本發(fā)明涉及精密測量，更具體地，涉及一種基于四象限彈性盤法的冷氣推進(jìn)器測試裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)是通過載體如衛(wèi)星平臺在太空環(huán)境下進(jìn)行的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。太空中的真空、微重力、強(qiáng)輻射等特殊環(huán)境為科研提供了獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)條件和機(jī)會，這使得空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)為人類探索宇宙提供了重要的方向，例如空間引力波探測、高精度地球重力場測量和微重力研究項(xiàng)目等都是典型的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。由于空間中存在太陽風(fēng)、宇宙輻射等因素的干擾，科學(xué)家們提出了無拖曳控制的方法，利用微推進(jìn)器補(bǔ)償來自外界的擾動。微推進(jìn)器是無拖曳控制的主要執(zhí)行機(jī)，因此在衛(wèi)星發(fā)射之前必須進(jìn)行全面、精確的測試，以確保微推進(jìn)器推力的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

2、推進(jìn)器地面測試方案主要分為兩種：直接法和間接法。

3、直接法是一種將推進(jìn)器直接安裝在推力臺架上，通過將推進(jìn)器的推力轉(zhuǎn)化為推力臺架的響應(yīng)來進(jìn)行讀取的方案，例如，現(xiàn)有技術(shù)提出一種單絲扭擺法的測試方案，將推進(jìn)器裝在扭擺上，并通過測量扭擺的扭轉(zhuǎn)來測量推進(jìn)器的推力；然而，由于推進(jìn)器直接固連在扭擺上，這使得直接法方案存在受推進(jìn)器結(jié)構(gòu)重量影響較大、推進(jìn)器管線引入額外噪聲、受推進(jìn)器工作噪聲影響等問題。

4、間接法是通過測量推力相關(guān)的其他物理量，如反推力、工質(zhì)流量等方式，間接計(jì)算推進(jìn)器的推力的方案，例如，現(xiàn)有技術(shù)采用羽流診斷法測試方案，通過二維靜電計(jì)陣列吸收膠體微推進(jìn)器的帶電羽流粒子，用靜電計(jì)陣列的電流信號分布表征羽流粒子分布，從而計(jì)算得出微推進(jìn)器的推力方向角；另一種現(xiàn)有技術(shù)采用反推力法測試方案，將圓形標(biāo)靶通過兩個(gè)支點(diǎn)懸掛在微推進(jìn)器羽流的中心線上形成吊擺，通過光杠桿檢測吊擺擺臂的偏轉(zhuǎn)角度，從而得到微推進(jìn)器的推力大小。但是，羽流診斷法僅適用于電推進(jìn)器的測試，對冷氣推進(jìn)器不適用，而反推力法只能測試推力大小，難以測試推力方向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決當(dāng)前直接法推力測試易受推進(jìn)器管線結(jié)構(gòu)干擾、間接法推力測試無法測量冷氣推進(jìn)器的推力方向的問題，本發(fā)明提出一種基于四象限彈性盤法的冷氣推進(jìn)器測試裝置及方法，對冷氣推進(jìn)器推力進(jìn)行間接測試，通過四象限彈性盤標(biāo)靶上不同象限的反推力組合計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對推力大小和方向角的精確測量。

2、為了達(dá)到上述技術(shù)效果，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、一種冷氣推進(jìn)器測試裝置，包括：雙軸電位移臺、彈性盤標(biāo)靶、底板和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；

4、所述雙軸電位移臺固定安裝于底板上，所述彈性盤標(biāo)靶與雙軸電位移臺通過轉(zhuǎn)接件連接，正對推進(jìn)器進(jìn)行安裝；所述雙軸電位移臺帶動沿兩個(gè)正交矢量方向滑動，為彈性盤標(biāo)靶提供正交兩個(gè)矢量上的平動自由度；

5、所述彈性盤標(biāo)靶包括框架單元、靶盤單元和若干個(gè)探針單元；所述框架單元的外壁與雙軸電位移臺通過轉(zhuǎn)接件連接；所述靶盤單元固定安裝在框架單元表面，所述靶盤單元包括彈性盤和固定件，所述彈性盤被劃分為四象限區(qū)域，所述固定件用于將彈性盤和框架單元連接；所述探針單元固定安裝于框架單元內(nèi)部，探針單元的信號輸入端分別與彈性盤的四象限區(qū)域中心直接接觸；

6、所述數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的信號輸入端分別連接每個(gè)探針單元的信號輸出端。

7、本技術(shù)方案，所述彈性盤標(biāo)靶用于攔截冷氣推進(jìn)器羽流；所述探針單元用于測量靶盤所受反推力；所述雙軸電位移臺用于彈性盤標(biāo)靶的安裝固定和推力方向角的標(biāo)定；數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)通過讀取探針單元的電壓信號并處理，得到四象限區(qū)域所受反推力；通過對四象限區(qū)域所受的反推力進(jìn)行分析，可以對冷氣推進(jìn)器的推力大小和推力方向角進(jìn)行測量。

8、優(yōu)選地，所述框架單元包括一組橫梁和一組豎梁；所述探針單元和靶盤單元與橫梁固定連接；所述豎梁用于支撐橫梁，豎梁的外壁與轉(zhuǎn)接件通過若干組螺栓連接。

