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3D打印电喷雾发动机:开启太空探索新纪元

2025-02-13

这种轻便的装置是推动微型卫星的理想选择,它可以在航天器上生产,而且比传统的推进器成本低得多。

电喷雾发动机对导电液体施加电场,产生高速喷射的微小液滴,可以推动航天器。这些微型发动机对于经常用于学术研究的立方体卫星来说是理想的。

由于电喷雾发动机比发射台上使用的强大化学火箭更有效地利用推进剂,因此它们更适合精确的在轨机动。电喷雾发射器产生的推力很小,因此电喷雾发动机通常使用一组均匀并联运行的发射器。

然而,这些多路电喷雾推进器通常是通过昂贵且耗时的半导体无尘室制造来制造的,这限制了谁可以制造它们以及设备的应用方式。

为了帮助打破太空研究的障碍,麻省理工学院的工程师们展示了第一个完全3D打印的、喷射液滴的电喷雾发动机。他们的设备可以快速生产,成本只是传统推进器的一小部分,使用商业上可获得的3D打印材料和技术。这些设备甚至可以完全在轨道上制造,因为3D打印与太空制造兼容。

通过开发一种结合两种3D打印方法的模块化工艺,研究人员克服了制造由宏观和微观组件组成的复杂设备所面临的挑战,这些组件必须无缝地协同工作。

他们的概念验证型推进器包括32个电喷雾发射器,它们一起工作,产生稳定均匀的推进剂流。3D打印装置产生的推力与现有的液滴喷射式电喷雾发动机一样多,甚至更多。有了这项技术,宇航员可以快速打印出卫星的发动机,而无需等待从地球上发射升空。

麻省理工学院微系统技术实验室(MTL)的首席研究科学家、《高级科学》杂志上发表的一篇描述推进器的论文的资深作者Luis Fernando Velásquez García说:“使用半导体制造与低成本进入太空的想法不符。我们希望使太空硬件民主化。在这项工作中,我们提出了一种用制造技术制造高性能硬件的方法,这些技术可供更多参与者使用。”

与他一起撰写论文的还有麻省理工学院机械工程研究生金铉硕(Hyeonseok Kim)。

模块化方法

一种电喷雾发动机具有推进剂储存库,该储存库通过微流体通道流向一系列发射器。在每个发射器的尖端施加静电场,触发电流体动力学效应,使液体的自由表面形成锥形半月板,从其顶端喷出高速带电液滴流,产生推力。

为了在低电压下实现推进剂的电流体动力喷射,发射器尖端需要尽可能的锋利。该装置还需要一个复杂的液压系统来储存和调节液体的流动,有效地穿梭推进剂通过微流体通道。

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