FMMR微推进系统推力测量装置研究①

栾希亭，张晰哲，韩先伟，陈祖奎，毛根旺

(1.西北工业大学，西安 710072;2.西安航天动力研究所，西安 710100)

0 引言

自由分子流微电阻加热推力器(FMMR)是一种基于MEMS技术的新型电热式推力器，其原理是利用薄膜电阻发热，推进剂分子通过与燃烧室壁面的碰撞获得能量，然后由膨胀槽喷出，从而产生推力。FMMR微推进系统结构简单、可靠性高，在空间任务中具有广阔的应用前景[1]。但FMMR推力器产生的推力只有几mN，如何准确获得其推力一直是一个技术难点。

常用推力测量装置都是将推力器固定在试车架上，通过测量推力器工作而引起的试车架形变来获取推力器的推力。由于推力较大，系统内各种供气、供液管路及供电线路对形变产生的约束都可忽略不计。但对于微推进系统来说，这些管路和线路产生的影响是可以与其推力相比拟的，若不设法消除这些影响，就无法准确获得推力;另外，在地球的重力场中，微推进系统的自重远远大于其产生的推力。因此，在重力场中进行微小推力测量必须消除推力器自重对推力测量的影响。总的来说，微小推力测量需要解决以下几个问题:微推力器自重与推力的分离;微推力器供电系统对推力测量的影响;微推力器推进剂供应系统对推力测量的影响[2]。

本文设计了一个天平式的微推力测量装置，为提高其测量精度，就如何消除推进系统自重和供电线路对推力测量的影响进行研究。

1 系统组成

1.1 方案选择

微小推力的测量原理多种多样，但大多是使用刚性支架支撑推力器，或是将推力器悬挂，并使其推力方向与重力方向垂直，从而消除推力器自重对推力的影响;再采取一定的方法尽量降低供电线路和供气管路对推力器的非刚性约束;最后利用力/力矩，或位移传感器测量微小推力引起的变化从而测得推力大小。

微推力测试实际上是基于微推力台架进行的测试，其实质是通过测量在微推力作用下推力台架的响应，如振动幅度(位移)，间接测量推力或脉冲量。对于一个给定的微推力器，测试量主要是单脉冲冲量、总冲量和平均推力。本文采用天平式结构测量FMMR微推进系统的平均推力，通过标定静态推力与支架位移之间的关系，用测量出的位移量计算平均推力。

在整个微小推力测量装置设计中，推力器推力与自重的分离是一个难点，目前大部分天平式的小推力测量装置利用随遇平衡原理，即通过结构设计，将整个装置的质心落在天平的支点上，从而消除推力器自重[3]。这种方式的测量精度高，但装置结构复杂，调试困难，且成本较高。本文采用系统配重方法，保持天平两端的质量基本相等，然后根据天平的倾角，利用计算方法消除重力对推力测量的影响。

针对推力器的供电，提出了3种解决方案:电磁线圈无线供电，系统内集成电池，触点式外接供电线路。电磁线圈无线供电的作用距离较短，必须将其与推力测量装置集成，但因其质量较大，集成后会影响装置的调平，增加调试难度。系统内部集成电池的方案存在同样的问题，体积小的电池功率无法满足系统要求，功率足够的电池却具有较大的体积和质量。最终将推力器的供电方案确定为触点式外接供电线路形式。

图1是供电线路接入的结构示意图。图1中粗实线为电流通路，与天平横梁绝缘，A点为天平中刀与横梁接触线的端点，B为天平横梁，C为外部供电线路的端部，D为与天平上的电路导通的金属弹片。为了尽量减小对推力测量的影响，供电线路C与金属弹片D的接触点处于天平中刀与横梁接触线通过点A向外的延长线上，此时若天平在微推力器推力作用下发生旋转，则由供电线路接入产生的摩擦力对天平横梁B的作用力矩为零。另外，针尖对弹片的结构形式也在保证可靠接触的同时，将接触点的摩擦力控制在最小。

为确定供电接入形式对天平受力后动作的影响，利用标准砝码对供电接入前后天平的动作进行标定。取总质量分别为 0.3、0.6、0.9、1.2、1.5 g 的标准砝码组合，每个质量点测量10组位移数据，取最大值、最小值和平均值列于表1中。由表1可看出，供电线路接入前测量到的天平位移略大于理论计算值，而供电线路接入后测量到的天平位移略小于理论计算值，这表明供电线路接入点产生的摩擦力对天平横梁的动作产生了一定的阻碍。但观察到测量数据极值与平均值的误差不超过±3%，数据具有较好的重复性，可用于计算微推力器的推力，证明上述的供电线路接入结构能够应用于微推力测量装置。

