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【博創微展】第2期 黃成金:離子液體電推進發射過程研究
2022-03-30 22:02 黃成金  審核人:   (點擊: )

標 題:離子液體電推進發射過程研究

英文標題:Investigation of Ionic Liquid Electric Emission for Space Propulsion

作 者:黃成金

指導教師:范瑋教授、李建玲教授

培養院系:動力與能源學院

學 科:航空宇航科學與技術

讀博寄語:公誠勇毅,三實一新,飛天巡洋,動力先行


主要研究內容

1957年10月4日,前蘇聯將人類第一顆人造衛星“Sputnik 1”成功送入空間軌道,開啟了人類飛向太空的歷史紀元。隨著科技的進步,工程師能將更多的功能器件集成到越來越小的模塊中。集成化模塊化趨勢也深刻地反映在人類探索和應用太空的腳步中。過去10年間,微納衛星的發射量增長了約30倍。但是由于微納衛星嚴格的重量、體積和功耗限制,據統計有近96%的微納衛星沒有配置推進系統,從而引發了深刻的空間安全擔憂。2021年5月,國防科工局與中央軍委裝備發展部聯合發文《關于促進微小衛星有序發展和加強安全管理的通知》,明確要求新發射微小衛星必須具備在軌期間躲避碰撞和任務結束快速離軌的軌道機動能力。因此,探索具有全面微型化能力的高效空間推進方案是必要且急切的。

離子液體是一種由有機陽離子和有機或無機陰離子組成的固液轉變溫度(熔點或玻璃化轉變溫度)低于100℃的低溫熔鹽,具有真空不揮發,寬液態范圍、綠色無毒等眾多空間推進應用中理想的性質。通過合理控制外加電場可以將離子液體直接從液相轉換成高速帶電粒子(離子、離子簇、帶電液滴)并產生推力,從而避免了傳統氣相電離推進方式中電子自由程對推力器尺寸的限制,以及碰撞電離帶來的能量損失和復雜推力器結構。因此,離子液體電推進具有全面突出的潛在性能優勢,是微納衛星極具吸引力的動力解決方案。離子液體電推力器對結構部件的極致簡化要求是工程應用的理想狀態,但在其“簡單”外表下的復雜機理問題,是研究人員必須深入探索理解以實現對更簡單結構有效控制的基石,也是其背后更為復雜且極具魅力的科學本質。本項目在西北工業大學博士論文創新基金資助下,以空間推進應用的重要需求為牽引,深入開展離子液體電致發射機理研究,探索離子液體電推進應用。

離子液體離子源與推力器應用的思想路徑

一、機理研究

離子液體電致發射中多種力學量的相互競爭關系和離子液體獨特的電化學性質,是影響電致發射產物的關鍵因素。在多孔介質型離子液體電推力器中流動與電致發射過程高度耦合,發射錐尖端的流動狀態直接影響電致發射、進而影響推力器性能。搭建了離子液體單錐、多錐實驗平臺、束流診斷平臺和分離式顯微成像平臺,在高真空環境下廣泛開展了不同離子液體、不同幾何構型、不同操作條件的離子液體電致發射實驗,獲得了離子液體電推力器的電壓-電流特性及高分辨率發射錐尖流動狀態光學圖像,研究了離子液體發射起始過程中的力學關系和變化,探索了離子液體物性對發射過程的影響,揭示了錐尖流動狀態變化與推力器宏觀參數變化的關聯,為推力器設計和推進劑優化選型提供理論依據。

離子液體電致發射機理研究

推進性能測量和評估方法研究對于新型動力的發展至關重要,裝置研發的高門檻以及微參數(推力、流量)測量的困難導致現有文獻中很少開展系統的離子液體電推力器性能評估方法研究。針對這一問題,發展了微推力和微流量同步測量方法,獲得了離子液體電推力器關鍵性能參數(如推力、推功比、比沖、推力器效率)等隨控制電壓的變化規律,建立了離子液體電推力器性能估算方法,用實測數據證實了離子液體電推力器應用于空間推進的優勢——能夠兼顧高效率、微型化的動力需求,并提出了進一步性能提升方法。

離子液體電推力器樣機與其他推進方式實測數據比較

二、以基礎研究為支持,發展推力器樣機

基于上述離子液體電致發射過程的機理認識,突破結構設計、材料制備、器件加工等多項關鍵技術(公開發明專利3項,授權軟件著作權1項),打破常規離子液體選用方案,研制出具有啟動電壓千伏以內的離子液體電推力器樣機,遠低于液態金屬場發射推力器數千伏至上萬伏的工作電壓,顯著降低電源系統難度,具備千伏級電壓條件下高效率性能輸出能力(比沖千秒量級以上),電能消耗低至1W以內,能夠滿足空間任務需求,為微納衛星提供高性能備選推進方案。

離子液體電推力器樣機實物工作照片及實測性能

三、積極參與學術交流和應用探索

積極參與國際能源與推進會議、中國電推進學術研討會等領域專業學術會議,曾前往長沙、南京、北京、蘭州、煙臺、上海、深圳等多地開展學術交流匯報,促進思想開放和思路擴展。積極參與創新創業競賽,努力探索學術成果應用路徑。作品“新航天離子液體微電推力器”獲得中國研究生未來飛行器創新大賽校內選拔賽一等獎,并進一步獲得“飛鯊杯”第七屆中國研究生未來飛行器創新大賽全國一等獎(“新材料、新結構、新動力”分系統設計賽道僅2項),“新航天時代離子液體微型電推力器”項目還獲得西北工業大學飛天創客空間最高層次資助,用于開展離子液體電推進應用探索。

部分學術交流和獲獎照片




主要創新點

(1) 采用分離式顯微成像技術獲得了高分辨率離子液體電致發射光學圖像,研究了強電場作用下離子液體在錐形多孔介質尖端的流動狀態和直接液相電離起始過程,探究了離子液體物性在電致發射過程中的影響規律;

(2) 基于對離子液體電致發射的機理研究,設計并研制出基于多孔介質的二維陣列錐離子液體電推力器樣機,并成功將起始電壓控制在千伏以內,實現微牛級推力和每秒納升級流量直接測量,搭配優選的離子液體推進劑,樣機性能指標優異;

(3) 基礎學術研究緊密聯系應用實際,積極參與創新創業競賽和廣泛學術交流,探索學術成果的實際應用。



代表性創新成果

一、學術論文

[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級分區,參照中國航空學會《航空航天領域高質量科技期刊分級目錄》)

二、知識產權

[1]李建玲,黃成金,范瑋. 一種電推力器推力流量電流聯測裝置及方法[P]. CN112268704A, 2020. (發明專利)

[2]李建玲,黃成金,范瑋,熊姹. 一種電控矢量推力電推進器[P]. CN109896050A, 2019. (發明專利)

[3]李建玲,黃成金,范瑋,熊姹. 一種磁控發散角電推進器[P]. CN109941461A, 2019. (發明專利)

[4]黃成金,李建玲,范瑋. DAQS6485. 2019SR0249184, 2019. (軟件著作權)

三、榮譽獲獎:

[1]2021.11: 獲中國研究生未來飛行器創新大賽全國一等獎(排名1);

[2]2021.08: 獲中國研究生未來飛行器創新大賽校級賽一等獎(排名1)。

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