一种微推力测量的简化处理方法

 在测量推进器推力,特别是微推力时,常受到推进器的引线（如工质管道、电源线和信号线等）的干扰。如果不将推进器安装在测试台架上,而只对准探头喷射,进行间接测力,则可避免引线干扰的问题。但探头所受到的冲击力与推进器产生的真正推力是有区别的。通过实验和数值模拟两种方法来揭示它们之间的关系,发现它们之间几乎成一固定的比例关系。由此比例关系可以方便地利用探头测力来推算出真正推力值。     

一种实时测量微推力瞬时值的方法

微推进器是微型航天器的重要功能器件。实时测量微推进器不同时刻推力的瞬时值对研究微推进器的工作机理很有帮助;对于工作在低频多脉冲条件下的推进器,通过实时测量微推力的瞬时值,也可以获得多脉冲微推力的信息。提出了一种瞬态微推力的实时测量方法。初步仿真计算结果表明,此方法具有很好的跟踪特性,计算精度较高,可用于低频多脉冲微推力以及连续微推力实时测量。     

一种多脉冲微推力的测量方法

 微推力测量技术是微推进器设计的关键技术之一,是微小卫星进行轨道保持、姿态控制的基础技术。多脉冲平均微推力的测量对于脉冲微推进器的特性研究有着重要的作用。对常用的微推力测量方法进行了总结,提出了一种多脉冲微推力测量的方法。基于二阶系统模型,利用傅里叶展开的方法,分析了在多脉冲推力作用下测量系统的动态响应。理论分析和仿真结果表明：在推力脉冲的频率远高于测量系统的固有频率时,系统的稳态转角同微推进器的平均推力成正比;可通过测量系统的稳态转角来获得平均推力大小;通过测量得到的平均推力,还可以获得总冲的大小。该测量方法可以有效避免推力信号的波动对于平均推力测量的影响。     

基于DVD光学读取头的测微力计

为满足微纳米三维接触扫描探头测力的需要,提出了一种基于DVD光学读取头的测微力计。该测微力计由固定及微调支座、L形铜条、平面反射镜、DVD光学读取头和阻尼装置五部分组成。当力作用在L形铜条上时,贴在铜条上的平面反射镜会产生微小位移,该微小位移由DVD光学读取头来感测;通过建立被测力与平面反射镜微位移之间的关系,从而实现微小力的测量。用该测微力计对一个微纳米三维接触扫描探头的测力过程进行了测量,测量结果与对该微纳米三维接触扫描探头的有限元分析结果一致。     

一种基于动态补偿技术的微小稳态推力还原方法

新型微推力器是未来微纳卫星的生力军,其设计、研制和应用都离不开推力性能测量的工程支撑。在设计和研究阶段,新型微推力器稳态力输出时间与机械式直接测量系统稳态调整时间之间存在匹配问题,无法利用测量系统的稳态响应直接还原推力大小。提出一种基于动态补偿技术的稳态推力还原方法,通过分析稳态力工作时间、稳态力大小与测量系统稳态响应之间的关系,提出了动态补偿器的设计原则和推力还原步骤,并进行了实验验证。研究结果表明：当稳态推力实际工作时间大于测量系统周期的0.25倍,且小于测量系统稳态调整时间时,可利用动态补偿器设计原则建立新的等效测量系统,使最终的输出达到稳态,并利用最终的稳态响应均值还原推力大小。     

双丝扭秤微推力测量系统

针对未来空间引力波探测任务——"太极计划",根据卫星平台无拖曳控制对微推力器产生推力大小的要求,研发出一套基于扭秤的微推力测量系统,分别详述了其微推力测量、弱力产生装置和角位移差动测量的原理及磁阻尼装置。通过对弱力产生装置和扭秤系统的标定,得到微推力与扭秤扭转角位移的函数关系。同时分析了结构和环境对微推力测量系统的影响,得到其推力测量范围为1~200μN,分辨力为0.4μN,相对不确定度为1.1%,满足对微推力器推力分辨力和精度的测量要求。     

微推进系统中微型喷嘴结构参数的实验研究

为了研究用于微小卫星姿态调整或轨道修正的微型喷嘴的结构参数对其推进性能的影响,采用微机电系统(MEMS)工艺加工了一系列不同结构参数的微型喷嘴,各结构参数包括半扩张角、喉口段长度、喉口宽度以及面积比.实验过程在大气环境下进行.实验发现了微型喷嘴具有与宏观尺寸喷嘴不同的性能特点,总结出了喷嘴性能随结构参数和运行工况的变化...     

