为35 Hz。试验结果表明,该测量装置对mN级电推进器微小输出力测量的可行性。

微小推力测量系统动态响应特性研究

为满足微小卫星姿态和轨道控制发动机微小推力(几百毫牛量级)动态特性研究和测试的需要,在一种微小推力测量系统上(其推力范围为0～400mN)开展了动态响应特性研究,分别采用小球加载和电磁加载技术给系统加力,对比了小球下落、负阶跃力响应和电磁加载的动态响应过程。实验结果表明:电磁加载标定方式简单实用,避免了运动部件和操作因素等随机干扰带来的误差;测量系统的响应时间达到了15ms,并具有很好的测量稳定性和重复性,可以满足微小卫星用发动机的动态推力测量的需要,具有很好的应用前景。

微小推力冷气发动机动静态性能实验研究

针对所设计的微小推力冷气发动机进行高空模拟试验,搭建了试验系统,并应用推力测试装置测量了发动机不同推进剂下的推力和比冲,得到了发动机的稳态特征参数,当分别以丙烷和氮气为推进剂时,平均比冲分别为83.5s和75.6s。为了获得发动机的动态特征参数,对推力测量装置进行了负阶跃力和正阶跃力动态标定,通过标定数据的对比验证得到推力测量系统的延迟时间为90ms;进而在特定试验工况下,给出了发动机和推力测量装置实际上升时间的计算方法,得到丙烷质量流量为40mg/s时,发动机的上升时间为27.1ms。

微小推力下小卫星的轨道递推与推力标定

针对采用微小推力进行轨道机动的小卫星,考虑复杂摄动力的基础设计了一种高精度轨道外推和推力在轨标定算法。首先,建立了考虑地球复杂摄动力和微小推力的小卫星轨道动力学模型;然后基于动力学模型,利用变步长龙格库塔算法,设计了对微小推力小卫星进行高精度轨道外推的方法。随后通过无迹卡尔曼滤波器(UKF),设计在轨标定算法,对存在误差的微小推力实时标定进行了研究。最后,根据轨道外推仿真验证结果和STK软件结果进行对比,验证了轨道递推方法的有效性和精确性,通过推力标定的仿真结果,验证了推力在轨标定算法的精确性和可行性。

电火箭微小推力自动测量装置研究

微小推力准确测量是研究电火箭的关键技术之一。介绍了一种电火箭微小推力自动测量装置 ,该装置可实现电火箭微小推力自动准确的测量。

采用双弹性元件级联的微小推力测量方法

微小型推进器和推进技术的研究开发迫切要求mN级或更小推力的动态测量。该文提出了一种微小力测量方法,采用双弹性元件级联结构,兼顾实现高刚度和高灵敏度的测量性能,并简化了传感器的设计。在该结构原理的理论分析的基础上,研制了一套高灵敏度的电阻应变片式动态力传感器,达到10mV/(mN.V)的灵敏度和0.06mN的分辨率,带宽达到850Hz。通过标定其静、动态性能验证了双弹性元件级联式微小力测量方法的可行性。

FMMR微推进系统推力测量装置研究

为了对自由分子流微型电阻加热推力器(FMMR)微推进系统的性能进行试验研究,设计了一个基于天平原理的微推力测量装置,装置采用微推力器自重与推力相分离、触点式外接供电和推进系统集成方法,有效消除了供电电缆和推进剂供应管路的影响。结果表明,测量精度可达±8%,能够满足mN级微小推力测量的精度要求;同时,通过对结构进行一定改动,该装置还可用于测量其他集成化微推进系统的推力。

甲烷/氧气双组元微型推力室的实验研究

为研究微小推力室的工作特点,建立了双组元微小推力室的地面实验装置和数据采集系统。在内径为4mm,喉部直径为0.4mm的微小推力室内,采用氧气和甲烷气体作为推进剂进行了点火热试车,实时测量燃烧室压力和壁面的温度分布。实验结果表明,在富燃工况下,随着混合比的升高,燃烧温度和燃烧室压力逐渐升高;当混合比一定时,随着总流量的增加,燃烧室压力增加,微小推力室的推力和比冲也在升高。微小推力室的真空推力达到120mN,真空比冲达到了240s。

激光微推力器作用下纳星轨道半长轴简化计算方法

针对激光微推力器微小推力作用下纳星轨道转移问题,利用摄动方程提出一种切向推力同面轨道转移的半长轴简化计算方法。分析了地球非球形、大气阻力和太阳光压等主要摄动因素对该方法的影响,并与各种摄动下纳星运动方程直接积分的轨道变化情况进行了对比,验证了简化计算方法的有效性和应用条件。仿真对比结果表明:在轨道高度300 km以上,纳星在百微牛量级的切向推力作用下,可以采用简化计算方法获得轨道高度机动能力;对于纳星任务设计阶段,太阳光压摄动可以忽略,大气阻力摄动在500 km以上可以不予考虑,地球非球形摄动影响特性与其他卫星类似。

卫星编队的多冲量轨道机动路径规划方法

基于多冲量轨道机动控制,研究应用微小推力发动机来实现卫星编队轨道机动控制的方法。首先简单介绍轨道机动控制的多冲量次优解的求解方法,并把此方法的改进算法应用于卫星编队的整体轨道机动控制;为降低单次冲量值,应用小推力发动机实现轨道机动,提出了卫星编队多冲量轨道机动的路径规划方法,这种方法把一个多冲量轨道机动过程分成多个来实现;最后,数值仿真结果表明:该方法简便、实用,可以解决单次冲量值过大而不易实现的问题,同时对于轨道摄动因素的影响具有鲁棒性。

低功率N2H4电弧加热发动机高空模拟试验系统

介绍了用于低功率肼（N2H4）电弧加热发动机（Arcjet）的高空模拟试验系统,阐述了该系统中的高空模拟真空系统、推进剂供给系统、电源调理单元（PCU,Power ControlUnit）、微推力全弹性测量装置、数据采集系统以及其它配套设施.针对低功率肼电弧加热发动机地面试验的特殊要求,重点介绍了有毒推进剂肼（N2H4）的供给、微小流量测量、微小推力测量的方法与原理,并在该套系统上进行了系统功能验证性试验.试验证明,该套系统满足低功率肼电弧加热发动机高空模拟试验要求,为推进肼电弧加热发动机的研究与工程应用提供了保障.