微型冷气体推进器的发展,用于远程遥控摄像机等小型设备的在轨推进和宇航员推进背包的安装,需要测量从0.04到0.8磅(0.2到3.6 N)的推力。此外,有必要在真空环境中测量推力,以及在1个大气压(0.1 MPa)的空气中测量推力,以及在很大范围的推进剂进口压力范围内测量推力。这类测量需要克服的主要障碍是,如何在不影响推力测量的情况下,将冷气体推进剂(压缩氮气)输送到推进器,尤其是那些低于1/4磅(1 N)的推力测量。

推力架经过校准,可以精确测量从0.02到0.61磅(0.09到2.7 N)的推力。省略了一些细节。

用于测量较大推力的方法包括使用柔性管或旋转流体联轴器来提供推进剂。然而,在本低推力施加中,柔性管施加到推力传感器的力相对于测量的推力大大。另外,由柔性管产生的力随着推进剂压力的变化而变化,并且向推力传感器施加轴轴载荷。在旋转流体耦合方面的内部摩擦力以及这些力的变化对于待测的低推力也太大。

该图是推力支架的横截面,用于在大气压下测量真空或空气中的小推力。易于使用的甜甜圈配置称重传感器用作推力传感器。选择甜甜圈配置,因为它的中心孔使得可以使用推进器和称重传感器同轴使推进剂流动路径同轴。装载电池配有通气口,使得其内腔中的空气压力总是与周围空气的压力均衡,以防止负载电池输出中的过度压力相关的变换。

包括凸缘组件和流动杆,以提供通过称重传感器连接到推进器的推进剂。流动杆也是推进器安装配件的一部分,其将推力从推进器转移到负载电池。推进器,称重传感器和流杆的同轴布置消除了所有偏离轴的负载。

流阀杆被设计成突出通过顶部和底部法兰,以便推进剂压力在相反方向上轴向平衡在阀杆上。这样做是为了抵消静压和推进剂静压变化对测压元件产生的力。在实践中,这个设计被证明是成功的,在255psi (1.78 MPa)的推进剂压力下平衡了98.7%的力[7.8 / 7.9磅(34.7 / 35.1 N)]。

设计工作的重点之一是如何最好地密封流杆和法兰之间的间隙,以防止氮气逸出,同时允许在给定的推力下,测压元件产生一致的反应。最初,法兰通道包含内部o形圈沟槽,o形圈密封在顶部和底部法兰上。由于测压元件的完全挠度是

为了提供在流动杆和凸缘之间的替代方法,以消除密封件的换档,用硅氧烷密封剂代替O环。据推理,一旦密封剂被固化,密封剂对流动杆和凸缘的粘附将确保固定的几何形状,而没有在使用O环中发生的异种表面之间的滑动。像O环一样,新的硅胶密封件会在微观上弯曲,但由于O环的情况下,它们不会沿着流动杆滑动或在其凹槽中换档。选择一种可倾倒的硅氧烷密封剂,具有适当的未固化状态粘度和固化状态下的适当剪切强度。设计了组装方法和工具,以支撑在组装推力架期间硅胶密封件的浇注和固化。在测试硅胶密封件期间,在高达270psi(1.86MPa)的压力下没有观察到泄漏。

推力支架的其他特点包括:

  • 推力器安装配件上的肩承载着优化测压元件灵敏度所需的预载重量。
  • 顶部法兰上的凸起墙保护载荷电池,这是微妙的。
  • 来自硅胶密封件的泄漏泄漏路径防止了泄漏的不需要的加压。
  • 包括温度和压力传感器接口。
  • 开口销和垫片将流阀杆固定在法兰总成中。垫片堆叠的高度可以根据需要进行设置,以承受在处理和安装过程中施加到流阀底部的任何无意的负载,从而保护硅密封不受损坏。

推力支架的校准开始将其加压至测试推进器所需的压力之一。接下来,将校准的黄铜重量放置在推进器喷嘴上,并记录负载电池的电输出。校准完成后,将推进器触发几次,然后重复校准。

在测试程序中,推力站在推力校准范围0.02到0.16磅(0.09到0.71 N)和0.39到0.61磅(1.7 - 2.7 N)测量中的误差±5%低指示的范围和±3%的指示范围就越高。这种范围和精度的组合为推力测量系统提供了非常广泛的有用的总体范围。与校准期间获得的推力测量结果相比,在推力器点火中获得的推力测量结果具有相同或更多的重复性(即具有相同或更小宽度的误差带)。

已建议进一步改变推力架的设计,以增加其将来使用的能力。将测力元件安装在夹具的下法兰下,可以轻松地用不同测量范围的测力元件替换测力元件。推力仍将同轴转移到测压元件,但它将从流杆的底端通过一个热隔离装置转移到测压元件。不仅称重传感器的更换要简单得多;此外,这种配置将在热上将测压元件与推力器和推进剂隔离开来,从而使推力器和推进剂的温度调节超出了测压元件允许的范围。这种配置也可以使用更大直径的流量阀杆,以适应更高流量的推进器。

在本申请中,时间限制要求购买具有最多2磅(8.9n)的正常测量范围的最佳可用的现成负载电池。用于宽范围测量的负载电池的使用是必要的,需要执行低范围校准和单独的高范围校准,以确保精确度。时间允许,推力支架的未来版本将纳入最低推力测量的较低范围的负载电池。

这项工作由约翰逊航天中心的Mark L. Villemarette*完成FR.ee在线www.nasatech.com/tsp在测试和测量类别下。msc - 22861

*目前是海洋航天系统。


NASA科yabovip16.com技简报杂志

本文首先出现在2000年8月份NASA技yabovip16.com术简介杂志。

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