排气扩压器对TBCC排气系统的流道性能影响研究

为了研究不同的排气扩压器（简称排扩）直径、排扩形状以及排扩与单边膨胀组合喷管模型之间的相对位置对缩比喷管试验推力测量的影响,对3种排扩在不同的长径比下,进行了共6组风洞试验,同时对相应工况进行了数值模拟,并将试验与数值计算结果进行比较。研究结果表明：排扩的形状对喷管测力影响很小;大直径的排扩2的距离变化对测得的推力系数基本没有影响,但小直径的排扩1在排扩入口与喷管出口齐平工况下测得的推力系数明显小于喷管伸入排扩工况;在喷管模型伸入排扩工况下,排扩的直径对喷管测力基本无影响,但是在喷管出口与排扩入口齐平的工况下,使用小直径的排扩1会使测得的推力系数偏小。因此,排扩的几何参数变化对喷管外壁面的边界层流动影响很小,在排扩对喷管出口流场产生雍塞时,会影响喷管的推力测量。     

柔性扑翼微型飞行器升力和推力机理的风洞试验和飞行试验

为探讨柔性扑翼微型飞行器产生升力和推力的机理,在研究考虑柔性大变形扑翼气动力计算方法基础上,利用南京航空航天大学低速风洞进行了不同扑动频率、迎角、速度下微型扑翼升力、推力的变化和动态流场显示等风洞实验,并与计算结果进行了比较分析,为微型扑翼机的设计提供了的参考依据.自行研制的微型柔性结构扑翼机成功地进行了飞行试验.      

MEMS固体化学微推进阵列的微冲量测试技术

为了评价MEMS (Micro Electro Mechanical Systems)固体化学微推进阵列的推进性能,对其单元微冲量的精确测试显得尤为重要.在传统冲击摆的基础上,考虑微推进器推力和燃气射流冲击力之间的比例关系,设计了一套适用于MEMS固体化学微推进阵列单元微冲量的间接测试装置,并成功用于6×6规格(单元集成度为36个/cm2)微推进阵列的实际测试中.结果表明:典型实验数据下的待测微冲量为2.5442×10-4N·s,相对误差小于5％;实测8个单元的微冲量平均值为2.5574×10-4 N·s,相对偏差较小,具有很好的重复性.     

Performance measurement and evaluation of an ionic liquid electrospray thruster

As a novel micro-propulsion system for small satellites(from micro to nano),the ionic liquid electro spray propulsion system is a promising candidate.However,performance measurement and evaluation of the Ionic Liquid Electrospray Thruster(ILET) is one of the most challenging issues for practical application,due to the difficulties in the development of a prototype and direct measurements of micro-thrust and small flow rate.To address this issue,a Modular Ionic Liquid Electrospray Thruster(MILET)...     

微推力全弹性测量装置

介绍了一种新型微小推力测量装置的工作原理和工作过程,推力测量范围0~200 mN,装置测量精度±1%。针对N2和N2O冷气发动机,模拟空间工作环境进行了地面试验,对发动机工作推力、推进剂流量、压强、真空度等参数进行了测量,给出推力测试结果与理论计算数据的对比。试验证明,推力测量装置工作稳定、可靠,可以精确测量出发动机mN级微小推力。     

一种电推力器用小推力测量系统

为了精确测量小功率电推力器的小推力，从理论上提出了一种小推力测量的方法，即利用电磁反馈补偿方法使推力测量天平工作在随遇平衡状态（或接近于随遇平衡状态），消除气路和电路连接的影响。电磁力反馈补偿推力器产生的和。通过对电弧加热等离子体推力器（Arcjet）的热实验，测量装置测量了不同工况下的推力值。实验证明此测量方法可准确测得电推力器工作的小推力。     

小功率氮电弧推力器的性能

采用自然辐射冷却结构的小功率电弧推力器,实现了以氮气为推进剂的长时间稳定运行。采用间接测力方法得到推力,利用铜镜反射法拍摄喉道处的放电状态,结合测量的弧电压、弧电流和气流量数据以及导出的比冲和推力效率,对推力器运行性能和放电特性进行了研究。结果显示:在气流量为100~700mL/min,输入功率为35~55W的条件下,最大推力约为24mN,最大比冲接近175s,当弧电流为80~120mA范围内变化时,弧电压变化范围为420~520V,并且弧电压随气流量的增加呈现出先下降后上升的趋势。      

喉部不对称对微喷管性能影响

以FLUENT 6.1软件为工具,利用数值计算求解二维稳态可压缩Navier-Stokes(N-S)方程,模拟了微喷管内超声速流体流动,分析了喷管喉部结构不对称对喷管内部的流场和喷管性能的影响.这种喉部结构不对称是由于喉部上下顶点在x方向偏离一定距离所造成的.数值计算结果表明,喷管喉部在流体流动方向的不对称,将导致喷管内部流体流场不平衡性,使得流量增大,喷管出口的x方向推力增加,y方向产生了多余的推力.      

