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基于扭秤的弱力测量的初步分析和校验

基于扭秤的弱力测量的初步分析和校验

作者：赵凤鸣东北大学

学位级别：硕士

在科学技术日益发展的今天,人类对宇宙空间的探索越来越多。随着人类空间科学活动的增多,空间飞行器的种类日益丰富并且先进。作为给飞行器提供动力系统的推进器,其发展已达到微牛顿量级。微推力测量装置可以对推进器的推力进行精确测量... 详细信息

在科学技术日益发展的今天,人类对宇宙空间的探索越来越多。随着人类空间科学活动的增多,空间飞行器的种类日益丰富并且先进。作为给飞行器提供动力系统的推进器,其发展已达到微牛顿量级。微推力测量装置可以对推进器的推力进行精确测量,并且根据测量结果评估推进器的推力性能,指引推进器研究的改进方向,缩短推进器的研发时间和周期。本论文以空间微推进器的微推力测量作为研究对象,初步设计了一套完整的基于扭秤的弱力测量系统,采用两步标定法作为实验原理,即标准弱力产生、扭转角位移测量及标定。设计并制作了相应的实验设备,包括扭丝夹具、扭摆系统、标准弱力产生装置、真空系统的改造、角位移测量系统和基于PSD的光杠杆参考测量系统等。通过两步标定实验,给出真空环境下标准弱力与扭摆的扭转角位移之间的数学关系。在真空环境下的原理实验中,测量了4μN～180μN范围的微推力,测量精度可以达到3μN,分辨率为1州,给出整套测量装置的最终标定结果为F0=△θ-d,其中标定的系数为c=(1.9063±0.0226)×10-3μuN/rad和d=(0.7658±0.1411)μN。实验中发现,角位移标定实验中电磁螺线管间距变化、真空系统内的振动及温度的波动等干扰因素对扭秤的测量会产生的影响,同时加工和装配精度限制了扭秤系统的最小推力测量值。针对以上情况设计了相应的抑制和测量系统的改进方案,为下一步实验工作的开展奠定了基础。

关键词：空间推进器微推力测量扭秤两步标定法

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微牛级电磁力标定装置仿真与测试研究

推进技术 2024年第5期45卷 208-216页

作者：成烨龙建飞罗威王嘉彬黄丹徐禄祥郭宁杨威国科大杭州高等研究院基础物理与数学科学学院浙江杭州310024 国科大杭州高等研究院引力波太极实验室(杭州) 浙江杭州310024 国科大杭州高等研究院浙江省引力波精密测量重点实验室浙江杭州310024 重庆科技学院电气工程学院重庆401331

如何获得高精度标定力是微牛级推力测量的重要基础。本文构建了C型磁路结构和矩形线圈组合方式以产生高精度宽范围电磁标定力。利用有限元方法分析了该装置特征区域磁场分布,对矩形线圈与磁体相对位置影响进行了讨论,最后搭建标定实验... 详细信息

如何获得高精度标定力是微牛级推力测量的重要基础。本文构建了C型磁路结构和矩形线圈组合方式以产生高精度宽范围电磁标定力。利用有限元方法分析了该装置特征区域磁场分布,对矩形线圈与磁体相对位置影响进行了讨论,最后搭建标定实验平台并进行标定实验。得到主要结论:在特征区域范围内磁场分布均匀性较好,最大差异率仅为0.7%;电流在10μA~20.2 mA范围调节时,电磁力标定范围为0.097~237.32μN,实验测量数据与仿真结果最大误差为1.73%;当线圈电流分辨率为10μA时,标定力实测分辨率优于0.1μN。