图2为使用标准砝码进行标定时，天平的理论计算位移量与供电线路接入前后传感器测量到的位移量的曲线。从图2可看出，砝码质量越大，测量位移与理论位移的差值也越大，但3组数据都具有较好的线性。分析认为测量位移与理论位移之间产生误差的原因:(1)弹簧的实际刚度略小于设计刚度;(2)供电线路接入点的摩擦力阻碍了天平在砝码作用力下的动作。

图1 供电线路接入结构示意图Fig.1 Schem atic of supp lying electric circuit

表1 供电线路接入前后测量的天平位移Table 1 Displacement before and after connectingthe power supp ly w ire

图2 供电线路接入前后标定曲线Fig.2 Calibration curves before and after connecting the power supply w ire

为了消除推进剂供应管路对推力测量的影响，将整个微推进系统集成后整体进行推力测量。集成后的系统包括:推进剂贮箱、推进剂供应管路、阀门与推力器等。推进剂管路与天平装置没有任何形式的接触，完全消除了推进剂供应管路对推力测量的影响。图3为FMMR微推进系统的结构组成。

图3 FMMR微推进系统的结构组成Fig.3 Component of FMMR m icro propulsion system

1.2 系统组成

按照微推力测试装置的系统结构划分，并按照模块化的设计原则，整个装置可分为3个子系统:FMMR微推进子系统，微小推力测试台架测控子系统，测力天平子系统。

1.2.1 FMMR 微推进子系统

FMMR微推进系统由3个主要部分组成:推进剂贮存组件、流体控制组件和FMMR推力器[4]。作为地面测试系统中的一个子系统，FMMR微推进系统设计成一个相对独立的模块，这样一方面便于地面测试过程中的安装，另一方面在某种程度上可仿真在轨运行时的工作状态。除了微推力器、推进剂贮存组件和流体控制组件，FMMR微推进子系统还包括热电偶、温度传感器、电阻加热器等，其作用是保持推进剂供应及推力器工作状态的稳定，以确保微推进系统能够输出稳定的推力。此外，微推进系统内还包括一块控制电路，以完成系统供电、控制、信号采集等工作。整个测试系统使用无线方式传送测量信号，避免外接电缆对测试的影响，大幅提高了测量精度。

1.2.2 微小推力测试台架测控子系统

微小推力测试台架测控子系统的框图如图4所示，测控子系统包含4个部分:

(1)微推进器控制模块:负责推力器的启动、运转、停止和稳定工况的控制;

(2)参数测量模块:负责整个测试过程中的工作参数测量、测量数据传输、试验流程控制、故障检测;

(3)测试系统的集成控制系统和操作接口:实现了试验操作、过程控制和数据处理显示，为FMMR的性能评估和工作特性分析提供信息;

(4)测试数据处理模块:负责测量数据的采集、存贮、处理;试验结果分析、输出等。

为了保证测控子系统的先进性、准确性、可靠性和可维护性，硬件电路采用模块化设计，利用专门设计的通信协议将各个模块相互连接，组成测控子系统。可根据测量参数的要求，通过增减测量节点的数目和不同模块，满足不同测量任务需求。

图4 测控子系统框图Fig.4 Schematic ofmeasuring and controlling system

1.2.3 测力天平子系统

推力测量装置由天平、弹簧、标定砝码、电磁阻尼器、配重质量、位移传感器以及被测装置组成，结构示意图如图5所示。安装好待测系统后，首先调整配重质量的位置使系统平衡，然后用砝码对系统进行标定。改变砝码的质量，获得位移与砝码质量的关系曲线。去除标定砝码，使待测装置开始工作，待测装置产生的推力使天平横梁旋转，传感器可记录到一个位移量，将此位移量与先前获得的曲线相对比，找出其对应的砝码质量，则此砝码质量产生的力矩，即为待测系统的推力产生的力矩，由此即可求出待测系统的推力。

标定砝码与待测系统的推力都会使天平失衡，所以在天平横梁下方设置了弹簧，其作用是产生与标定力或待测力相平衡的力，以保证天平在旋转一定角度后仍可达到平衡状态。而电磁阻尼器的作用是在天平横梁上下摆动时，迅速消耗掉多余的能量，使天平可尽快达到平衡。此处选用的位移传感器为非接触电容式位移传感器，对系统本身的动作不会产生任何约束和影响，其分辨率可达0.3μm。

