毫牛级微推力测试装置研究

摘要

随着深空探测任务的进一步开展，微小卫星以其体积小、质量轻、研制周期短、造价低等突出优势受到广泛关注。在微小卫星的轨道维持、姿态机动和稳定以及阻力补偿等任务中，要求微推进系统的推力通常为mN级甚至为μN级。与传统的化学推进相比，电推进器可产生较小的推力，且具有比冲高、体积小、质量轻和消耗推进剂少等优点。基于实验的电推进器mN级甚至为μN级的推力输出特性评价是影响其实际应用的关键，因此开展微推力测量研究具有重要的现实意义。 本文以准确测量mN级电推进器的输出推力为研究目标，结合国内外现有的微推力测量手段，基于杠杆原理设计了一种毫牛级微小推力测量装置，并采用结构简单、产生力值可控、可标定范围宽的微小电磁力产生装置对毫牛级微推力测量装置进行标定。 该毫牛级微推力测量装置为两点支承式扭摆结构，可以实现推力方向与推进器重力方向的相互分离。首先，根据被测电推进器输出推力的预估值，在综合考虑待测微小力的测量量程、分辨率以及推进器的质量等方面，选择轴向大刚度(可支承电推器的质量、配重等)，扭转小刚度(扭转方向灵敏度高)的弹性灵敏元件，基于杠杆原理，通过调节配重、推进器等相关器件使整个测量装置保持平衡。 其次，本文基于电流磁效应以及磁场能量与电磁力的相互转化原理，建立了电磁力与电磁线圈中通入电流、电磁力与电磁线圈和导磁块间气隙的数学模型，设计了一个微小电磁力产生装置，该装置主要通过电磁线圈吸引导磁块的方式产生微小力，产生的微小力值经高精度电子天平进行标定，最终得到了电磁力大小与电磁线圈中通入电流、电磁力与电磁线圈和导磁块间气隙的实验曲线。 最后利用光杠杆原理对所测量的微小推力力值进行放大，由于所测力值较小，因此采用光杆杆原理测量时，其首先将电推进器产生的微小推力转换为横梁的偏转，最终将其转变为外力大小与PSD上光斑移动位移之间的函数关系。实验结果表明，在设定条件下，所测量的微小力量程为0-11.18mN，分辨率为0.065mN，灵敏度为0.67mm/mN，非线性度为2.92%，重复性误差为1.45%，稳定性为0.01mm/h。

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