為了實(shí)現(xiàn)空間微推力器的高精度推力測(cè)量，提出了一種電容橋式差分讀出的雙單擺推力測(cè)量方案，其測(cè)量頻帶從10 ^-3 Hz ～ 0.016 Hz，可實(shí)現(xiàn)分辨率為0.1 μN，量程1 mN 的微推力測(cè)量。與意大利帕多瓦大學(xué)設(shè)計(jì)的雙單擺微推力差分測(cè)量系統(tǒng)相比，方案具有更強(qiáng)的共模抑制能力，操作簡(jiǎn)單易行。

引言

　　隨著精密空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的發(fā)展，對(duì)電推力器推力精度的要求日益提高。重力梯度衛(wèi)星GOCE要求推力分辨率達(dá)到12 μN，而空間引力波探測(cè)任務(wù)則提出0. 1 μN 的更高分辨率的要求。這種高精度的推力器需求，對(duì)相應(yīng)的地面推力測(cè)試和標(biāo)定提出了挑戰(zhàn)。

　　國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)研制了一些高精度的推力測(cè)量裝置。美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室( JPL) 的水平扭擺式測(cè)量裝置，法國國家宇航局( ONERA) 的可以衰減地面振動(dòng)的豎直擺式測(cè)量裝置，意大利帕多瓦大學(xué)的具有共模抑制能力的雙單擺式測(cè)量裝置，以及國內(nèi)最近提出的基于超導(dǎo)差分加速度測(cè)量原理的測(cè)量裝置，均達(dá)到0. 1 μN 的分辨能力。中國科學(xué)院力學(xué)研究所的扭絲式測(cè)量裝置達(dá)到2 μN 的分辨能力。

　　由于雙單擺式測(cè)量裝置的兩個(gè)檢驗(yàn)質(zhì)量質(zhì)心不重合，對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)的響應(yīng)不同，因此轉(zhuǎn)動(dòng)噪聲較難抑制，而且兩個(gè)擺的懸掛點(diǎn)相距較遠(yuǎn)，溫度差異較大，熱膨脹也會(huì)給力的測(cè)量帶來誤差。為此，改進(jìn)了測(cè)力方案，將參考擺套在工作擺上，讓兩者的質(zhì)心及軸線重合，并采用電容橋式位移傳感系統(tǒng)。新方案的共模抑制能力大大加強(qiáng)，反應(yīng)靈敏，測(cè)量方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)原理和測(cè)試方法

推力測(cè)量實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

　　圖1 是意大利帕多瓦大學(xué)設(shè)計(jì)的雙單擺微推力測(cè)量裝置。A 為電推力器，B 為與A 質(zhì)量相同的物體，作為參考擺使用。推力器被4 根石英絲如圖1 所示的方式懸掛起來。這種懸掛方式使推進(jìn)器可以在測(cè)量軸方向自由運(yùn)動(dòng)，而非測(cè)量軸方向的運(yùn)動(dòng)則受到限制。

圖1 雙單擺示意圖

　　在理想情況下，兩擺完全相同，當(dāng)整個(gè)測(cè)量裝置受到平動(dòng)擾動(dòng)時(shí)，兩擺對(duì)擾動(dòng)的響應(yīng)相同，不發(fā)生相對(duì)位移。若兩擺發(fā)生相對(duì)位移，則一定是由A 的推力引起的。用電容位移傳感器測(cè)量A 與B 的相對(duì)位移，根據(jù)擺的動(dòng)力學(xué)方程，就可以知道電推力器產(chǎn)生的推力。這種推力測(cè)量方案對(duì)平臺(tái)震動(dòng)中的平動(dòng)有很好抑制能力，但由于兩個(gè)擺質(zhì)心不重合，對(duì)平臺(tái)震動(dòng)中轉(zhuǎn)動(dòng)的響應(yīng)是不同的，因此無法抑制震動(dòng)中的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)測(cè)量的影響。

　　另一方面，推力器在工作過程中產(chǎn)生熱量，造成擺的支撐結(jié)構(gòu)產(chǎn)生熱形變，由于兩擺的懸掛位置相距較遠(yuǎn)，很難保證在兩個(gè)懸掛位置上產(chǎn)生相同的熱形變，因此，支撐結(jié)構(gòu)的熱形變就會(huì)使兩擺產(chǎn)生相對(duì)位移，從而引起力的測(cè)量誤差。為解決這個(gè)問題，需要在試驗(yàn)裝置中布置多個(gè)溫度傳感器和加熱裝置對(duì)擺的支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫控，這無疑增加了實(shí)驗(yàn)裝置的復(fù)雜程度。

圖2 雙單擺改進(jìn)圖

　　為此，研究者對(duì)帕多瓦大學(xué)的測(cè)量裝置進(jìn)行了改進(jìn)。如圖2 所示。將參考擺B 套擺A 上，使兩者的質(zhì)心、軸線重合，擺長相等，確保兩者具有相同的運(yùn)動(dòng)方向和固有頻率。同時(shí)，采用電容橋直接測(cè)量A 與B 的相對(duì)位移，而不是像原方案那樣測(cè)量每個(gè)擺到支架的位移，允許兩擺做較大幅度的擺動(dòng)，因此可以承受更大的平臺(tái)震動(dòng)。

結(jié)論

　　提出改進(jìn)的雙單擺微推力測(cè)量的方案。與意大利帕多瓦大學(xué)設(shè)計(jì)的雙單擺式推力測(cè)量方案相比，新方案將參考擺套在工作擺上，兩者的質(zhì)心及軸線重合，確保了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度的差分測(cè)量。改進(jìn)后的方案較原來的方案共模抑制能力更強(qiáng)，對(duì)溫控的要求更低，可行性更高。在位移讀出這一關(guān)鍵方面，選用電容橋式差分測(cè)量，其位移測(cè)量精度高，響應(yīng)速度快，增益可調(diào)，容易實(shí)現(xiàn)高精度或大量程的推力測(cè)量。