国际首个容性储电自中和电喷雾推进器应用于亚太空间合作组织大学生小卫星-1

北京时间2021年10月14日，长征二号丁运载火箭在太原卫星发射中心顺利发射升空，将北京航空航天大学牵头研制的亚太空间合作组织大学生小卫星-1（APSCO-SSS-1）准确送入预定轨道，发射任务取得圆满成功。

APSCO-SSS-1卫星由7个分系统组成。为避免太空垃圾，离轨分系统采用了由北航宇航学院研制的电喷雾推力器(ILT-50)，该推力器是国内首台由高校研制并执行在轨飞行任务的电喷雾推进装置，也是国际上首次容性储电实现单台电喷雾推力器自中和工作并应用于卫星在轨任务。电喷雾推进研制团队由宇航推进系汤海滨教授、杨立军教授、刘宇教授、富庆飞教授、任军学副教授、杨文将副教授、王一白副教授等及二十余名博士、硕士和本科生组成，在学院领导及APSCO-SSS-1卫星总体团队的大力支持下，圆满完成了模样和初样推力器的设计、试验、优化以及正样产品的加工、测试和交付等各项工作，为卫星离轨功能实现奠定了坚实的基础，也为国际社会太空安全开发做出贡献。

电喷雾推力器安装在SSS-1卫星上 ILT-50电喷雾推力器（推力器/电源集成模块）

电喷雾推力器进行环境试验与微推力测量试验

科技创新

电喷雾推力器是一种以液态推进剂作为工质的新型静电式推进装置。液体工质在电场的作用下雾化形成带电液滴并被加速产生推力，其推力范围在微牛至百微牛量级。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，是国际上空间推进领域的研究热点和前沿，具有功耗低、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、姿态控制等需求提供了新的解决方案。

电喷雾推力器原理

锥射流脉动新模式

ILT-50推力器及点火工作

在ILT-50电喷雾推进装置研制过程中，项目团队针对泰勒锥的形成、锥射流破裂雾化及带电粒子在电场中的运动等电喷雾基本过程开展了基础理论研究，提出了非定常电场作用下的电雾化动力学理论，发现了交变电压激励下锥射流的多种脉动新模式，指导了电推力器的自中和设计；基于APSCO-SSS-1卫星离轨任务和电推力器高比冲的需求，研发配制了特殊的电喷雾推进剂，应用了新型非金属发射材料，开展了电喷雾推力器设计和试验，突破了推力器自中和、推力器/电源集成和微牛级推力精确测量等关键技术，电推力器比冲达到1400s，在国际上首次通过容性储电方式实现了单台电喷雾推力器的自中和工作并应用于卫星在轨任务。相关研究成果学术论文发表在流体力学顶级期刊《Journal of Fluid Mechanics》、《Physics of Fluids》、《Journal of Aerosol Science》等高水平期刊上：

[1] Yang Li-jun, Wang Chen, Fu Qing-fei. Weakly nonlinear instability of planar viscous sheets. JOURNAL OF FLUID MECHANICS, 2013, 735(1).

[2]Hai-Bin Tang, Chao-Jin Qin, Yu Liu.Characterization of colloid thruster beams and plumes,Journal of Aerosol Science 42 (2011) 114–126

[3] Xie Luo, Jia Bo-qi, Cui Xiao, Yang Li-jun, and Fu Qing-fei. Linear instability analysis of a non-Newtonian liquid jet under AC electric fields. Aerospace Science and Technology, 2020: 106121.

[4] Xie Luo, Yang Li-jun, Ye Han-yu. Instability of gas-surrounded Rayleigh viscous jets: Weakly nonlinear analysis and numerical simulation. Physics of Fluids 2017, 29, 074101

[5] Xie Luo, Jia Bo-qi, Cui Xiao, Yang Li-jun, and Fu Qing-fei. Linear analysis and energy budget of viscous liquid jets in both axial and radial electric fields. Applied Mathematical Modelling 2020, 83, 400-418

[6]Zhongkai ZHANG, Guanrong HANG, Jiayun QI,Zun ZHANG, Zhe ZHANG, Jiubin LIU,Wenjiang YANG and Haibin TANG.Design and fabrication of a full elastic sub-micron-Newton scale thrust measurement system for plasma micro thrusters,Plasma Sci. Technol. 23 (2021) 104004

[7]Fawzi DERKAOUI, Zhaoxin LIU, Wenjiang YANG, Yu QIN, Kunlong WU, Peng ZHAO, Juzhuang YAN , Junxue REN and Haibin TANG.Design and research of magnetically levitated testbed with composite superconductor bearing for micro thrust measurement,Plasma Sci. Technol. 23(2021) 104010

[8]王群，富庆飞. 交变电场作用下单液滴蒸发的分子动力学模拟，力学学报，2021， 53（5）：1-10

[9]富庆飞，葛斐，成锦博，杨立军，任军学，汤海滨. 非定常电场下锥射流的振荡行为研究, 实验流体力学，2021，在线出版

创新人才培养及国际合作

电喷雾推进的研制不仅是一个技术创新的科研项目，也是创新人才培养和亚太空间合作人才培养的一种新实践。电推进研制过程中，任务需求分析、基础理论、技术攻关、单机研制到电推力器与卫星联调联试等每一个环节，团队都给予学生最大的自主权，激发学生对空间先进推进科学技术的兴趣，促进空间推进技术人才培养和国际合作。

电推力器的研制以学生团队为主导开展。吴坤隆、成锦博、齐家运、佟童、刘炫麟、张广川、张仲恺、刘朝鑫、石成斌等在读博士、硕士及本科生承担了电推进系统的研制、技术攻关、集成测试和联调联试等任务；刘畅、秦超晋、张莘艾、程蛟、李敏、鲁超、葛斐、谢络、张运霄等已毕业学生前期在基础理论研究、试验平台建设等方面为电推进系统的顺利研制提供了优良的条件；路恩（巴西）、吉尼尔和法齐（阿尔及利亚）等亚太地区留学生也参与了电喷雾推进的理论分析、方案设计和工程样机研制等工作。项目为中外学生提供了基础研究与工程实践结合的研究机会，锻炼了科学研究和工程研制能力，为后期快速融入工作岗位打下了坚实的基础。

电喷雾推进系统的研制为学生提供了课程理论与工程实践相结合的教育平台，建立了电喷雾推进试验与测试系统，有力支撑了电推进技术学科和专业方向，建设了4个专业实验和3门本科生课程，自主开发了教学课件，编写了3本配套讲义。研发的电推进系统以卫星应用为目标，建立了“理论课程-实验实践-型号研制”贯通的培养体系。项目参与学生先后在中外高水平期刊发表学术论文30余篇，实现了宇航学院创新性人才培养和国际化人才培养。

前景

后续，团队将进一步发展电喷雾理论体系，完善电喷雾推进地面试验系统，持续为教育教学服务；加快电喷雾推进系统的工程技术研发，使之应用于航天器的组网及编队飞行、无拖曳控制、精确定位和对地观测等任务，促进我国空间技术发展。