关键词：微推力测量微牛级电磁力标定系统参数标定仿真模拟

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宽范围微牛顿量级场致发射电推力器设计

深空探测学报（中英文） 2024年第2期11卷 141-150页

作者：黄潇博索晓晨杨帆汪典贾宏宇李佳慧张文生宋培义华中科技大学物理学院精密重力测量国家重大科技基础设施武汉430074

针对空间引力波探测任务卫星无拖曳控制对微牛顿量级场发射电推力器的宽、稳、准、快、久指标要求,需突破宽范围可调与分辨率和推力噪声之间的相互限制,从场发射推力产生的原理出发,并利用高精度单摆对模型精度进行标定,建立了基于流量... 详细信息

针对空间引力波探测任务卫星无拖曳控制对微牛顿量级场发射电推力器的宽、稳、准、快、久指标要求,需突破宽范围可调与分辨率和推力噪声之间的相互限制,从场发射推力产生的原理出发,并利用高精度单摆对模型精度进行标定,建立了基于流量、电压主动调节策略的推力调控模型,结合调控分辨率与响应速度的需求,提出的反馈控制策略使推力器在更宽推力范围内维持低推力噪声水平。最后对研制的推力器样机开展了性能表征,实现了0.86~83.54μN、推力分辨率、在毫赫兹频段推力噪声和定工质流量下推力响应时间。

关键词：无拖曳卫星场发射推力器推力模型微推力测量反馈控制

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多档位扭摆推力测量装置的设计与标定实验

计测技术 2022年第3期42卷 56-63页

作者：王青青贾军伟武宇婧李绍飞董学江郎昊北京东方计量测试研究所北京100089

针对卫星用中高功率电推进器产生的推力范围跨度大,现有的推力测量装置存在测量范围不全、抗干扰能力差导致测不准等问题,开展了多档位三丝扭摆推力测量装置研究。首先,建立了推力测量装置物理模型,研究了推力与偏转位移之间的数学关系... 详细信息

针对卫星用中高功率电推进器产生的推力范围跨度大,现有的推力测量装置存在测量范围不全、抗干扰能力差导致测不准等问题,开展了多档位三丝扭摆推力测量装置研究。首先,建立了推力测量装置物理模型,研究了推力与偏转位移之间的数学关系,并实现了多档位三丝扭摆推力测量装置的设计。接着,采用标准砝码与定制砝码对测量装置进行标定,并通过标定实验确定各档位下的测量误差。然后,综合考虑了装置的不确定度影响因素,设计相关试验开展不确定评估。实验结果表明:在实验环境不变的情况下,多档位三丝扭摆推力测量装置设计的小档位推力为98 mN的不确定度为0.030 mN(k=2);中档位推力为490 mN的不确定度为0.068 mN(k=2),大档位推力为980 mN的不确定度为0.092 mN(k=2)。多档位扭摆推力测量装置采用换档位的测量方法实现了9.8~1029 mN范围的推力测量,测量精度高、抗干扰能力强,解决了宽范围推力测量过程中全量程精度难以保证的问题,为中高功率电推进器推力测量提供技术支撑。

关键词：微推力测量三丝扭摆多档位调节

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烧蚀Z箍缩脉冲等离子体推进系统实验研究

空间控制技术与应用 2024年第5期50卷 92-100页

作者：王骥勤刘裴栩刘伟高俊王伟宗北京航空航天大学北京100191 航天器设计优化与动态模拟技术教育部重点实验室北京100191 北京控制工程研究所北京100094

脉冲等离子体推力器(PPT)是最早用于空间任务的电推力器.烧蚀Z箍缩脉冲等离子体推力器(AZPPT)因其同轴前后式和阳极尖锥的特殊构型可以在较小体积和功率下实现较高的推功比和比冲.研究阳极尖锥长度、充电电压、放电次数对AZPPT性能的影... 详细信息

