国际首台容性储电离子液体电喷雾推进系统成功在轨应用-北京航空航天大学

首页 > 学院新闻

学术讲座

国际首台容性储电离子液体电喷雾推进系统成功在轨应用

发布时间：2023/02/27 来源：阅读量：

2023年2月25日，由北京航空航天大学宇航学院“先进空间推进”研究团队研制的国际首个容性储电离子液体电喷雾推进系统在轨成功应用500天。该推进系统（ILT-50）作为亚太空间合作组织大学生小卫星-1（APSCO-SSS-1）的离轨动力装置，于2021年10月14日由“长征四号丁”运载火箭在太原卫星发射中心成功发射，随卫星进入高度517km的太阳同步轨道（见北航新闻网10月14日电：https://news.buaa.edu.cn/info/1002/54875.htm）。

2022年5月17日，ILT-50离子液体电喷雾推力器首次成功完成在轨点火试验验证，多组遥测数据有效验证了离子液体电喷雾推力器单喷口产生了32.8μN的连续微推力；为验证卫星运行一年后的系统可靠性，在2022年10月18日和2023年2月25日，系统又分别两次成功实现点火验证，与之前试验结果高度一致。

卫星发射和ILT-50离子液体电喷雾推力器在卫星上的位置

ILT-50离子液体电喷雾推进系统实物、点火和原理

离子液体电喷雾推进系统在轨遥测信号

离子液体电喷雾推进系统在轨试验验证

自2022年5月17日首次点火以来，ILT-50离子液体电喷雾推进系统进行了多组持续的点火工作及推力在轨功能试验。遥测数据表明，卫星动量轮转速发生了明显的变化。通过对比点火前后卫星动量轮转速变化数据，得到离子液体电喷雾推力器在-5至-10℃条件下的推力为32.8μN，这与2022年10月18日和2023年2月25日两轮次点火的数据和项目团队前期在地面使用微推力架测得的推力数据一致。这也是离子液体电喷雾推进系统首次公开报道的在轨推力数据。

在轨推力测试动量轮转速数据 在轨推力获得

研究历程

离子液体电喷雾推进是一种以液态推进剂为工质的新型静电式推进装置。离子液体工质在电场的作用下雾化形成微小带电液滴、并在电场力作用下被加速喷出产生推力，其推力范围在微牛至百微牛量级。离子液体电喷雾推进涉及渗流物理学、喷雾机理、电化学及场发射效应等多门学科领域的研究，其具有高荷质比和多样可控的离子种类及状态等特性，近年来在国际上引发广泛关注，成为先进空间推进领域的研究热点和前沿。离子液体电喷雾推进具有功耗低、微牛推力、结构紧凑、控制灵活、可靠性高等特点，为微纳卫星等航天器的主动变轨、精准姿控等需求提供了完美的解决方案，可广泛应用于星群组网及编队飞行、无拖曳控制、精确定位和对地/深空观测等太空任务。

离子液体电喷雾推进系统的成功研制和长时间在轨验证，是北航有组织科研模式的又一成功案例。多年来，由汤海滨、任军学、王伟宗、富庆飞、杨立军等师生组成的联合研究团队，在流体力学-电化学-渗流物理等基础方向横向深度交叉，在基础研究-关键技术-系统研制-工程应用创新链条上实现纵向连续突破，最终完成离子液体电喷雾推力器的在轨应用验证。该研究得到了包括国家自然科学基金和科工局民用航天预研项目在内的十余项相关项目支持，建设完成了国际先进的空间电推进实验设备。提出了交变电场Taylor锥射流参数不稳定性理论，明晰并解决了电喷雾科学研究中的电场力与表面张力主导的Rayleigh不稳定机制、非定常电场下雾化场的动态响应特性、交变电场作用下射流的线性失稳机制、导电离子液体锥射流发射、束流形成演化与真空羽流自中和机制等科学难题；所发现的新机理支撑突破了离子液体电推进容性储电自中和、离子液体/推力器/电源系统集成和微牛级推力精准测量等多项关键技术；长时间在轨试验验证也反映了离子液体电推进在轨环境适应性及电喷雾推进剂太空长期储存能力。这也是国际上首次通过容性储电方式实现了单台离子液体电喷雾推力器的自中和工作并长时间应用于卫星在轨任务。基础研究成果发表在流体力学、传热传质等领域顶级期刊《Journal of Fluid Mechanics》、《Physics of Fluids》、《Journal of Aerosol Science》、《Journal of Colloid and Interface Science》、《International Journal of Heat and Mass Transfer》。