图5 微推力测量装置结构示意图Fig.5 Schematic ofm icro thrustmeasuring stand

2 结构设计计算

FMMR推力器的计算推力约为2 mN，换算成质量约为0.2 g，为了减小测量环境中杂质的影响，希望使用质量较大的砝码进行标定。为此，将标定砝码的作用力臂与微推进系统推力的作用力臂设计为1∶5的比例，即用相当于5倍推力质量的砝码进行标定，提高了测量精度。

为了避免环境气流扰动对推力测量的影响，必须将整个测量装置放入密闭环境中，装置的体积不能太大，综合考虑各组件安装所必需的空间，将天平的长度确定为600 mm左右，所以取待测推力的作用力臂为300 mm，标定砝码的作用力臂为60 mm。

与待测力相平衡的力由弹簧的形变产生，为了在相同推力作用下获得较大位移量，希望弹簧刚度尽量小，但过小的弹簧刚度可能导致天平横梁偏转过大，与天平支架相接触。综合考虑弹簧的材料、制作工艺，安装空间及天平结构等因素后，取弹簧的设计刚度K=0.3 N/mm;同时，基于尽量在传感器处获得更大位移量的考虑，弹簧的作用力臂应短一些，所以将弹簧的作用力臂设计为30 mm。此时，若标定砝码的质量为1 g，则弹簧受到的压力F=19.6 mN，可由式(1):

求得弹簧的形变l=65.3μm。

为了使位移传感器测量得到的位移量更大，将传感器探头与天平支点的距离设为270 mm，则传感器测量到的位移为

式中L为弹簧的作用力臂，L=30 mm;L'为传感器探头与天平支点的距离，L'=270 mm;l'为传感器测量到的位移，μm。

根据式(1)和式(2)可求得，当待测推力在1～3 mN之间变化时，传感器测量到的对应位移为300～900μm，并且此位移随推力大小呈线性变化。

如果希望测量结果具有更高的精度，可根据测量到的位移量l'计算出天平横梁的倾角α，再通过α求出系统质量对l'的影响，消除此影响后即可获得更精确的推力值。不过，在实际测试中，由于天平横梁的倾角很小，该影响可忽略不计。

3 试验结果

已知水推进剂的FMMR推力器比冲为70 s，根据推进剂质量流量可求出推力器的理论推力[5]。

改变FMMR系统的工作参数，对不同工况下的推力进行测量。取推进剂流量分别为 1.32、2.11、3.05 mg/s，每个流量点测量20组数据，结果列于表2。由表2可看出，实测推力比理论计算推力略大，这可能是受天平横梁重心偏移的影响。按高斯分布计算测量误差，得到3倍均方根误差为0.076，则微推力测量装置的总精度约为±8%。

图6为不同流量下推力测量数据的分布情况，图中的直线显示了各个流量下的平均测量推力。由图6可看出，测量数据点基本均匀分布在平均值上下，并无误差过大的数据点产生。

表2 FMMR微推进系统推力测量结果Table 2 Experimental results ofm icro thrustmeasuring stand

图6 不同流量下的推力测量结果Fig.6 Testing curves of variousmass flow

4 结束语

为了系统研究FMMR微推进系统的性能，设计了一个天平式的微推力测量装置，该装置利用配平质量和特殊的供电接入等方式消除了推进系统自重和供电线路对推力测量的影响;采用不等臂的天平结构有效放大了待测推力导致的位移，提高了测量精度。该装置结构简单、制作方便，并且适用于各种集成化的微推进系统。试验表明，该装置的测量精度可达±8%，测量结果具有一定的参考价值。

[1] Lee R H，Bauer A M，Killingsworth M D，et al.Performance characterization of the freemoleculemicro-resistojet utilizing water propellant[C]//43rd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference ＆ Exhibit.AIAA，2007，5-6.

[2] 唐飞，叶雄英，周兆英.一种基于间接标靶法的微小推力测量技术[J].微纳电子技术，2003，7/8:438-439.

[3] 赵宝瑞，李晶，蒋金伟.微小推力自动测量系统研究[J].宇航计测技术，2000，20(4):32-34.

[4] 张晰哲，韩先伟，等.基于水推进剂自由分子流微型电阻加热推力器的微推进系统[C]//第五届中国电推进技术学术研讨会论文集.大连:大连理工大学，2009:69-70.

[5] 韩先伟，唐周强，等.自由分子流微电热推力器工作特性和性能研究[J].固体火箭技术，2005，28(2):83-90.