宇航学院等离子体电推进助力齐鲁卫星星座空间组网
北京时间2023年01月15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，将中科院微小卫星创新研究院抓总研制的齐鲁卫星星座二号和三号卫星准确送入预定轨道，发射任务取得圆满成功。
齐鲁三号卫星搭载了由北航宇航学院电推进实验室牵头研制的低功率霍尔电推进产品LpHet-100，该产品是国内首台由高校研制并执行在轨飞行任务的一百瓦级霍尔推力器，也是国际上首次百瓦级永磁体磁屏蔽霍尔电推进应用于卫星星座在轨任务。
齐鲁2号和3号卫星发射瞬间（来源：中国航天科技集团）
齐鲁卫星三星星座包括齐鲁一号SAR卫星、齐鲁二号高分光学卫星和齐鲁三号宽幅光学卫星。三颗卫星将实现星间链路通信，可以完成从宽幅光学扫描到高分辨率目标跟踪，以及恶劣天气环境下的紧急救援等功能，为用户提供定制化的服务。搭载于齐鲁三号宽幅光学卫星的LpHet-100电推进系统将执行单星的主动变轨、姿态控制和离轨等任务，并实现三颗星的空间组网功能。
齐鲁卫星星座（图源：宇航学院）
齐鲁三号卫星、LpHet-100霍尔推力器及点火图像（图源：宇航学院）
在北航宇航学院及中科院齐鲁卫星总体技术团队的大力支持下，宇航学院电推进研制团队圆满完成了LpHet-100模样和初样推进产品的设计、试验、优化以及正样产品的加工、测试和交付等各项工作，为齐鲁卫星星座实现编队组网奠定了坚实的基础。
霍尔电推力器原理图，及E×B正交场放电通道内电离区结构的演变（图源：宇航学院）
在LpHet-100推进装置研制过程中，项目团队针对磁约束等离子体产生与加速、低气压放电模式转变、等离子体放电振荡及推进剂协同供给电离物理过程开展了基础理论研究，构建了低功率霍尔推力器放电振荡模型，提出了基于电子约束权重的磁场设计方法，建立了E×B磁场环形/直线通道变换准则，发现了混合推进剂的协同电离效应，有效地指导了LpHet-100电推进产品的高效率、长寿命和低成本设计。LpHet-100电推进产品的研制采用了先进金属增材制造技术，突破了双电极放电结构设计、低功率磁屏蔽构型优化、等离子体时空高分辨诊断、微小推力高精度测量与智能调控、空间电离分布特征精准识别等关键技术，一百瓦级功率工况比冲达到1100 s，在国际上首次通过永磁体实现百瓦级磁屏蔽霍尔推力器高效运行并应用于卫星在轨任务。相关研究成果发表在《Plasma Sources Science and Technology》、《Chinese Journal of Aeronautics》、《Acta Astronautica》等放电等离子体和航空航天领域顶尖期刊上（见文末研究成果）。
LpHet-100 霍尔推进产品的研制也为教学提供了课程理论与工程实践相结合的教育平台，建立了空间电推进试验与测试系统，在有力地支撑电推进技术学科方向研究的同时，服务于3个专业教学实验、3门本科生课程和3门研究生课程，编写了3本配套讲义。研制团队以卫星应用为目标，通过电推进系统的研发，建立了“理论课程-实验实践-型号研制”贯通的电推进学科/专业教学培养体系，推动了项目制产教融合培养探索与实践。参与项目的本科生和研究生先后在中外高水平期刊发表学术论文30余篇，有力地促进了空间电推进技术学科和智能空天电推进技术专业的人才培养改革与创新。
空间电推进高真空试验模拟舱及等离子诊断系统示意图（图源：宇航学院）
研究成果论文
【1】Zhang Guangchuan, Ren Junxue, Tang Haibin, Wang Yibai, Zhang Zhongkai, Liu Jiubin, Pan Ruojian, Zhang Zun, Cao Jinbin. Plasma diagnosis inside the discharge channel of a low-power Hall Thruster working on Xe / Kr mixtures. Acta Astronautica, 2023, 204, 389-401.
