不同介质条件下冷气微推力器推力特性研究

曾庆德， 贾云飞， 刘慧莉， 余业辉

(南京理工大学 机械工程学院， 南京 210094)

不同介质条件下冷气微推力器推力特性研究

曾庆德， 贾云飞， 刘慧莉， 余业辉

(南京理工大学 机械工程学院， 南京 210094)

搭建了冷气微推力器推力测量实验系统， 研究了不同介质条件下冷气微推力器的推力特性. 改变入口和环境压力分析推力、 质量流率及比冲变化规律； 对实验数据进行函数拟合， 推算出真空环境下的推力值. 实验结果表明： 入口压力为0.86 MPa时N2和NH3的真空推力为90.46 mN和103.42 mN， 与真空环境相比， 地面推力至少降低50%， 地面与真空环境下推力性能差异较大； 真空环境下NH3的推力比N2高出13%， 液氨的真空闪蒸特性能明显提高微推力器的推力； 测量的推力实验值与理论计算的偏差小于10%， 表明实验系统能够精确测量微推力.

冷气微推力器； 推力测量； 推力特性； 真空环境； 闪蒸特性

Abstract: The thrust measurement experimental system was established to research thrust characteristic of air cooled micro thruster in different media conditions. The changes in thrust, mass flow rate and specific impulse are analyzed by changing the inlet and ambient pressure; The experimental data were fitted to calculate the thrust value under vacuum environment. The experimental results show when the inlet pressure is 0.86 MPa, the vacuum thrusts of N2and NH3are 90.46 mN and 103.42 mN respectively, the ground thrust is reduced by at least 50% compared with the vacuum environment, the thrust performance under the ground and vacuum environment is quite different; Under the vacuum environment, the thrust of NH3is 13% higher than that of N2, the vacuum flashing characteristic of liquid ammonia obviously enhances the thrust of the micro thruster; The difference between the experimental value and theoretical calculation is less than 10%, which indicates that the experimental system can accurately measure the micro thrust.

Keywords: air-cooled micro thruster; thrust measurement; thrust characteristic; vacuum environment; flashing characteristic

0 引 言

随着我国航天事业的不断发展， 微小卫星越来越受到人们的重视. 编队飞行的微小卫星可以实现单颗大卫星的功能， 且制造的发射成本大大降低， 在国防、 通讯等领域具有广阔的应用前景[1-4]. 微小卫星在执行飞行任务时， 推进系统的作用是卫星轨道保持和姿态控制， 当今推进系统得到实际应用的有： 冷气推进、 化学推进、 电推进等. 冷气推进由于其成本低、 结构简单、 可靠等优点， 在目前航天领域中得到广泛应用[5].

微推进系统的发展推动微推力测试技术的不断进步. 微推力的精确测量为冷气微推力器的设计研制提供了必要的技术途径. Robert L.Bayt[6]搭建的推力测试台采用摆杆和回力弹簧研究了冷气推力器； 叶迎华[7]等人研制的推力测试台利用推力器推进产生推力推动天平摆动来测量微推力； 汤海滨[8]等人设计了一套全弹性微推力测量实验装置， 成功地在模拟真空环境中测量了N2和N2O冷气微推力器连续工作的推力； 宁中喜[9]等人设计了一种三丝扭摆式微推力测量系统， 采用扭矩平衡和光杠杆放大原理， 将推力转化成激光光斑的位移进行测量. 岑继文[10]利用杠杆力放大的原理研究微牛顿量级微推力器； 沈岩[11]等人通过电子秤直接测量低功率水电弧推力器的推力.

本文采用直接测量模式研究mN量级冷气微推力器， 从推力传感器安装位置、 测量姿态以及管道膨胀补偿等方面降低测量误差. 通过搭建的实验系统分析了推力、 流量和比冲随着入口压力改变的变化规律. 测量了不同真空度下的推力值， 通过函数拟合推算出真空环境下的推力， 分析了介质为N2和NH3时微推力器的推力性能.

1 实验系统介绍

本文以N2或NH3为推进介质， 实验样机为电螺线管式冷气推力器， 喷管面积扩张比为100， 微推力器自带常闭电磁阀， 通电后喷管喉部打开气流喷出产生推力. 测试实验台如图 1 所示， 由供给部分、 推力测量部分和数据采集部分组成.