9、優(yōu)選地，所述彈性盤包括一體結(jié)構(gòu)的外框架、彈性梁和四個(gè)靶盤，三者由一整塊金屬箔材料激光切割加工而來，一體成型；所述外框架將彈性盤劃分為四象限區(qū)域，每個(gè)象限區(qū)域內(nèi)均設(shè)有一個(gè)靶盤；所述彈性梁連接靶盤和外框架，為靶盤提供支撐。

10、在此，通過改進(jìn)傳統(tǒng)單靶盤彈性盤標(biāo)靶的梁結(jié)構(gòu)，將四個(gè)靶盤集成在一個(gè)四象限彈性盤標(biāo)靶上，使得彈性盤標(biāo)靶在單次測量中可獲得四個(gè)象限內(nèi)各靶盤所受反推力大小，并通過標(biāo)準(zhǔn)羽流標(biāo)定各靶盤反推力大小與推進(jìn)器推力大小和推力方向角的關(guān)系。

11、優(yōu)選地，所述固定件包括第一固定件和第二固定件；所述外框架夾持固定于第一固定件和第二固定件之間，所述第一固定件的另一端與框架單元的一組橫梁固定連接。

12、優(yōu)選地，所述彈性梁為“之”字型梁。

13、優(yōu)選地，所述探針單元包括高精度力探針、探針轉(zhuǎn)接件和壓電位移臺；所述高精度力探針通過探針轉(zhuǎn)接件安裝在壓電位移臺上，高精度力探針的信號輸入端與靶盤直接接觸，用于測量靶盤所受推進(jìn)器羽流的反推力；壓電位移臺負(fù)責(zé)推動高精度力探針使之與靶盤單元接觸，以避免高精度力探針因接觸力過大而導(dǎo)致?lián)p毀；信號輸出端連接數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)；所述壓電位移臺通過螺栓與橫梁的內(nèi)表面固定連接。

14、優(yōu)選地，所述探針轉(zhuǎn)接件上設(shè)有卡槽，所述高精度力探針安裝于卡槽內(nèi)部。

15、在此，由于高精度力探針體積過小，通常僅有一個(gè)螺絲孔，需通過探針轉(zhuǎn)接件將其進(jìn)行安裝，并通過在探針轉(zhuǎn)接件上設(shè)置卡槽限制探針針尖對準(zhǔn)正前方，避免直接安裝時(shí)擰緊固定螺絲的力導(dǎo)致探針歪斜。

16、一種基于四象限彈性盤法的冷氣推進(jìn)器測試方法，包括：

17、s1.將冷氣推進(jìn)器與冷氣推進(jìn)器測試裝置相對安裝，使冷氣推進(jìn)器的噴嘴平面σ與彈性盤標(biāo)靶表面平行；

18、s2.標(biāo)定用于表征羽流分子與彈性盤標(biāo)靶之間發(fā)生部分彈性碰撞的程度的系數(shù)η，以及靶盤貼近坐標(biāo)軸的邊緣上反推力的密度分布的系數(shù)ηf；

19、s3.基于彈性盤標(biāo)靶所受羽流反推力情況，建立xoy坐標(biāo)系，四個(gè)象限分別對應(yīng)靶盤單元四象限區(qū)域的四個(gè)靶盤；將每個(gè)靶盤所受到的反推力根據(jù)象限分別記為f1、f2、f3、f4，將四個(gè)靶盤所測反推力之和記為總反推力f；

20、s4.根據(jù)系數(shù)η和總反推力f，計(jì)算冷氣推進(jìn)器的主軸推力t；

21、s5.根據(jù)系數(shù)ηf、四個(gè)靶盤所測反推力f1、f2、f3、f4和總反推力f，計(jì)算得到冷氣推進(jìn)器推力的方向角θ和方位角

22、優(yōu)選地，所述η為反推力除以主軸推力得到的系數(shù)，即：

23、f＝ηt

24、所述ηf為單位位移下靶盤反推力變化量除以靶盤初始反推力得到的系數(shù)。

25、優(yōu)選地，在步驟s4中，冷氣推進(jìn)器推力的方向角θ和方位角的計(jì)算公式如下：

26、

27、其中，d表示冷氣推進(jìn)器的噴嘴平面到彈性盤標(biāo)靶表面的距離。

28、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案的有益效果是：

29、本發(fā)明提出一種基于四象限彈性盤法的冷氣推進(jìn)器測試裝置及方法，所述裝置包括雙軸電位移臺、彈性盤標(biāo)靶、底板和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，所述彈性盤標(biāo)靶用于攔截冷氣推進(jìn)器羽流；所述探針單元用于測量靶盤所受反推力；所述雙軸電位移臺用于彈性盤標(biāo)靶的安裝固定和推力方向角的標(biāo)定；數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)通過讀取探針單元的電壓信號并處理，得到四象限區(qū)域所受反推力；所述方法適配冷氣推進(jìn)器，通過對四象限區(qū)域所受的反推力進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對冷氣推進(jìn)器的推力大小和推力方向角的測量，且不受推進(jìn)器管線結(jié)構(gòu)影響，使得測量精度得到有效提高。