Thrust measurement method verification and analytical studies on a liquid-fueled pulse detonation engine

In order to test the feasibility of a new thrust stand system based on impulse thrust mea- surement method, a liquid-fueled pulse detonation engine （PDE） is designed and built. Thrust per- formance of the engine is obtained by direct thrust measurement with a force transducer and indirect thrust measurement with an eddy current displacement sensor （ECDS）. These two sets of thrust data are compared with each other to verify the accuracy of the thrust performance. Then thrust data measured by the new thrust stand system are compared with the verified thrust data to test its feasibility. The results indicate that thrust data from the force transducer and ECDS system are consistent with each other within the range of measurement error. Though the thrust data from the impulse thrust measurement system is a litter lower than that from the force transducer due to the axial momentum losses of the detonation jet, the impulse thrust measurement method is valid when applied to measure the averaged thrust of PDE. Analytical models of PDE are also discussed in this paper. The analytical thrust performance is higher than the experimental data due to ignoring the losses during the deflagration to detonation transition process. Effect of equivalence ratio on the engine thrust performance is investigated by utilizing the modified analytical model. Thrust reaches maximum at the equivalence ratio of about 1.1.     

推力器射流动压分布检测与分析

采用自行设计的动压探针,测量了大气压和真空环境下冷态氮气自由/冲击射流动压分布,以及真空环境下氮/氢混合气电弧加热推力器羽流的动压分布。将动压径向分布积分所得结果与冲击平板法间接测得的推力值做了比较。结果表明,大气压环境下测得的冷态氮气自由/冲击射流动压分布呈现明显的亚声速流动的特点,真空环境下测得的冷态射流动压显示有波系存在的超声速流动状态;而氮/氢混合气电弧加热推力器羽流的动压分布中看不出羽流中明显的激波存在。在一定条件下,即在较高马赫数的超声速射流中,探针不影响气流在喷管内的膨胀过程,以及羽流速度和密度没有过分降低的区间内,动压探针测量数据径向积分的结果可以代表电弧加热推力器的推力。     

双组元25N推力器脉冲工作模式下的传热特性分析及改进

在离心式双组元25N推力器的脉冲工况温度稳定性试验中,有16%的工况均发生了推力器稳态温度跃迁导致的喷注器头部高温过热的问题。本研究针对该问题开展了深入的机理分析,并通过优化推力器局部传热特性以消除其对于特殊脉冲工况的应用限制和风险。通过液滴撞壁试验,分析了不同条件下推进剂液膜发展的规律和机理:一旦壁面温度达到了莱登弗斯特温度以后,液滴与壁面的换热能力将大幅下降,严重影响液膜冷却的效率。通过Amesim软件进行的传热仿真进一步表明,一旦因为热回浸现象导致雾化液滴与涂层壁面的作用机制发生变化,进而影响冷却液膜的形成,就会使推力器的温度分布从正常的第一稳态进入无液膜的第二高温稳态。仿真结果基本复现了热稳定性试验中出现的故障模式。针对该故障机理改进了喷注器的结构导热性,将喷注器的花篮连接结构的导热面积增加了1.5倍,可以有效分担液膜的热流负担,抑制液膜进入莱登弗斯特态,使得推力器的脉冲工作可靠性大幅提高,令温度稳定性试验的通过率提升至100%。     

高精度电磁标定力数值模拟及实验研究

高精度电磁标定力源是微推力测量系统的重要组成要素之一。为了获得性能优良的电磁标定力，本文综合采用数值模拟及实验测量两种方法分析研究了线圈和永磁铁相对位置变化时，磁铁几何尺寸对电磁力输出特性的影响：对于直径较大、厚度较小的永磁铁而言，其电磁力随相对位置的变化会存在极值，且极值点附近的电磁力具有较好的稳定性和一致性。根据电磁力变化趋势特性，提出了线圈和永磁铁相对基准中心（极值点）位置的高精度设置方案，且基准中心位置附近的电磁力变异系数可达0.00252，为高性能电磁力的获得提供了基础。最后，确定了大直径永磁铁+线圈组合型电磁力产生装置，并基于拟合方法建立了一定包络区间内的高精度电磁力控制关系式，其拟合曲线的估计标准误差约为0.0137，为微推力测量台架的标定提供了理论指导和技术支持。