图 1 测试实验台Fig.1 Thrust test stand

供给部分主要包括高压气罐、 减压阀、 调节阀、 流量计等. 调节阀的主要功能是调节管道气体流量； 流量计测量的管道内气体质量流率近似认为是微推力器喷管内的气体质量流率. 通过推力传感器直接测量出微推力器产生的微推力， 微推力器安装在直角转接头顶端， 转接头固定在传感器上， 使微推力器、 转接头和传感器3者中心轴重合并都处于铅直状态. 力传感器采用美国Futek公司的LSB200-100 g型应变式力传感器， 量程为100 g， 测量精度为0.5% FS， 推力传感器输出电压信号进入应变放大仪后将电压信号放大1 000倍转换为0～2 V的电压信号. 实验台采用两个压力传感器， 分别测量气体入口压力和环境压力， 信号由数据采集卡以100 kHz的采样频率进行采集， 各传感器输出信号通过数据采集卡采集后传送到计算机数据处理软件.

2 实验过程与结果分析

为了研究不同介质条件下的冷气微推力器的推力特性， 分别采用N2和NH3作为推进剂测量推力. 在地面环境下改变入口压力， 通过理论及实验分析推力随入口压力增加而呈现的规律. 将微推力器安装在真空室内， 测量不同真空度下的推力， 分析不同真空度下的推力值变化规律， 通过函数拟合推算出真空环境下的推力值. 分析当入口压力为0.86 MPa时不同介质条件下微推力器在地面及真空环境下的推力性能差异， 研究液氨的真空闪蒸特性对推力产生的影响.

2.1 推进性能理论分析

微推力器包括拉瓦尔喷管， 气体流经喷管产生推力， 推力计算相关公式为[12-13]

式中：CFvi为分离点i上游喷管段产生的真空推力系数； ΔCFs为分离点下游喷管段产生的推力系数， 可用凯尔特-巴代尔经验公式计算， 即

由于实验中测量的是稳态推力， 比冲可以用式(11)计算

2.2 地面实验结果分析

在地面实验中，pa=0.1 MPa不变， 在0.1～1 MPa内逐渐增加入口压力， 测量出随之改变的推力及质量流率， 计算出其比冲值. 实验表明， 增大入口压力时软管会产生附加力， 软管附加力用Fa表示， 图2(a)为软管附加力随入口压力变化的实验结果， 介质为N2时软管附加力随着入口压力增大呈线性增长趋势.

图 2 地面测量实验结果分析Fig.2 Analysis of ground measurement experiment results

入口压力为0.1～1 MPa时附加力为0～1 mN, 说明软管受压后膨胀形变不大， 对推力的测量影响较小； 介质为NH3时软管附加力较大， NH3以液化气的形式流经软管， 液化气密度较大， 测力装置自身重量增加明显， 随着受压增大软管膨胀形变更加明显， 所以附加力增加的速度越来越快. 当入口压力为0.86 MPa(在20 ℃时液氨的蒸气压为0.86 MPa[14])时， N2和NH3的软管附加力分别为0.9 mN和 9.5 mN， NH3的软管附加力明显大于N2， 地面推力测量实验中必须考虑软管附加力.

地面推力用Fa表示， 实验结果如图2(b)所示， 地面推力随着入口压力增加推力值呈线性增长， 且N2和NH3的推力值相差无几. 图2(c)是质量流率的测量实验结果， 随着入口压力增大， 质量流率呈线性增长， 和理论分析结果一致. N2和NH3的比冲均随入口压力增大而增大， 但是增长趋势均趋于平缓， 如图2(d)所示.

2.3 真空实验结果分析

微推力器在实际应用中是在真空环境下工作的， 模拟真空环境下精确测量微推力是研究微推力器推力性能的重点. 保持p0=0.86 MPa不变， 测量在不同真空度下微推力器产生的推力， 研究真空度对推力值的影响. 实验条件下真空度无法达到太空环境下高真空度， 研究在不同真空度下推力变化规律， 通过函数拟合推算出在高真空度下推力值. 将微推力器放置在真空室内,真空泵将腔体内空气抽出， 腔体内真空绝压达到1 000 Pa， 关闭真空泵减少振动噪声， 打开电磁阀， 喷管气体喷出产生推力， 推力传感器实时采集推力数据.

