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亚新体育app官网:【博创基金微展示】第2期 黄成金:离子液体电推进发射过程研究

2022-03-30 22:02 航空学院  点击:[]

标 题:离子液体电推进发射过程研究

英文标题:Investigation of Ionic Liquid Electric Emission for Space Propulsion

作 者:黄成金

指导教师:范玮教授、李建玲教授

培养院系:动力与能源学院

学 科:航空宇航科学与技术

读博寄语:公诚勇毅,三实一新,飞天巡洋,动力先行


主要研究内容

1957年10月4日,前苏联将人类第一颗人造卫星“Sputnik 1”成功送入空间轨道,开启了人类飞向太空的历史纪元。随着科技的进步,工程师能将更多的功能器件集成到越来越小的模块中。集成化模块化趋势也深刻地反映在人类探索和应用太空的脚步中。过去10年间,微纳卫星的发射量增长了约30倍。但是由于微纳卫星严格的重量、体积和功耗限制,据统计有近96%的微纳卫星没有配置推进系统,从而引发了深刻的空间安全担忧。2021年5月,国防科工局与中央军委装备发展部联合发文《关于促进微小卫星有序发展和加强安全管理的通知》,明确要求新发射微小卫星必须具备在轨期间躲避碰撞和任务结束快速离轨的轨道机动能力。因此,探索具有全面微型化能力的高效空间推进方案是必要且急切的。

离子液体是一种由有机阳离子和有机或无机阴离子组成的固液转变温度(熔点或玻璃化转变温度)低于100℃的低温熔盐,具有真空不挥发,宽液态范围、绿色无毒等众多空间推进应用中理想的性质。通过合理控制外加电场可以将离子液体直接从液相转换成高速带电粒子(离子、离子簇、带电液滴)并产生推力,从而避免了传统气相电离推进方式中电子自由程对推力器尺寸的限制,以及碰撞电离带来的能量损失和复杂推力器结构。因此,离子液体电推进具有全面突出的潜在性能优势,是微纳卫星极具吸引力的动力解决方案。离子液体电推力器对结构部件的极致简化要求是工程应用的理想状态,但在其“简单”外表下的复杂机理问题,是研究人员必须深入探索理解以实现对更简单结构有效控制的基石,也是其背后更为复杂且极具魅力的科学本质。本项目在亚新体育app官网博士论文创新基金资助下,以空间推进应用的重要需求为牵引,深入开展离子液体电致发射机理研究,探索离子液体电推进应用。

离子液体离子源与推力器应用的思想路径

一、机理研究

离子液体电致发射中多种力学量的相互竞争关系和离子液体独特的电化学性质,是影响电致发射产物的关键因素。在多孔介质型离子液体电推力器中流动与电致发射过程高度耦合,发射锥尖端的流动状态直接影响电致发射、进而影响推力器性能。搭建了离子液体单锥、多锥实验平台、束流诊断平台和分离式显微成像平台,在高真空环境下广泛开展了不同离子液体、不同几何构型、不同操作条件的离子液体电致发射实验,获得了离子液体电推力器的电压-电流特性及高分辨率发射锥尖流动状态光学图像,研究了离子液体发射起始过程中的力学关系和变化,探索了离子液体物性对发射过程的影响,揭示了锥尖流动状态变化与推力器宏观参数变化的关联,为推力器设计和推进剂优化选型提供理论依据。

离子液体电致发射机理研究

推进性能测量和评估方法研究对于新型动力的发展至关重要,装置研发的高门槛以及微参数(推力、流量)测量的困难导致现有文献中很少开展系统的离子液体电推力器性能评估方法研究。针对这一问题,发展了微推力和微流量同步测量方法,获得了离子液体电推力器关键性能参数(如推力、推功比、比冲、推力器效率)等随控制电压的变化规律,建立了离子液体电推力器性能估算方法,用实测数据证实了离子液体电推力器应用于空间推进的优势——能够兼顾高效率、微型化的动力需求,并提出了进一步性能提升方法。