【2】Zhang Guangchuan, Ren Junxue, Liang Wei, Ouyang Ning, Lu Chao, Tang Haibin. Coupling plasma plume of a low-power magnetically shielded Hall thruster with a hollow cathode. Chinese Journal of Aeronautics, 2020, 33(12): 3018-3026.
【3】Zhang Guangchuan, Ren Junxue, Tang Haibin, Zhang Zhe, Cao Jinbin. Magnetic field deflection in a 100 W Hall thruster with permanent magnets. Plasma Sources Science and Technology, 2022, 31, 095003.
【4】Gao Yuanyuan,Wang Weizong, Xue Shuwen, et al. Influence of the upstream axial magnetic mirror field on the plume characteristics in the full cylindrical Hall thruster. Acta Astronautica, 2022, 196, 186-193.
【5】Zhang Guangchuan, Ren Junxue, Tang Haibin, Zhe Zhang, Fu Yifeng, Zhang Zhongkai, Cao Jinbin. Plasma diagnosis of an unclosed E×B drift thruster with visible ionization zone. Plasma Sources Science and Technology, 2022, 31,075002.
【6】Gao Yuanyuan, Wang Weizong, Li Yifei, et al. Mode transition of the cylindrical Hall thruster with the near-anode cusp magnetic field. Plasma Sources Science and Technology, 2022, 31, 045004.
【7】Gao Yuanyuan, Wang Weizong, Zhang Kai, et al. A study on the ionization mechanisms in a miniaturized cylindrical Hall thruster. Vacuum, 2022, 201, 111060.
【8】 Zhang Zhongkai, Zhang Guangchuan, Qi Jiayun, Zhang Yu, Wang Yibai, Zhang Zun, Tang Haibin, Wu Jianjun. Roll torque measurement and interpretation of low power Hall-effect thrusters. Acta Astronautica, 2023, 203, 16-25.
【9】Zhang Zhongkai, Zhang Zun, Wang Yimeng, Zhang Guangchuan, Qi Jiayun, Liu Jiubin, Tang Haibin, Cao Jinbin. Simultaneous experimental verification of indirect thrust measurement method based on Hall-effect thruster and plasma plume. Vacuum, 2022, 204, 111384.
【10】Wang Haibo, Wang Weizong, Yan Jiaqi, et al. Measurement and prediction of micronewton class thrust of electric propulsion based on the torsional pendulum and machine learning technique. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2022, DOI: 10.1109/TIM.2022.3225035.
【11】 Cao Shuai, Wang Xuan, Ren Junxue, Ouyang Ning, Zhang Guangchuan, Zhang Zhe, Tang Haibin. Performance and plume evolutions during the lifetime test of a Hall-effect thruster. Acta Astronautica, 2020, 170, 509-520.
【12】 Liu Yize, Ren Junxue, Cao Shuai, Zhang Guangchuan, Zhang Zhe, Tang Haibin. Effect of low-frequency disturbance on the self-sustained discharge of hollow cathode. Journal of Physics D: Applied Physics, 2020, 53, 425205.
【13】 Pan Ruojian, Ren Junxue, Tang Haibin, Cao Shuai, Li Juan, Zhang Zhe, Zhou Jun, Cao Jinbin. Application of the view factor model on the particle-in-cell and Monte Carlo collision code. Physical Review E, 2020, 102, 033311.
【14】 Zhang Zhongkai, Hang Guanrong, Qi Jiayun, Zhang Zun, Zhang Zhe, Liu Jiubin, Yang Wenjiang, Tang Haibin. Design and fabrication of a full elastic sub-micron-Newton scale thrust measurement system for plasma micro thrusters. Plasma Sources Science and Technology, 2021, 23, 104004.
