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

        2025年2月13日，麻省理工學院（MIT）的研究人員成功展示了全球首款完全通過3D打印技術制造的液滴發射電噴霧推進器。這一突破性的進展有望降低太空探索成本，并克服傳統制造方法的限制，為太空技術的發展開辟新的道路。對比傳統工藝，研究團隊開發的模塊化工藝不僅提高了生產速度，而且顯著降低了制造成本（僅為傳統推進器的一小部分）。此外，由于3D打印技術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個電噴霧發射器組成，它們協同工作，能夠產生穩定且均勻的推進劑流。測試表明，這些3D打印設備產生的推力與現有液滴發射電噴霧推進器相當，甚至更大。這項技術使得宇航員能夠在太空中快速打印衛星推進器，而無需等待從地球發射推進器。
      MIT微系統技術實驗室（MTL）的首席研究科學家Luis Fernando Velásquez-García博士指出：“傳統的半導體制造方法并不符合低成本進入太空的理念。我們的目標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。”
 

實現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射器。在每個發射器尖端施加靜電場，引發電流體動力學效應，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，產生推力。

為了在低電壓下實現推進劑的電流體動力噴射，發射器尖端必須盡可能鋒利。此外，該裝置還需要一個復雜的液壓系統來儲存和調節液體流量，以有效輸送推進劑至微流體通道。

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

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

       為了達到這一目標，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結構。研究人員利用名為雙光子打印的VPP方法來制造發射器模塊。該技術使用高度聚焦的激光束，在精確定義的區域固化樹脂，一次構建一個微小的磚塊或體素的3D結構。這種細節水平使得他們能夠生產出極其鋒利的發射器尖端和狹窄、均勻的毛細管，以攜帶推進劑。
      發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射器提供推進劑。此外，歧管塊將發射器模塊與提取電極集成在一起，當施加適當的電壓時，提取電極會觸發發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字光處理的技術，該技術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結構。Velásquez-García表示：“每種技術在一定規模下都表現出色。將它們結合起來，共同生產出一種設備，使我們能夠充分利用每種方法的優勢。
 

3D打印技術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實驗，以確保打印材料與導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導致推進器破裂，這對于需要長期運行且幾乎無需維護的硬件而言，顯然是不利的。他們進一步開發了一種組裝方法，通過夾緊部件來防止錯位，這可能會影響性能，并確保設備保持防水性。最終，他們的3D打印原型在產生推力方面比更大、更昂貴的化學火箭更有效，并且性能超越了現有的液滴電噴霧推進器。
 

       研究人員還研究了推進劑壓力的調節以及推進器電壓對液滴流動的影響。出人意料的是，通過調節電壓，他們實現了更寬范圍的推力調節。這種方法消除了對復雜管道、閥門或壓力信號網絡調節液體流動的需求，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更好的效果。”
      研究人員希望在未來的工作中繼續探索電壓調節的潛在優勢。他們還計劃制造更密集、更大的發射器模塊陣列。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過程與噴射流的形狀和速度控制分離開來。從長遠來看，他們還計劃展示一顆立方體衛星，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獎學金和NewSat項目，以及使用了麻省理工學院Nano設施的資源和設備。

(責任編輯：admin)

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