基于超导差分加速度测量原理的微推力测量方案
随着微推进技术的快速发展，微推力器推力的测试与标定也日益困难。为实现微推力的精密测量和动态特性测试，通过分析超导重力梯度仪的差分加速度测量原理、仪器的构成和原理电路等，提出了一种基于高温超导差分加速度测量原理和SQUID检测技术微推力测量方案，其推力测量范围为10-7～10-2N、测量频带从直流至4Hz。根据检验质量的动力学方程和超导回路磁通量守恒方程，导出了推力与输出差分电流的传递函数，分析了影响测量的主要噪声。方案可应用于微推力的测量，并有进一步提高推力测量精度的潜力。
1、引言
高性能的微推力器在航天器轨道维持、无拖曳控制和姿态控制中有着重要作用。在过去的几十年里，欧美以及俄罗斯、日本等国家在微推技术及其应用方面发展迅速。微推力器包括很多类型，例如：冷气推力型、胶体推力型、场致发射型(FEEP)、射频离子型(RIT)、激光等离子体型(LPT)和等离子体脉冲型(PPT)微推力器等。随着航天工业的快速发展，一些空间科学试验和探测任务对微推力器的要求也越来越高。例如：欧空局的下一代重力测量卫星预研究(NGGM)、探索域外文明的达尔文计划(DARWIN)和空间引力波探测任务(LISA)等，均要求用于航天器无拖曳控制和姿态调整的微推力器具有推力精度高、比冲大、寿命长等特点，这对微推力器的地面测试和标定提出了更高的要求。
微推力的精密测量不同于一般的弱力测量，有些类型的微推力器质量较大，在克服1g重力加速度的前提下实现微推力高精度测量比较困难。此外，还需要精确测试微推力器推力的动态特性，这就要求微推力测量系统具有较宽的测量频带和较快的响应速度。国内外一些研究机构提出了多种微推力地面测量的方案，如法国国家宇航研究局(ONERA)、意大利帕多瓦大学、美国喷气推进实验室(JPL)、中国科学院力学研究所、兰州空间技术物理研究所和广州能源研究所等都提出了自己的推力测量方案[8-13]。大多数能够实现微牛级甚至亚微牛级推力的精密测量，但其测量频带普遍较窄，且测量精度达到亚微牛级的装置几乎没有进一步提高的潜力，不能满足未来更高精度的微推力测量要求。为此，基于超导重力梯度仪(SGG)的差分加速度测量原理，提出了一种测量微推力的方案，不仅可以实现10-7N的推力测量精度和更宽的测量频带，而且具有进一步提高测量精度一到两个量级的潜力。
图1 SGG单轴电路
5、结论
通过分析超导重力梯度仪的测量原理，提出了一种新的微推力测量方法。它借鉴了超导重力梯度仪的测量原理，其可行性高，共模抑制能力强，测力精度达到0.1μN，测量频带高达4Hz，优于JPL和ONERA等提出的推力测量方案，可以满足正在研制中的重力卫星计划和引力波探测计划中航天器无拖曳控制使用的电推力器的测试和标定需求。实验室测试结果表明，超导差分加速度测量的低频噪声和漂移非常小，适宜对推力做长时间测量。相对于超导加速度计的测量精度，提出的微推力测量方案的测量精度降低了4个量级，这就意味着本方案不仅可以满足微推力测量的要求，还具有进一步提高测量精度的潜力。