脉冲等离子体推力器(PPT)是最早用于空间任务的电推力器.烧蚀Z箍缩脉冲等离子体推力器(AZPPT)因其同轴前后式和阳极尖锥的特殊构型可以在较小体积和功率下实现较高的推功比和比冲.研究阳极尖锥长度、充电电压、放电次数对AZPPT性能的影响,试验表明随着充电电压的升高,推力器放电电流峰值、羽流等离子体电子温度、元冲量等参数升高,证明可通过改变电压实现推力的宽范围调节.阳极尖锥高度增加时,推力器的元冲量有少量下降,比冲有明显上升,相比没有尖锥时,比冲最高提升23.7%,总体效率最高提升7.3%,证明该结构在小功率AZPPT中的性能优化作用.基于以上结果,设计开发了一款1 U小型化、模块化推进系统.推进系统点火成功,5 J放电能量下元冲量达193.72μN·s,具有小功率、综合性能好、结构紧凑等特点.

关键词：脉冲等离子体推力器 Z箍缩电源处理单元微推力测量

基于激光干涉的电容位移传感器非线性误差标定方法

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激光与光电子学进展 2017年第10期54卷 255-262页

作者：王大鹏金星周伟静李南雷装备学院激光推进及其应用国家重点实验室北京101416

针对微推力测量中电容位移传感器需要频繁标定非线性误差的问题,提出了一种基于激光干涉的现场标定方法。标定原理为:在直线位移台上同时调节可动角隅棱镜与测量目标的位置,进而改变干涉光路光程差及电容位移传感器极板间距,以激光干涉... 详细信息

针对微推力测量中电容位移传感器需要频繁标定非线性误差的问题,提出了一种基于激光干涉的现场标定方法。标定原理为:在直线位移台上同时调节可动角隅棱镜与测量目标的位置,进而改变干涉光路光程差及电容位移传感器极板间距,以激光干涉测量结果为基准,采用线性拟合方法,对传感器非线性误差进行标定。搭建了基于常用光学元件的干涉光路,对应用于微推力测量中不同量程的传感器进行标定。在分析干涉光强变化特点的基础上,确定了干涉条纹数计算方法,得到干涉光路的位移测量精度为66.5nm。实验验证了该校准装置的实用性和准确性,最后对标定结果、传感器输出非线性误差以及影响激光干涉测量精度的主要因素进行了分析,得到激光干涉测量总误差为67.2nm。

关键词：测量标定激光干涉电容位移传感器非线性误差微推力测量

基于平面感应加热的液体蒸发型微推进器的研究

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基于平面感应加热的液体蒸发型微推进器的研究

作者：李心蕊北京工业大学

学位级别：硕士

微推进器是微航天器中的重要驱动器件,对于微卫星的位置保持、姿态控制、引力补偿、轨道调整等方面起着极其重要的作用。采用MEMS技术研制的微推进器具有体积小、质量轻、功耗低、集成度高等优点,能够为微卫星和微小飞行物的姿态调整和... 详细信息

微推进器是微航天器中的重要驱动器件,对于微卫星的位置保持、姿态控制、引力补偿、轨道调整等方面起着极其重要的作用。采用MEMS技术研制的微推进器具有体积小、质量轻、功耗低、集成度高等优点,能够为微卫星和微小飞行物的姿态调整和轨道变更提供精确的位置控制。近期学者们研制了多种驱动方式的微推进器,其中液体蒸发型微推进器具有结构简单、工作电压低等优点,而成为近年来的研究热点。现有的液体蒸发型微推进器主要采用电阻加热方式。这些电阻加热器通常制作在蒸发腔外部,要较长时间的热传导将热量传递给蒸发腔内的液体,且热传递效率低,造成热量的耗散。而有些器件将电阻加热器制作在蒸发腔内部,则需要给电阻加热器连接电源,又会导致密封和制作工艺困难等问题。针对液体蒸发型微推进器存在的加热问题,提出一种平面感应加热的液体蒸发型微推进器,这种新型微推进器具有结构简单、制造方便、输入功率高等优点。论文主要内容如下:首先,调研液体蒸发型微推进器的国内外研究现状,分析这些微推进器的工作机理和优缺点。为解决微推进器存在的加热、引线及密封制作等问题,提出将感应加热应用于液体蒸发型微推进器中的研究方案。其次,基于平面感应加热的基本理论,设计微感应加热器的关键结构和尺寸,分析加热盘上孔洞分布对加热效果的影响。通过三维绘图软件Solidworks建立了微感应加热器模型,再使用有限元仿真软件ANSYS仿真分析感应加热的加热盘中能量密度和热量分布。基于微推进器的工作特点、电磁感应加热原理及拉瓦尔喷管设计理论,设计平面感应加热的液体蒸发型微推进器的结构和尺寸。采用Solidwork软件建立微推进器模型,并采用COMSOL仿真软件进行微推进器内微喷嘴的气体流速仿真,为后续微推进器的设计和制作提供支持。然后,研究微推进器制作的关键MEMS工艺,设计三种微推进器的制作实施方案,并进行可行性分析。根据微推进器结构尺寸参数及关键工艺要求,编写微推进器制作工艺流程,通过工艺实验制作微推进器样件。最后,搭建了微平面感应加热器实验系统,通过调整电源频率、加热时间、线圈匝数及加热功率参数,进行了加热盘表面液体蒸发实验和温度分布测试实验。总结微推进器推力测试的研究现状,设计两种微推力测量方案,并搭建微推力测量实验系统,对微推进器产生的微推力进行测量和分析。