离子液体电推力器样机与其他推进方式实测数据比较

二、以基础研究为支持,发展推力器样机

基于上述离子液体电致发射过程的机理认识,突破结构设计、材料制备、器件加工等多项关键技术(公开发明专利3项,授权软件著作权1项),打破常规离子液体选用方案,研制出具有启动电压千伏以内的离子液体电推力器样机,远低于液态金属场发射推力器数千伏至上万伏的工作电压,显著降低电源系统难度,具备千伏级电压条件下高效率性能输出能力(比冲千秒量级以上),电能消耗低至1W以内,能够满足空间任务需求,为微纳卫星提供高性能备选推进方案。

离子液体电推力器样机实物工作照片及实测性能

三、积极参与学术交流和应用探索

积极参与国际能源与推进会议、中国电推进学术研讨会等领域专业学术会议,曾前往长沙、南京、北京、兰州、烟台、上海、深圳等多地开展学术交流汇报,促进思想开放和思路扩展。积极参与创新创业竞赛,努力探索学术成果应用路径。作品“新航天离子液体微电推力器”获得中国研究生未来飞行器创新大赛校内选拔赛一等奖,并进一步获得“飞鲨杯”第七届中国研究生未来飞行器创新大赛全国一等奖(“新材料、新结构、新动力”分系统设计赛道仅2项),“新航天时代离子液体微型电推力器”项目还获得亚新体育app官网飞天创客空间最高层次资助,用于开展离子液体电推进应用探索。

部分学术交流和获奖照片




主要创新点

(1) 采用分离式显微成像技术获得了高分辨率离子液体电致发射光学图像,研究了强电场作用下离子液体在锥形多孔介质尖端的流动状态和直接液相电离起始过程,探究了离子液体物性在电致发射过程中的影响规律;

(2) 基于对离子液体电致发射的机理研究,设计并研制出基于多孔介质的二维阵列锥离子液体电推力器样机,并成功将起始电压控制在千伏以内,实现微牛级推力和每秒纳升级流量直接测量,搭配优选的离子液体推进剂,样机性能指标优异;

(3) 基础学术研究紧密联系应用实际,积极参与创新创业竞赛和广泛学术交流,探索学术成果的实际应用。



代表性创新成果

一、学术论文

[1]Huang C, Li J*, Li M. Performance Measurement and Evaluation of an Ionic Liquid Electrospray Thruster[J]. Chinese Journal of Aeronautics, In press.(Fast track邀稿,DOI: 10.1016/j.cja.2021.10.030, JCR Q1, T1?)

[2]Huang C, Li J*, Li M, Si T, Xiong C, Fan W. Experimental investigation on current modes of ionic liquid electrospray from a coned porous emitter[J]. Acta Astronautica, 2021, 183: 286-299. (JCR Q1, T1?)

[3]Huang C, Li J*, Li M, Si T, Xiong C, Fan W. Emission Performance of Ionic Liquid Electrospray Thruster for Micro Propulsion[J]. Journal of Propulsion and Power, 2022, 28(2): 212-220. (JCR Q2, T1?)

[4]Huang C, Li J*, Li M, Fan W. The Current Analysis of Electrospray Process on a Single Emitter with Ionic Liquid for Micro Propulsion[C]// AIAA Propulsion and Energy 2020 Forum. 2020. (EI: 20203909229188)

(?T1级分区,参照中国航空学会《航空航天领域高质量科技期刊分级目录》)

二、知识产权

[1]李建玲,黄成金,范玮. 一种电推力器推力流量电流联测装置及方法[P]. CN112268704A, 2020. (发明专利)

[2]李建玲,黄成金,范玮,熊姹. 一种电控矢量推力电推进器[P]. CN109896050A, 2019. (发明专利)

[3]李建玲,黄成金,范玮,熊姹. 一种磁控发散角电推进器[P]. CN109941461A, 2019. (发明专利)

[4]黄成金,李建玲,范玮. DAQS6485. 2019SR0249184, 2019. (软件著作权)

三、荣誉获奖:

[1]2021.11: 获中国研究生未来飞行器创新大赛全国一等奖(排名1);

[2]2021.08: 获中国研究生未来飞行器创新大赛校级赛一等奖(排名1)。

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