麻省理工開發出全3D打印離子動力納米衛星推進器
時間：2021-01-26 09:19 來源：中國3D打印網 作者：中國3D打印網 閱讀：次
中國3D打印網1月26日訊，麻省理工學院（MIT）的研究人員設計并測試了一種新穎的3D打印離子發射衛星推進系統。微型推進器被認為是同類產品中第一個完全印刷的設備，它沿著外殼發射來自發射錐的帶電離子粒子，以使其具有幾微牛頓的推進力。在無摩擦的空間環境中，這種力量可能足以使其成為傳統CubeSat發動機的低成本高效替代品。
該項目的首席研究員Luis FernandoVelásquez-García說：“如果您想認真地開發用于太空的高性能硬件，那么您確實需要研究優化形狀，材料以及構成這些系統的所有事物。 3D打印可以幫助解決所有這些問題。您投入空間的硬件，您想要得到很多很多年的使用權，因此這是有效地做到這一點的良好策略。”
研究人員的3D打印推力器（如圖）具有錐形離子發射器，可為它們提供推進的途徑。圖片來自麻省理工學院。
離子推進的好處
將有效載荷發射到太空需要使用巨大的化學動力火箭，一旦它們真正進入軌道，操縱它們所需的推力就相對較小。因此，可發射高速粒子流以提供推力的電噴霧推進器是用于“乘騎共享”衛星任務的誘人選擇。電噴霧引擎在此類應用中特別有效，因為它們只需改變極性即可發射帶正電或帶負電的粒子。而且，它們的布局非常適合于小型化，并且不需要中和器，從而使其比傳統設計更可靠，更節能。
但是，盡管近年來已經建造了許多液體動力系統，但它們通常是通過昂貴，費時的減法來創建的。科學家聲稱，通過3D打印，現在可以“民主化”技術，縮短設計過程并生產中小型批次。弗羅茨瓦夫大學教授Tomasz Grzebyk表示：“由于3D打印技術取得了長足進步，因此使用這種方法制造的設備的參數變得與通過更加復雜，昂貴且受限制的技術所獲得的參數相似。所有這些優勢也可以在麻省理工學院開發的離子推進器中看到。”
發射器能夠連續發射，僅留下少量殘留物（如圖所示）。通過增材制造雜志拍攝。
附加的MIT“ MEMS”設計
在他們的研究中，麻省理工學院的研究小組建立了兩種微機電系統（MEMS）設計：一種采用基于粘結劑噴射SS 316L的發射極陣列，另一種采用丙烯酸聚合物制成。這些設備本身都具有流體連接器，儲液器和外殼，外殼包括嵌入式錐形外部發射器陣列。
在生產過程中，研究小組發現，即使兩個發射器具有相同的基本設計，聚合物系統仍需要使用支撐材料。這導致產品的最終尺寸略有不同，并且金屬裝置的尖端更短且更鋒利，最終使其發出的推力級別高于塑料裝置。
該項目的首席研究員Luis FernandoVelásquez-García說：“如果您想認真地開發用于太空的高性能硬件，那么您確實需要研究優化形狀，材料以及構成這些系統的所有事物。 3D打印可以幫助解決所有這些問題。您投入空間的硬件，您想要得到很多很多年的使用權，因此這是有效地做到這一點的良好策略。”
研究人員的3D打印推力器（如圖）具有錐形離子發射器，可為它們提供推進的途徑。圖片來自麻省理工學院。
離子推進的好處
將有效載荷發射到太空需要使用巨大的化學動力火箭，一旦它們真正進入軌道，操縱它們所需的推力就相對較小。因此，可發射高速粒子流以提供推力的電噴霧推進器是用于“乘騎共享”衛星任務的誘人選擇。電噴霧引擎在此類應用中特別有效，因為它們只需改變極性即可發射帶正電或帶負電的粒子。而且，它們的布局非常適合于小型化，并且不需要中和器，從而使其比傳統設計更可靠，更節能。
但是，盡管近年來已經建造了許多液體動力系統，但它們通常是通過昂貴，費時的減法來創建的。科學家聲稱，通過3D打印，現在可以“民主化”技術，縮短設計過程并生產中小型批次。弗羅茨瓦夫大學教授Tomasz Grzebyk表示：“由于3D打印技術取得了長足進步，因此使用這種方法制造的設備的參數變得與通過更加復雜，昂貴且受限制的技術所獲得的參數相似。所有這些優勢也可以在麻省理工學院開發的離子推進器中看到。”
發射器能夠連續發射，僅留下少量殘留物（如圖所示）。通過增材制造雜志拍攝。
附加的MIT“ MEMS”設計
在他們的研究中，麻省理工學院的研究小組建立了兩種微機電系統（MEMS）設計：一種采用基于粘結劑噴射SS 316L的發射極陣列，另一種采用丙烯酸聚合物制成。這些設備本身都具有流體連接器，儲液器和外殼，外殼包括嵌入式錐形外部發射器陣列。
在生產過程中，研究小組發現，即使兩個發射器具有相同的基本設計，聚合物系統仍需要使用支撐材料。這導致產品的最終尺寸略有不同，并且金屬裝置的尖端更短且更鋒利，最終使其發出的推力級別高于塑料裝置。
經過數小時的測試，這兩個系統都被證明能夠在不降低任何性能的情況下運行，僅產生了一層薄薄的“外殼”，可以輕松去除。而且，這兩種發動機的每個發射器產生的最大推力分別為191.3 nN和139.9 nN，從而使它們的“比沖量”比許多先進設備更高。
盡管事實證明金屬MEMS比聚合物版本更強大，但研究小組得出的結論是，后者可以在將來提供更多使用該技術的途徑。鑒于塑料電極的成本優勢，科學家們希望最終，它可以為一系列新的大學主導的設計和軌道太空飛行任務提供基礎。
微衛星的興起
3D打印不僅用于制造發射系統，還用于制造衛星本身，并且許多公司已經開發出比以前更緊湊，更高效的設備。例如，微型衛星制造商Mini-Cubes已與美國服務局CRP合作，以3D打印技術準備就緒的PocketQubes。這些附加設備已經通過了NASA GEVS-7000規范的振動測試，計劃在2021年第二季度推出。
印度3D打印機制造商3Ding還與印度斯坦科技學院的學生合作，對Jai Hind 1-S衛星進行3D打印。作為全球“太空立方體”競賽的一部分而創建的CubeSat僅重33.3克，使其成為世界上最輕的行星之一。
在其他地方，航空航天制造商Thales Alenia Space已將3D打印集成到其Spacebus NEO衛星的制造過程中。增材制造的零件已成功添加到2019年推出的商用Eutelsat Communications設備中。
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