关键词：液体蒸发微推进器感应加热微推力测量

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微阴极电弧推力器系统设计及优化

微阴极电弧推力器系统设计及优化

作者：王昊义国防科技大学

学位级别：硕士

微阴极电弧推力器(Micro-Cathode Arc Thruster,μ-CAT)的工质为金属阴极,无需额外的工质供给系统,推力器系统体积小、质量轻、结构简单。同时,推力器放电过程中的电压和电流相对较小,对电源功率需求不高,非常适用于作为微纳卫星的推进... 详细信息

微阴极电弧推力器(Micro-Cathode Arc Thruster,μ-CAT)的工质为金属阴极,无需额外的工质供给系统,推力器系统体积小、质量轻、结构简单。同时,推力器放电过程中的电压和电流相对较小,对电源功率需求不高,非常适用于作为微纳卫星的推进系统。此外,推力器采用金属工质比冲高,羽流发散角较小,对卫星表面污染程度相对较低,使得μ-CAT具有非常好的发展前景。然而,μ-CAT单脉冲放电过程阴极材料的烧蚀量较少,推力器的推力较小,且等离子体加速机理尚不明确,导致目前μ-CAT的推进性能难以得到有效提高。此外,由于推力器采用无触发点火方式,导电薄膜烧蚀不均匀,容易导致点火不稳定和推力器失效等问题,限制了推力器的发展及应用。本文以μ-CAT为研究对象,综合运用理论分析、仿真模拟和实验测量等研究方法,以提高推力器的推进性能和工作寿命为主要研究目标,对推力器系统进行总体设计和优化,进一步提高其工作性能。首先,对μ-CAT进行了系统设计。结合理论分析,对推力器各部件进了选材和结构设计;采用电容储能方式与点火电路系统,替代传统的电感储能与“无触发点火方式”;开展了推力器自生磁场分布与单粒子轨迹仿真研究,优化了磁场位形,完成了实验样机研制。其次,开展了真空条件下同轴型μ-CAT的放电特性和推进性能实验研究,探究了电参数、几何参数和附加磁场对放电特性及推进性能的影响规律。研究结果表明,增加放电电压和放电电容可以提高推力器的元冲量和比冲,但会降低推力器的推功比。放电电压的升高会加剧电参数振荡,从而影响推力器的寿命;附加磁场可以对羽流起到一定程度的约束作用,但对推力器的放电特性和推进性能影响不大,推力器放电电流产生的自感磁场对等离子体的加速作用效果不明显。最后,优化设计出平行极板型μ-CAT,使用单粒子及等离子体仿真分析的方式,对不同附加磁场条件下的离子加速过程进行了研究,通过实验探究了附加磁场、极板构型和极板间距对其放电特性和推进性能的影响。研究结果表明,附加磁场不会对推力器的工作稳定性产生影响,但能够显著提高其推进性能,磁感应强度沿推力器出口方向逐渐降低的渐变磁场对推进性能的提升效果更好;放电极板的构型和间距都会对放电波形产生一定影响,舌形和扩张形都能使推进性能有所提升,且后者的提升效果更好,极板间距的增大也有利于改善推进性能。

