论文总字数：25516字

摘 要

随着空间技术的迅猛发展，其核心技术之一的电推进系统技术获得了长足的发展。由于电推进系统推力需要用微推力测量装置进行测量，故而电推进系统技术的发展离不开微推力测量装置。

本文设计了一种扭秤微推力测量系统，在结构原理设计、扭丝选择、角度捕捉装置设计三个关键方面给出了设计方案。在结构原理方面，设计并联双丝扭摆可以降低扭摆自身振动和摆动带来的系统误差，并给出了扭秤系统测量微推力的原理；在扭丝选择方面，在参考了诸多资料以及进行一定量的理论分析以后，选择出了合适作为推力测量仪扭丝的材料；在角度获取装置设计方面，比较了光杠杆放大原理和差分放大原理两种原理的优势和劣势，并结合实际，最终选择了差分法作为角度获取装置的设计方案。通过一系列的设计和改进之后，推力测量仪的设计精度基本能达到要求。另一方面，本文在理论分析的基础上，基于有限元的分析方法，使用多物理场耦合仿真软件COMSOL Multiphysics 对流体从毛细喷管口中喷射形成锥射流的过程进行了模拟仿真，分析了锥射流的形成过程，以及在不同电压下追射流锥形的变化。并且通过模拟仿真获得的流体喷射速度的结果，结合Creo三维建模，对锥射流内部流速等值线进行分析，获得毛细喷管口界面的平均速度，进而通过理论计算获得电喷射推进器推力的估计值。最后通过该估计值，验证推力测量仪的设计分辨率符合要求。

关键词：空间电推进、微推力、扭秤、差分法、有限元

Abstract

With the rapid development of space technology, the technology of electric propulsion system, one of its core technologies, has been greatly developed. Because the thrust of electric propulsion system needs to be measured by micro-thrust measuring device, the development of electric propulsion system technology cannot be separated from micro-thrust measuring device.

In this paper, a micro thrust measurement system of torsion balance is designed, and the design scheme is given in three key aspects of structural principle design, twist wire selection and Angle capture device design. In terms of the structural principle, the design of parallel double wire torsion pendulum can reduce the system error caused by the torsion pendulum vibration and oscillation. In the selection of torsion wire, after referring to a lot of data and carrying out a certain amount of theoretical analysis, the suitable material for the torsion wire of thrust measuring instrument was selected. In the point of access device design, compares the optical lever principle and differential amplification principle, advantages and disadvantages of two kinds of principle, and connecting with the actual, the finite difference method is chosen as the final point of access device design scheme. After a series of design and improvement, the design precision of thrust meter can meet the requirement. This article, on the other hand, after theoretical analysis, based on the finite element analysis method, using multiple physical field simulation software COMSOL Multiphysics of fluid from the capillary injection forming process of cone jet nozzle mouth simulation. The forming process of cone jet and the change of cone of chase jet at different voltage are analyzed. And through the simulation of fluid jet velocity, the result of the combined with Creo 3 d modeling, to analyze internal cone jet velocity isoline, obtain the average speed of capillary nozzle mouth interface, and then through the theoretical calculation for the electric jet propeller thrust estimator. Finally, the design resolution of thrust meter is proved to meet the requirement by the estimate.

Keywords： space electric propulsion、microthrust、torsion balance、difference method、finite element

目录

第一章 绪论 7

1.1 引言 7

1.2 电推进系统的研究现状 8

1.3 微推力测量的常用方法 8

1.3.1 扭摆结构 9

1.3.2 单摆结构 10

1.3.3 双摆结构 11

1.3.4 悬臂梁结构 12

1.3.5 高精度电子天平 12

1.4 本文的研究目的和主要研究内容 13

1.4.1 推力测量仪的结构设计 14

1.4.2 推进器喷射过程的模拟与仿真 14

1.4.3推力测量仪的校准与验证 14

第二章 并联双丝扭秤的设计方法 15

2.1 扭秤系统设计 15

2.1.1 设计原理 15

2.1.2 摆架设计 17

2.1.3 夹具设计与选择 17

2.2 扭丝的选取 19

2.2.1扭丝扭转系数 19

2.2.2 扭丝直径选取 20

2.3 扭转角获取设计 21

2.4 误差讨论 25

2.4.1 扭摆惯性造成的误差 26

2.4.2 系统阻尼造成的误差 26

2.5 本章小结 26

第三章 电喷射过程的仿真模拟 27

3.1 建模原理与过程 27

3.2 模拟结果的分析 30

3.3 电压对喷射的影响 31

3.4 电喷射推力的估算 32

3.4.1 电喷射推力估算方案 32

3.4.2 电喷射推力估算结果处理 35

3.4.3 仿真结果的推论 37

3.5 本章小结 37

第四章 总结 38

致谢 39

参考文献 40

绪论

引言

著名的俄罗斯科学家齐奥尔科夫斯基在1903年就发表了其有名的论文《通过反作用设备实现宇宙飞行的研究》，这篇论文被视为现代宇宙探索事业的起点。在那个时候，人们虽然不能如现在这样娴熟的加速电子，但是，那个时候的人们已经发现，通过使用放电管可以使电子加速，并最终获得一个很高的速度。到了1924年，齐奥尔科夫斯基又在论文中指出：“电的力量是无限的，可以产生强有力的氦离子流，用于宇宙飞船。”科学巨匠的前瞻能力确实令我辈叹服。

作为火箭的发动机来说，现在电喷射推进器的主要问题是推力太小。而推力太小，就以为着它无法作为航天器的发射装置。然而，作为卫星、飞船和星际探测器的姿态、轨道控制的推力器，电推进火箭发动机拥有无可比拟的优势。近年来，国际宇航界已形成普遍共识，没有电推进系统的卫星不能像拥有电推进系统的卫星一样灵活的进行姿态、轨道调整，将会在未来缺乏竞争力。

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