高效能微型电喷射推进技术基础理论研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51805082
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    24.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0512.微纳机械系统
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2021-12-31

项目摘要

Currently, the development of electrospray propulsion technology is focused on further reducing the onset voltage and improving the thrust resolution, specific impulse, and propulsion efficiency. Intrinsically, those propulsive performance is determined by the structure and size of nozzles as well as the liquid ejection mode. In this project, we will conduct both theoretical modelling and experiments to investigate the physical process of nanoscale liquid ejection driven by electric field. The fundamental mechanisms affecting the onset voltage, charge-to-mass ratio, and multi-electrospray performance will be unveiled. In detail, theoretically, we will develop the theoretical model of onset voltage and the molecular dynamics (MD) simulation model of nanoscale jet. The coupled effects of electric field, flow field, surface and fluid properties, and nozzles’ structure and size on liquid ejection will be clarified. Furthermore, effective approaches to tune pure droplet or pure ion emission regime will be determined. Experimentally, we employ high-precision nano-fabrication and characterization technology of the focused ion beam and the transmission electron microscope to realize high-precision and reproducible fabrication of stable nanopores on silicon nitride thin film. Single nozzle electrospray experiments will be performed to validate and improve the developed theoretical onset voltage model and MD models to achieve accurate prediction of propulsive performance in real operating conditions. To reduce the effects of electrostatic shielding, multi-nozzle electrospray experiments will be conducted to optimize the distribution and the spacing of nozzles. Those work in this project will contribute to providing scientific guidance for the design and development of high-performance electrospray propulsion systems.
现阶段电喷射推进技术发展的重点是进一步降低启动电压,提高推动力精度、比冲和推进效率,而这些推进性能主要取决于喷孔结构尺寸及流体喷射模式。本项目以纳喷射物理过程为研究对象,采用理论模拟与实验相结合的手段,解析启动电压、电荷质量比、多孔喷射规律的影响机制。理论方面,将建立纳尺度启动电压理论模型和纳喷射分子动力学模型,明确电场、流场、壁面特性、流体特性、喷孔结构尺寸相互耦合对流体喷射的影响,提出液滴喷射或纯离子喷射的有效调控方法。实验方面,选用氮化硅薄膜材料作为纳米喷孔加工材料,使用聚焦离子束和透射电子显微镜高精度纳米加工与表征技术,实现稳定纳米孔的高精度、可重复制造。通过单孔电喷射实验,完善启动电压模型和纳喷射分子动力学模型,实现对真实工况中推进系统性能的准确预测。开展多孔阵列喷射实验,优化纳米孔分布和孔隙,降低静电屏蔽影响。这些工作的开展将为设计和开发高效能电喷射推进系统提供基础理论指导。

结项摘要

现阶段电喷射推进技术发展的重点是进一步降低启动电压,提高推动力精度、比冲和推进效率,而这些推进性能主要取决于喷孔结构尺寸及流体喷射模式。本项目以纳喷射物理过程为研究对象,采用理论模拟与实验相结合的手段,解析启动电压、喷射模式、多孔喷射规律的影响机制。理论方面,首先确定流体从纳米通道释放所需临界压力随管道孔径、亲疏水性、管道形貌变化的规律,建立流体释放压力的理论模型,并通过实验验证理论结果;其次提出了纳尺度启动电压理论模型和纳喷射分子动力学模型,明确电场、流场、壁面特性、流体特性、喷孔结构尺寸相互耦合对流体喷射的影响,提出液滴喷射或连续喷射的有效调控方法。实验方面,选用玻璃毛细管作为纳米喷孔加工材料,使用拉制仪加工制造玻璃基纳米孔,通过单孔电喷射实验,完善启动电压模型和纳喷射分子动力学模型,实现对真实工况中推进系统性能的准确预测。缩小喷孔孔径,大幅降低喷射启动电压,并通过调控离子浓度,实现液滴或连续喷射。通过有限元模拟优化阵列式喷孔间距,利用增材制造方法加工阵列式静电喷射推进器,开展多孔阵列喷射实验,优化纳米孔分布和孔隙,降低静电屏蔽影响。这些工作的开展将为设计和开发高效能电喷射推进系统提供基础理论指导。

项目成果

期刊论文数量(7)
专著数量(0)
科研奖励数量(1)
会议论文数量(0)
专利数量(4)
Power Generation from Salinity Gradient by Reverse Electrodialysis in Silicon Nitride Nanopores
氮化硅纳米孔中反向电渗析利用盐度梯度发电
  • DOI:
    10.1142/s1793292020501489
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Nano
  • 影响因子:
    1.2
  • 作者:
    Jian Ma;Qingyu Zeng;Lijian Zhan;Jingwen Mo;Yan Zhang;Zhonghua Ni
  • 通讯作者:
    Zhonghua Ni
Fluid release pressure for micro-/nanoscale rectangular channels
微/纳米矩形通道的流体释放压力
  • DOI:
    10.1063/1.5129411
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Journal of Applied Physics
  • 影响因子:
    3.2
  • 作者:
    Mo Jingwen;Ding Yaohuan;Xiang Nan;Zhu Shu;Zeng Jiaying;Bi Kedong;Ma Jian;Sha Jingjie;Chen Yunfei
  • 通讯作者:
    Chen Yunfei
Detection of DNA homopolymer with graphene nanopore
用石墨烯纳米孔检测 DNA 均聚物
  • DOI:
    10.1116/1.5116295
  • 发表时间:
    2019-11
  • 期刊:
    Journal of Vacuum Science & Technology B
  • 影响因子:
    1.4
  • 作者:
    Lei Zhou;Kun Li;Zhongwu Li;Pinyao He;Kabin Lin;Jingwen Mo;Jian Ma
  • 通讯作者:
    Jian Ma
Passive microscopic fluidic diodes using asymmetric channels
使用不对称通道的无源微观流体二极管
  • DOI:
    10.1063/1.5115216
  • 发表时间:
    2019-08-01
  • 期刊:
    AIP ADVANCES
  • 影响因子:
    1.6
  • 作者:
    Mo, Jingwen;Ding, Yaohuan;Chen, Yunfei
  • 通讯作者:
    Chen, Yunfei
An Nd3+-Sensitized Upconversion Fluorescent Sensor for Epirubicin Detection
用于表阿霉素检测的 Nd3 增敏上转换荧光传感器
  • DOI:
    10.3390/nano9121700
  • 发表时间:
    2019-12-01
  • 期刊:
    NANOMATERIALS
  • 影响因子:
    5.3
  • 作者:
    Mo, Jingwen;Shen, Long;Chen, Yunfei
  • 通讯作者:
    Chen, Yunfei

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其他文献

玻璃质微通道流动阻力特性的数值模拟
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2012
  • 期刊:
    中南大学学报(自然科学版)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    周萍;陈卓;徐则林;莫景文
  • 通讯作者:
    莫景文

其他文献

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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