導(dǎo)讀：電噴霧推進(jìn)器是一種高效的微型推進(jìn)技術(shù)，利用電場(chǎng)產(chǎn)生高速微小液滴，推動(dòng)航天器進(jìn)行精確的軌道機(jī)動(dòng)。盡管具有顯著優(yōu)勢(shì)，但這種推進(jìn)器的制造過程依賴于昂貴且耗時(shí)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(shí)現(xiàn)更高效、成本更低的制造方法。
 

        2025年2月13日，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(jìn)器。這一突破性的進(jìn)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(duì)比傳統(tǒng)工藝，研究團(tuán)隊(duì)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(jìn)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(jìn)器甚至有可能在軌道上直接制造。
      原型推進(jìn)器由32個(gè)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(jìn)劑流。測(cè)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(jìn)器相當(dāng)，甚至更大。這項(xiàng)技術(shù)使得宇航員能夠在太空中快速打印衛(wèi)星推進(jìn)器，而無需等待從地球發(fā)射推進(jìn)器。
      MIT微系統(tǒng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(xiàng)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)。”
 

實(shí)現(xiàn)電噴霧推進(jìn)器的模塊化制造

電噴霧推進(jìn)器采用一個(gè)推進(jìn)劑儲(chǔ)存器，其中推進(jìn)劑通過微流體通道流向一系列發(fā)射器。在每個(gè)發(fā)射器尖端施加靜電場(chǎng)，引發(fā)電流體動(dòng)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(diǎn)噴出高速帶電液滴，產(chǎn)生推力。

為了在低電壓下實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑的電流體動(dòng)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(gè)復(fù)雜的液壓系統(tǒng)來儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)液體流量，以有效輸送推進(jìn)劑至微流體通道。

發(fā)射器陣列由八個(gè)發(fā)射器模塊組成，每個(gè)模塊包含四個(gè)獨(dú)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(gè)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?yàn)檫@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(shí)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。”
 

       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(gè)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(jìn)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(gè)模塊并為發(fā)射器提供推進(jìn)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(shí)，提取電極會(huì)觸發(fā)發(fā)射器尖端噴射推進(jìn)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?yàn)檫@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(shì)。
 

3D打印技術(shù)提升電噴霧推進(jìn)器效率
        然而，3D打印電噴霧推進(jìn)器部件的成功僅是整個(gè)成就的一半。研究人員還進(jìn)行了化學(xué)實(shí)驗(yàn)，以確保打印材料與導(dǎo)電液體推進(jìn)劑的兼容性。如果材料不兼容，推進(jìn)劑可能會(huì)腐蝕推進(jìn)器或?qū)е峦七M(jìn)器破裂，這對(duì)于需要長(zhǎng)期運(yùn)行且?guī)缀鯚o需維護(hù)的硬件而言，顯然是不利的。他們進(jìn)一步開發(fā)了一種組裝方法，通過夾緊部件來防止錯(cuò)位，這可能會(huì)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(jìn)器。
 

       研究人員還研究了推進(jìn)劑壓力的調(diào)節(jié)以及推進(jìn)器電壓對(duì)液滴流動(dòng)的影響。出人意料的是，通過調(diào)節(jié)電壓，他們實(shí)現(xiàn)了更寬范圍的推力調(diào)節(jié)。這種方法消除了對(duì)復(fù)雜管道、閥門或壓力信號(hào)網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)液體流動(dòng)的需求，從而制造出更輕、更便宜、更高效的電噴霧推進(jìn)器。Velásquez-García表示：“我們證明了更簡(jiǎn)單的推進(jìn)器可以實(shí)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(shì)。他們還計(jì)劃制造更密集、更大的發(fā)射器模塊陣列。此外，他們可能會(huì)探索使用多個(gè)電極，以將推進(jìn)劑電流體動(dòng)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(zhǎng)遠(yuǎn)來看，他們還計(jì)劃展示一顆立方體衛(wèi)星，它在運(yùn)行和脫軌過程中使用完全3D打印的電噴霧推進(jìn)器。
     這項(xiàng)研究的部分資金來自MathWorks獎(jiǎng)學(xué)金和NewSat項(xiàng)目，以及使用了麻省理工學(xué)院Nano設(shè)施的資源和設(shè)備。

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