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標(biāo) 題：離子液體電推進(jìn)發(fā)射過(guò)程研究

英文標(biāo)題：Investigation of Ionic Liquid Electric Emission for Space Propulsion

作 者：黃成金

指導(dǎo)教師：范瑋教授、李建玲教授

培養(yǎng)院系：動(dòng)力與能源學(xué)院

學(xué) 科：航空宇航科學(xué)與技術(shù)

讀博寄語(yǔ)：公誠(chéng)勇毅，三實(shí)一新，飛天巡洋，動(dòng)力先行

主要研究?jī)?nèi)容

1957年10月4日，前蘇聯(lián)將人類(lèi)第一顆人造衛(wèi)星“Sputnik 1”成功送入空間軌道，開(kāi)啟了人類(lèi)飛向太空的歷史紀(jì)元。隨著科技的進(jìn)步，工程師能將更多的功能器件集成到越來(lái)越小的模塊中。集成化模塊化趨勢(shì)也深刻地反映在人類(lèi)探索和應(yīng)用太空的腳步中。過(guò)去10年間，微納衛(wèi)星的發(fā)射量增長(zhǎng)了約30倍。但是由于微納衛(wèi)星嚴(yán)格的重量、體積和功耗限制，據(jù)統(tǒng)計(jì)有近96%的微納衛(wèi)星沒(méi)有配置推進(jìn)系統(tǒng)，從而引發(fā)了深刻的空間安全擔(dān)憂(yōu)。2021年5月，國(guó)防科工局與中央軍委裝備發(fā)展部聯(lián)合發(fā)文《關(guān)于促進(jìn)微小衛(wèi)星有序發(fā)展和加強(qiáng)安全管理的通知》，明確要求新發(fā)射微小衛(wèi)星必須具備在軌期間躲避碰撞和任務(wù)結(jié)束快速離軌的軌道機(jī)動(dòng)能力。因此，探索具有全面微型化能力的高效空間推進(jìn)方案是必要且急切的。

離子液體是一種由有機(jī)陽(yáng)離子和有機(jī)或無(wú)機(jī)陰離子組成的固液轉(zhuǎn)變溫度（熔點(diǎn)或玻璃化轉(zhuǎn)變溫度）低于100℃的低溫熔鹽，具有真空不揮發(fā)，寬液態(tài)范圍、綠色無(wú)毒等眾多空間推進(jìn)應(yīng)用中理想的性質(zhì)。通過(guò)合理控制外加電場(chǎng)可以將離子液體直接從液相轉(zhuǎn)換成高速帶電粒子（離子、離子簇、帶電液滴）并產(chǎn)生推力，從而避免了傳統(tǒng)氣相電離推進(jìn)方式中電子自由程對(duì)推力器尺寸的限制，以及碰撞電離帶來(lái)的能量損失和復(fù)雜推力器結(jié)構(gòu)。因此，離子液體電推進(jìn)具有全面突出的潛在性能優(yōu)勢(shì)，是微納衛(wèi)星極具吸引力的動(dòng)力解決方案。離子液體電推力器對(duì)結(jié)構(gòu)部件的極致簡(jiǎn)化要求是工程應(yīng)用的理想狀態(tài)，但在其“簡(jiǎn)單”外表下的復(fù)雜機(jī)理問(wèn)題，是研究人員必須深入探索理解以實(shí)現(xiàn)對(duì)更簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)有效控制的基石，也是其背后更為復(fù)雜且極具魅力的科學(xué)本質(zhì)。本項(xiàng)目在西北工業(yè)大學(xué)博士論文創(chuàng)新基金資助下，以空間推進(jìn)應(yīng)用的重要需求為牽引，深入開(kāi)展離子液體電致發(fā)射機(jī)理研究，探索離子液體電推進(jìn)應(yīng)用。

