MIT工程師開發(fā)首個全3D打印靜電噴射引擎

2025年2月25日，南極熊獲悉，美國麻省理工學(xué)院（MIT）工程師團(tuán)隊(duì)日前宣布成功研發(fā)出世界首個完全采用3D打印技術(shù)制造的靜電噴射引擎。這一突破性成果得到了MathWorks獎學(xué)金和NewSat項(xiàng)目的支持，部分研究在MIT.nano設(shè)施中完成。該引擎通過電場產(chǎn)生高速微液滴提供推進(jìn)力，特別適用于CubeSat等小型衛(wèi)星。這款引擎可以更快速、低成本地生產(chǎn)，相比傳統(tǒng)制造方法具有明顯優(yōu)勢。此外，這項(xiàng)技術(shù)支持在軌制造，提高了太空任務(wù)的靈活性和操作能力，允許在任務(wù)期間進(jìn)行實(shí)時調(diào)整。



模塊化設(shè)計(jì)的3D打印靜電噴射引擎

MIT團(tuán)隊(duì)采用模塊化方法，整合了兩種3D打印技術(shù)來制造宏觀和微觀尺度的組件。這款概念驗(yàn)證引擎包含32個靜電噴射器，協(xié)同工作產(chǎn)生均勻的推進(jìn)劑流。3D打印設(shè)備展示出與現(xiàn)有靜電噴射引擎相當(dāng)或更優(yōu)的性能。使用這項(xiàng)技術(shù)，宇航員可以快速打印衛(wèi)星引擎，無需等待地球發(fā)送信號。

MIT首席研究科學(xué)家Luis Fernando Velásquez-García表示："使用半導(dǎo)體制造技術(shù)與低成本進(jìn)入太空的理念不相符。我們的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)太空硬件的民主化。在這項(xiàng)工作中，我們提出了一種使用更多參與者可獲得的制造技術(shù)來生產(chǎn)高性能硬件的方法。"

靜電噴射引擎通過微流體通道將推進(jìn)劑輸送至發(fā)射器陣列。發(fā)射器尖端的靜電場產(chǎn)生電流體動力學(xué)效應(yīng)，將液體塑造成錐形液面，噴射帶電高速液滴產(chǎn)生推力。發(fā)射器尖端專為低電壓電流體動力學(xué)噴射設(shè)計(jì)，需要精確的銳度。為調(diào)節(jié)液體流動，該裝置包含一個將推進(jìn)劑輸送通過通道的液壓系統(tǒng)。發(fā)射器陣列由八個模塊組成，每個模塊有四個發(fā)射器作為互聯(lián)系統(tǒng)協(xié)同工作。

Velásquez-García表示："采用一刀切的制造方法行不通，因?yàn)檫@些子系統(tǒng)處于不同的尺度。我們的關(guān)鍵見解是混合使用增材制造方法來實(shí)現(xiàn)預(yù)期結(jié)果，然后想辦法使所有部件接口化，使零件盡可能高效地協(xié)同工作。"

3D打印靜電噴射引擎的制造過程

制造過程結(jié)合了兩種光聚合（VPP）打印技術(shù)：雙光子聚合和數(shù)字光處理（DLP）。這種混合方法讓研究人員能夠利用雙光子打印的精確性制作精細(xì)細(xì)節(jié)，同時利用DLP的速度和可擴(kuò)展性制作結(jié)構(gòu)的較大部件。

雙光子聚合使用兩個光子在高度聚焦點(diǎn)引發(fā)聚合，能夠創(chuàng)建復(fù)雜的納米級特征。這種方法在制造尖銳發(fā)射器尖端和均勻、窄小的高分辨率毛細(xì)管等精細(xì)結(jié)構(gòu)方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。這些發(fā)射器被放置在一個稱為歧管塊的矩形外殼中，該外殼固定每個模塊并向發(fā)射器輸送推進(jìn)劑。

MIT研究人員發(fā)現(xiàn)，用之前的方法制造較大的歧管塊因其低產(chǎn)量和有限的建造體積而不切實(shí)際。為解決這個問題，團(tuán)隊(duì)使用了DLP技術(shù)，該技術(shù)可投影整層樹脂并用UV光固化。與逐層方法不同，DLP一次固化整層，加快了生產(chǎn)速度，提高了大型組件的制造效率。

靜電噴射引擎性能改進(jìn)

除了優(yōu)化制造過程，研究人員還進(jìn)行了化學(xué)測試，確保打印材料與導(dǎo)電推進(jìn)劑相容，防止可能的腐蝕或降解。他們還開發(fā)了組件對準(zhǔn)和密封技術(shù)，確保設(shè)備有效運(yùn)行。最終，原型機(jī)相比傳統(tǒng)化學(xué)火箭和現(xiàn)有靜電噴射引擎展現(xiàn)出更好的推力效率。團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，調(diào)節(jié)施加電壓可以獲得更廣泛的推力范圍，表明復(fù)雜的流體調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以簡化或消除，從而實(shí)現(xiàn)更高效和更具成本效益的設(shè)計(jì)。



未來發(fā)展

研究人員計(jì)劃進(jìn)一步探索電壓調(diào)制的優(yōu)勢。此外，他們還計(jì)劃制造更密集和更大的發(fā)射器模塊，同時研究新的電極配置以進(jìn)一步增強(qiáng)靜電噴射過程。未來的工作可能還包括展示使用全3D打印靜電噴射引擎進(jìn)行運(yùn)行和離軌的CubeSat。

航天器應(yīng)用中3D打印技術(shù)的進(jìn)展

近年來，3D打印技術(shù)在航天器組件制造中獲得了顯著發(fā)展。
● 2024年初，Conflux Technology與德國火箭制造商Rocket Factory Augsburg合作，將3D打印熱交換器技術(shù)整合到軌道火箭中，標(biāo)志著增材制造在太空任務(wù)中應(yīng)用的重要進(jìn)步。
● 美國金屬3D打印機(jī)開發(fā)商Rosotics宣布，其Halo系統(tǒng)（一種大型金屬3D打印機(jī)）將內(nèi)部整合，用于支持公司軌道轉(zhuǎn)移飛行器的生產(chǎn)。Rosotics計(jì)劃部署多個自主航天器，設(shè)計(jì)在進(jìn)入地球和月球之間穩(wěn)定引力位置的L5拉格朗日點(diǎn)軌道之前，在月球周圍進(jìn)行機(jī)動。

● 意大利3D打印服務(wù)機(jī)構(gòu)BEAMIT SpA正在為天鵝座計(jì)劃提供使用NASA認(rèn)證AlSi7Mg鋁合金3D打印的航空航天部件。該計(jì)劃專注于為國際空間站（ISS）補(bǔ)給和推進(jìn)太空探索，使用Northrop Grumman制造的天鵝座航天器。