关键词：微阴极电弧推力器附加磁场微推力测量等离子体电磁加速

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MEMS微推进器的设计制造与测试

MEMS微推进器的设计制造与测试

作者：李星辰国防科学技术大学

学位级别：硕士

微纳卫星成本低、体积小、质量轻、可集成度高,并且设计制作周期短,非常适用于要求体积小,造价低的卫星飞行器任务。由于微纳卫星的重量轻、体积小、功率低,传统的化学推进器和常规的电推进器往往无法满足微纳卫星的需求。随着微机电系... 详细信息

微纳卫星成本低、体积小、质量轻、可集成度高,并且设计制作周期短,非常适用于要求体积小,造价低的卫星飞行器任务。由于微纳卫星的重量轻、体积小、功率低,传统的化学推进器和常规的电推进器往往无法满足微纳卫星的需求。随着微机电系统(MEMS)技术的成熟和微小化技术的蓬勃发展,为了满足微型化卫星执行包括高度控制、飞行轨道保持和轨道转移等各种飞行姿态变化的任务需求,兼具功能性和高可靠性的各种微型推进器特别是微型冷气及电推进器也得到了迅猛发展。但是对MEMS亚毫米级推进器流动特性和性能指标各家没有统一的看法,尤其针对相关的试验研究结果仍然众说纷纭。本文以微小航天器应用为技术背景,以MEMS微推进器为研究对象,研究了MEMS微推进系统设计制造与推力和加热性能的测试等问题。建立了针对MEMS推进器的多物理场耦合分析模型,并基于该模型开展了针对推力、比冲效率和加热性能的优化设计,依据仿真结果设计制造出基于MEMS工艺的微推进器,并进行了相关的微推力测试和加热性能测试。主要研究内容有:(1)小尺度超声速喷管的理论设计、仿真优化和性能测试研究完成推进剂选择,基于理想等熵流动估算流动参数,建立多物理场耦合模型。完成推进器二维粘热耦合仿真,并对结构参数进行分析优化。完成微推进供给测试系统的搭建,针对微推力测试平台设计试验和数据处理算法,并对试验结果进行分析。完成MEMS微推进器的结构参数正交分析、背压敏感性分析和加热对器件性能影响的分析。(2)MEMS微推进的工艺探索与加工制造基于仿真结果,对MEMS微推进器进行了方案设计。随后,依据设计方案对其进行工艺设计,并通过多种MEMS工艺完成MEMS微推进器的加工。最终,确定工艺参数,为批量化加工出质量稳定性能优良的器件奠定基础。(3)亚微米级多层结构薄膜加热丝仿真优化与性能测试研究利用多物理场耦合仿真对推力室薄膜加热丝进行分析和优化。完成基于红外热像仪的两种不同结构薄膜加热丝稳态瞬态性能测试,并设计算法对测试结果进行分析。完成两种不同结构的加热丝稳态瞬态性能测试,并对该型加热丝在MEMS微推进器的应用给出指导意见。论文综合应用理论分析、数值仿真、试验测试和数据分析等手段,对MEMS微推进系统进行了完整设计制造测试流程,将多物理场耦合仿真引入MEMS微推进器设计仿真中提高仿真的真实性,为MEMS微推进器设计、制造和试验工作积累的宝贵的经验,在理论研究与工程应用上都具有较大意义。

关键词：微推进 MEMS技术多物理场薄膜加热丝微推力测量红外热成像