隨著微推進(jìn)技術(shù)的快速發(fā)展，微推力器推力的測(cè)試與標(biāo)定也日益困難。為實(shí)現(xiàn)微推力的精密測(cè)量和動(dòng)態(tài)特性測(cè)試，通過分析超導(dǎo)重力梯度儀的差分加速度測(cè)量原理、儀器的構(gòu)成和原理電路等，提出了一種基于高溫超導(dǎo)差分加速度測(cè)量原理和SQUID檢測(cè)技術(shù)微推力測(cè)量方案，其推力測(cè)量范圍為10^-7～10^-2N、測(cè)量頻帶從直流至4Hz。根據(jù)檢驗(yàn)質(zhì)量的動(dòng)力學(xué)方程和超導(dǎo)回路磁通量守恒方程，導(dǎo)出了推力與輸出差分電流的傳遞函數(shù)，分析了影響測(cè)量的主要噪聲。方案可應(yīng)用于微推力的測(cè)量，并有進(jìn)一步提高推力測(cè)量精度的潛力。

1、引言

　　高性能的微推力器在航天器軌道維持、無拖曳控制和姿態(tài)控制中有著重要作用。在過去的幾十年里，歐美以及俄羅斯、日本等國(guó)家在微推技術(shù)及其應(yīng)用方面發(fā)展迅速。微推力器包括很多類型，例如：冷氣推力型、膠體推力型、場(chǎng)致發(fā)射型(FEEP)、射頻離子型(RIT)、激光等離子體型(LPT)和等離子體脈沖型(PPT)微推力器等。隨著航天工業(yè)的快速發(fā)展，一些空間科學(xué)試驗(yàn)和探測(cè)任務(wù)對(duì)微推力器的要求也越來越高。例如：歐空局的下一代重力測(cè)量衛(wèi)星預(yù)研究(NGGM)、探索域外文明的達(dá)爾文計(jì)劃(DARWIN)和空間引力波探測(cè)任務(wù)(LISA)等，均要求用于航天器無拖曳控制和姿態(tài)調(diào)整的微推力器具有推力精度高、比沖大、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，這對(duì)微推力器的地面測(cè)試和標(biāo)定提出了更高的要求。

　　微推力的精密測(cè)量不同于一般的弱力測(cè)量，有些類型的微推力器質(zhì)量較大，在克服1g重力加速度的前提下實(shí)現(xiàn)微推力高精度測(cè)量比較困難。此外，還需要精確測(cè)試微推力器推力的動(dòng)態(tài)特性，這就要求微推力測(cè)量系統(tǒng)具有較寬的測(cè)量頻帶和較快的響應(yīng)速度。國(guó)內(nèi)外一些研究機(jī)構(gòu)提出了多種微推力地面測(cè)量的方案，如法國(guó)國(guó)家宇航研究局(ONERA)、意大利帕多瓦大學(xué)、美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)、中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所、蘭州空間技術(shù)物理研究所和廣州能源研究所等都提出了自己的推力測(cè)量方案[8-13]。大多數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)微牛級(jí)甚至亞微牛級(jí)推力的精密測(cè)量，但其測(cè)量頻帶普遍較窄，且測(cè)量精度達(dá)到亞微牛級(jí)的裝置幾乎沒有進(jìn)一步提高的潛力，不能滿足未來更高精度的微推力測(cè)量要求。為此，基于超導(dǎo)重力梯度儀(SGG)的差分加速度測(cè)量原理，提出了一種測(cè)量微推力的方案，不僅可以實(shí)現(xiàn)10-7N的推力測(cè)量精度和更寬的測(cè)量頻帶，而且具有進(jìn)一步提高測(cè)量精度一到兩個(gè)量級(jí)的潛力。

圖1 SGG單軸電路

5、結(jié)論

　　通過分析超導(dǎo)重力梯度儀的測(cè)量原理，提出了一種新的微推力測(cè)量方法。它借鑒了超導(dǎo)重力梯度儀的測(cè)量原理，其可行性高，共模抑制能力強(qiáng)，測(cè)力精度達(dá)到0.1μN，測(cè)量頻帶高達(dá)4Hz，優(yōu)于JPL和ONERA等提出的推力測(cè)量方案，可以滿足正在研制中的重力衛(wèi)星計(jì)劃和引力波探測(cè)計(jì)劃中航天器無拖曳控制使用的電推力器的測(cè)試和標(biāo)定需求。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果表明，超導(dǎo)差分加速度測(cè)量的低頻噪聲和漂移非常小，適宜對(duì)推力做長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量。相對(duì)于超導(dǎo)加速度計(jì)的測(cè)量精度，提出的微推力測(cè)量方案的測(cè)量精度降低了4個(gè)量級(jí)，這就意味著本方案不僅可以滿足微推力測(cè)量的要求，還具有進(jìn)一步提高測(cè)量精度的潛力。