麻省理工學(xué)院研究人員開發(fā)出完全3D打印的電噴霧推進器

南極熊導(dǎo)讀：電噴霧推進器是一種高效的微型推進技術(shù)，利用電場產(chǎn)生高速微小液滴，推動航天器進行精確的軌道機動。盡管具有顯著優(yōu)勢，但這種推進器的制造過程依賴于昂貴且耗時的半導(dǎo)體潔凈室技術(shù)，限制了它的廣泛應(yīng)用。隨著3D打印技術(shù)的興起，這一領(lǐng)域有望實現(xiàn)更高效、成本更低的制造方法。

2025年2月13日，南極熊獲悉，麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員成功展示了全球首款完全通過3D打印技術(shù)制造的液滴發(fā)射電噴霧推進器。這一突破性的進展有望降低太空探索成本，并克服傳統(tǒng)制造方法的限制，為太空技術(shù)的發(fā)展開辟新的道路。

對比傳統(tǒng)工藝，研究團隊開發(fā)的模塊化工藝不僅提高了生產(chǎn)速度，而且顯著降低了制造成本（僅為傳統(tǒng)推進器的一小部分）。此外，由于3D打印技術(shù)與太空制造高度兼容，這些推進器甚至有可能在軌道上直接制造。

原型推進器由32個電噴霧發(fā)射器組成，它們協(xié)同工作，能夠產(chǎn)生穩(wěn)定且均勻的推進劑流。測試表明，這些3D打印設(shè)備產(chǎn)生的推力與現(xiàn)有液滴發(fā)射電噴霧推進器相當(dāng)，甚至更大。這項技術(shù)使得宇航員能夠在太空中快速打印衛(wèi)星推進器，而無需等待從地球發(fā)射推進器。

MIT微系統(tǒng)技術(shù)實驗室（MTL）的首席研究科學(xué)家Luis Fernando Velásquez-García博士指出：“傳統(tǒng)的半導(dǎo)體制造方法并不符合低成本進入太空的理念。我們的目標(biāo)是使太空硬件民主化，通過這項研究，我們提出了一種制造高性能硬件的方法，使得更多參與者能夠使用這種制造技術(shù)�！�

△這項研究發(fā)表在《先進科學(xué)》雜志上，題目為“高脈沖、模塊化、3D打印立方體衛(wèi)星電噴霧推進器，可通過壓力和電壓控制進行節(jié)流”（傳送門）

實現(xiàn)電噴霧推進器的模塊化制造

電噴霧推進器采用一個推進劑儲存器，其中推進劑通過微流體通道流向一系列發(fā)射器。在每個發(fā)射器尖端施加靜電場，引發(fā)電流體動力學(xué)效應(yīng)，將液體自由表面塑造成錐形彎月面，從而從頂點噴出高速帶電液滴，產(chǎn)生推力。

為了在低電壓下實現(xiàn)推進劑的電流體動力噴射，發(fā)射器尖端必須盡可能鋒利。此外，該裝置還需要一個復(fù)雜的液壓系統(tǒng)來儲存和調(diào)節(jié)液體流量，以有效輸送推進劑至微流體通道。

發(fā)射器陣列由八個發(fā)射器模塊組成，每個模塊包含四個獨立的發(fā)射器陣列。這些發(fā)射器必須協(xié)同工作，形成一個更大、互連的模塊系統(tǒng)。

Velásquez-García指出：“使用傳統(tǒng)制造工藝并不適用，因為這些子系統(tǒng)的規(guī)模不同。我們的主要見解是通過混合增材制造方法來實現(xiàn)預(yù)期結(jié)果，并想出一種方法來連接所有部分，使它們盡可能高效地協(xié)同工作。”

△電噴霧推進器設(shè)計由三個主要部件組成：歧管塊、發(fā)射器模塊和提取電極

為了達(dá)到這一目標(biāo)，研究人員采用了兩種不同類型的光聚合印刷（VPP）。VPP涉及使用光照射感光樹脂，樹脂固化后形成具有平滑、高分辨率特征的3D結(jié)構(gòu)。

研究人員利用名為雙光子打印的VPP方法來制造發(fā)射器模塊。該技術(shù)使用高度聚焦的激光束，在精確定義的區(qū)域固化樹脂，一次構(gòu)建一個微小的磚塊或體素的3D結(jié)構(gòu)。這種細(xì)節(jié)水平使得他們能夠生產(chǎn)出極其鋒利的發(fā)射器尖端和狹窄、均勻的毛細(xì)管，以攜帶推進劑。

發(fā)射器模塊被安裝在稱為歧管塊的矩形外殼中，歧管塊固定每個模塊并為發(fā)射器提供推進劑。此外，歧管塊將發(fā)射器模塊與提取電極集成在一起，當(dāng)施加適當(dāng)?shù)碾妷簳r，提取電極會觸發(fā)發(fā)射器尖端噴射推進劑。然而，使用雙光子打印來制造更大的歧管塊是不可行的，因為這種方法的吞吐量低且打印量有限。

相反，研究人員采用了一種名為數(shù)字光處理的技術(shù)，該技術(shù)利用芯片大小的投影儀將光照射到樹脂上，一次固化一層3D結(jié)構(gòu)。

Velásquez-García表示：“每種技術(shù)在一定規(guī)模下都表現(xiàn)出色。將它們結(jié)合起來，共同生產(chǎn)出一種設(shè)備，使我們能夠充分利用每種方法的優(yōu)勢。

△3D打印電噴霧推進器的示意圖

3D打印技術(shù)提升電噴霧推進器效率

然而，3D打印電噴霧推進器部件的成功僅是整個成就的一半。研究人員還進行了化學(xué)實驗，以確保打印材料與導(dǎo)電液體推進劑的兼容性。如果材料不兼容，推進劑可能會腐蝕推進器或?qū)е峦七M器破裂，這對于需要長期運行且?guī)缀鯚o需維護的硬件而言，顯然是不利的。

他們進一步開發(fā)了一種組裝方法，通過夾緊部件來防止錯位，這可能會影響性能，并確保設(shè)備保持防水性。

最終，他們的3D打印原型在產(chǎn)生推力方面比更大、更昂貴的化學(xué)火箭更有效，并且性能超越了現(xiàn)有的液滴電噴霧推進器。

△使用三極管配置在真空中對3D打印設(shè)備進行特性分析

研究人員還研究了推進劑壓力的調(diào)節(jié)以及推進器電壓對液滴流動的影響。出人意料的是，通過調(diào)節(jié)電壓，他們實現(xiàn)了更寬范圍的推力調(diào)節(jié)。這種方法消除了對復(fù)雜管道、閥門或壓力信號網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)液體流動的需求，從而制造出更輕、更便宜、更高效的電噴霧推進器。

Velásquez-García表示：“我們證明了更簡單的推進器可以實現(xiàn)更好的效果�！�

研究人員希望在未來的工作中繼續(xù)探索電壓調(diào)節(jié)的潛在優(yōu)勢。他們還計劃制造更密集、更大的發(fā)射器模塊陣列。此外，他們可能會探索使用多個電極，以將推進劑電流體動力噴射的觸發(fā)過程與噴射流的形狀和速度控制分離開來。從長遠(yuǎn)來看，他們還計劃展示一顆立方體衛(wèi)星，它在運行和脫軌過程中使用完全3D打印的電噴霧推進器。

這項研究的部分資金來自MathWorks獎學(xué)金和NewSat項目，以及使用了麻省理工學(xué)院Nano設(shè)施的資源和設(shè)備。