实验发现， 气体从喷管喷出， 真空室内环境压力不断增大， 环境压力的变化会影响推力测量， 对测力台架有一个竖直方向的反作用力， 在不同真空度下力传感器的初始输出电压不一样， 反作用力用Fr表示， 设定地面条件下Fr=0,Fr实验结果如图3(a)所示，Fr随着环境压力增大呈指数函数趋势递减.

图 3 真空推力测量结果分析Fig.3 The results analysis under vacuum thrust measurement

2.4 测量实验误差分析

在推力测量实验中存在许多实验干扰因素， 通过对实验数据进行分析， 改进测试装置， 减少实验误差， 提高直接测量模式下的推力测量精度. 力传感器信号输出本身带有一定噪声信号， 喷管喷气时噪声信号增大， 通过数据软件对信号进行滤波及采集时间内取推力平均值减小实验结果误差. 实验室环境振动对传感器输出信号干扰较大， 实验室其他电子设备的运作等都会产生信号噪声影响推力测量精度， 整个实验台放置在一层海绵体上， 以减小振动对实验数据的噪声干扰. 环境温度变化也会影响测量实验结果， 保持实验室室内温度为20 ℃不变.

除了环境因素的影响， 测量系统和微推力器自身也会对推力测量带来误差. 微推力器自重43 g， 与软管连接后初始重量达到53 g， 喷管产生的推力范围是0～100 mN， 推重比很低， 在分析实验误差时必须将微推力器自重考虑在内， 将微推力器竖直安装在力传感器上， 与力传感器同轴竖直向下， 通过应变放大仪校零将自重与推力分离. 软管受气体压力膨胀产生附加力影响推力测量精度， 本实验采用尼龙软管作为导气管， 尼龙软管柔性好、 变形小， 通过实验数据分析， 总结出推力、 流量等参数变化规律， 可以推算出超过1 MPa时的推力特性.

与地面实验相比， 真空环境推力测量实验误差干扰因素多. 真空泵抽取真空过程中产生的振动很大， 无法保证推力测量的准确度， 所以本实验在抽取真空后关闭真空泵进行测量. 在地面实验中， 环境压力保持一个大气压不变， 不会影响喷管出口气体流动； 真空环境下， 气体从喷管喷出， 环境压力在不断上升， 干扰喷管气体流动， 影响真空推力测量的实验精度， 所以在真空室顶部安装一个压力传感器， 实时精确地测量不同环境压力下的推力， 减小实验误差.

3 结 论

本文采用直接测力结构测量推力， 通过改变入口压力和环境压力对微推力器进行推力测量实验， 研究了冷气微推力器在地面以及真空环境下的推力特性，得到结论如下：

1) 在地面环境下， 冷气微推力器的推力和质量流率随入口压力增大而线性增加， 入口压力越大， 比冲增长速度越慢， NH3和N2的推力性能相差不大.

2) 在真空环境下， 推力随环境压力增加呈指数衰减趋势， 质量流率不受环境压力的影响. 当入口压力为0.86 MPa时NH3的推力比N2提高13%， 液氨的真空闪蒸特性明显提高微推力器的推力.

3) 地面环境下气体在喷管内发生流动分离， 与真空环境相比， 地面推力至少降低50%， 地面与真空环境下推力性能差异较大， 实验结果符合理论分析. 在推力测量实验中， 推力的实验值与理论计算的偏差小于10%， 说明本实验系统能够用于微推力测量.

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ThrustCharacteristicResearchofAirMicroThrusterinDifferentMediaConditions

ZENG Qingde， JIA Yunfei， LIU Huili， YU Yehui

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science & Technology, Nanjing 210094， China)

1671-7449(2017)05-0416-07

V439

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2017.05.008

2016-12-17

曾庆德(1992-)， 男， 硕士生， 主要从事微推力测试技术的研究.