離子液體離子源與推力器應(yīng)用的思想路徑

一、機(jī)理研究

離子液體電致發(fā)射中多種力學(xué)量的相互競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系和離子液體獨(dú)特的電化學(xué)性質(zhì)，是影響電致發(fā)射產(chǎn)物的關(guān)鍵因素。在多孔介質(zhì)型離子液體電推力器中流動(dòng)與電致發(fā)射過(guò)程高度耦合，發(fā)射錐尖端的流動(dòng)狀態(tài)直接影響電致發(fā)射、進(jìn)而影響推力器性能。搭建了離子液體單錐、多錐實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、束流診斷平臺(tái)和分離式顯微成像平臺(tái)，在高真空環(huán)境下廣泛開(kāi)展了不同離子液體、不同幾何構(gòu)型、不同操作條件的離子液體電致發(fā)射實(shí)驗(yàn)，獲得了離子液體電推力器的電壓-電流特性及高分辨率發(fā)射錐尖流動(dòng)狀態(tài)光學(xué)圖像，研究了離子液體發(fā)射起始過(guò)程中的力學(xué)關(guān)系和變化，探索了離子液體物性對(duì)發(fā)射過(guò)程的影響，揭示了錐尖流動(dòng)狀態(tài)變化與推力器宏觀(guān)參數(shù)變化的關(guān)聯(lián)，為推力器設(shè)計(jì)和推進(jìn)劑優(yōu)化選型提供理論依據(jù)。

離子液體電致發(fā)射機(jī)理研究

推進(jìn)性能測(cè)量和評(píng)估方法研究對(duì)于新型動(dòng)力的發(fā)展至關(guān)重要，裝置研發(fā)的高門(mén)檻以及微參數(shù)（推力、流量）測(cè)量的困難導(dǎo)致現(xiàn)有文獻(xiàn)中很少開(kāi)展系統(tǒng)的離子液體電推力器性能評(píng)估方法研究。針對(duì)這一問(wèn)題，發(fā)展了微推力和微流量同步測(cè)量方法，獲得了離子液體電推力器關(guān)鍵性能參數(shù)（如推力、推功比、比沖、推力器效率）等隨控制電壓的變化規(guī)律，建立了離子液體電推力器性能估算方法，用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)證實(shí)了離子液體電推力器應(yīng)用于空間推進(jìn)的優(yōu)勢(shì)——能夠兼顧高效率、微型化的動(dòng)力需求，并提出了進(jìn)一步性能提升方法。

離子液體電推力器樣機(jī)與其他推進(jìn)方式實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較

二、以基礎(chǔ)研究為支持，發(fā)展推力器樣機(jī)

基于上述離子液體電致發(fā)射過(guò)程的機(jī)理認(rèn)識(shí)，突破結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料制備、器件加工等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)（公開(kāi)發(fā)明專(zhuān)利3項(xiàng)，授權(quán)軟件著作權(quán)1項(xiàng)），打破常規(guī)離子液體選用方案，研制出具有啟動(dòng)電壓千伏以?xún)?nèi)的離子液體電推力器樣機(jī)，遠(yuǎn)低于液態(tài)金屬場(chǎng)發(fā)射推力器數(shù)千伏至上萬(wàn)伏的工作電壓，顯著降低電源系統(tǒng)難度，具備千伏級(jí)電壓條件下高效率性能輸出能力（比沖千秒量級(jí)以上），電能消耗低至1W以?xún)?nèi)，能夠滿(mǎn)足空間任務(wù)需求，為微納衛(wèi)星提供高性能備選推進(jìn)方案。

離子液體電推力器樣機(jī)實(shí)物工作照片及實(shí)測(cè)性能

三、積極參與學(xué)術(shù)交流和應(yīng)用探索

積極參與國(guó)際能源與推進(jìn)會(huì)議、中國(guó)電推進(jìn)學(xué)術(shù)研討會(huì)等領(lǐng)域?qū)I(yè)學(xué)術(shù)會(huì)議，曾前往長(zhǎng)沙、南京、北京、蘭州、煙臺(tái)、上海、深圳等多地開(kāi)展學(xué)術(shù)交流匯報(bào)，促進(jìn)思想開(kāi)放和思路擴(kuò)展。積極參與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)競(jìng)賽，努力探索學(xué)術(shù)成果應(yīng)用路徑。作品“新航天離子液體微電推力器”獲得中國(guó)研究生未來(lái)飛行器創(chuàng)新大賽校內(nèi)選拔賽一等獎(jiǎng)，并進(jìn)一步獲得“飛鯊杯”第七屆中國(guó)研究生未來(lái)飛行器創(chuàng)新大賽全國(guó)一等獎(jiǎng)（“新材料、新結(jié)構(gòu)、新動(dòng)力”分系統(tǒng)設(shè)計(jì)賽道僅2項(xiàng)），“新航天時(shí)代離子液體微型電推力器”項(xiàng)目還獲得西北工業(yè)大學(xué)飛天創(chuàng)客空間最高層次資助，用于開(kāi)展離子液體電推進(jìn)應(yīng)用探索。

部分學(xué)術(shù)交流和獲獎(jiǎng)?wù)掌?/p>