MIT工程師研發全3D列印電噴射引擎，助力微小衛星動力革新
電噴射引擎透過對導電液體施加電場，產生高速微小液滴射流，從而推動太空船前進。這種微型引擎對於常應用於學術研究的立方衛星（CubeSats）而言，可謂是理想之選。
由於電噴射引擎比發射台上使用的強力化學火箭更能有效利用推進劑，因此它們更適合進行精確的軌道操作。然而，電噴射發射器產生的推力極小，所以電噴射引擎通常會使用一組並聯均勻運作的發射器。
但這些多通道電噴射推進器通常是透過昂貴且耗時的半導體無塵室製造而成，這限制了能夠製造它們的對象以及這些裝置的應用範圍。
為了打破太空研究的障礙，麻省理工學院（MIT）的工程師們展示了首款全3D列印的液滴發射電噴射引擎。該裝置能夠快速製造，且成本僅為傳統推進器的一小部分，它使用了市面上可取得的3D列印材料和技術。由於3D列印與太空製造兼容，這些裝置甚至可以在軌道上完全製造。
研究人員透過開發一種結合兩種3D列印方法的模組化流程，克服了製造一個由宏觀和微觀組件組成、且必須完美配合的複雜裝置所涉及的挑戰。
他們的概念驗證推進器包含32個共同運作的電噴射發射器，能夠產生穩定且均勻的推進劑流。這款3D列印裝置產生的推力與現有的液滴發射電噴射引擎相當甚至更高。有了這項技術，太空人也許可以迅速為衛星列印一個引擎，而無需等待從地球發送過來。
論文的資深作者路易斯·費爾南多·貝拉斯克斯 - 加西亞（Luis Fernando Velásquez - García）表示：「使用半導體製造技術與低成本進入太空的理念不符。我們希望實現太空硬體的大眾化。在這項研究中，我們提出了一種利用更多人都能使用的製造技術來製造高性能硬體的方法。」該論文發表於《先進科學》（Advanced Science）期刊。貝拉斯克斯 - 加西亞是麻省理工學院微系統技術實驗室（MTL）的首席研究科學家，論文的第一作者是麻省理工學院機械工程系的研究生金相碩（Hyeonseok Kim）。
電噴射引擎有一個推進劑儲存器，推進劑通過微流體通道流向一系列發射器。在每個發射器的尖端施加靜電場，引發電流體動力學效應，使液體的自由表面形成一個錐形彎月面，從其頂點噴射出高速帶電液滴流，從而產生推力。
發射器尖端需要盡可能尖銳，才能在低電壓下實現推進劑的電流體動力學噴射。該裝置還需要一個複雜的液壓系統來儲存和調節液體的流動，有效地將推進劑通過微流體通道輸送。
發射器陣列由八個發射器模組組成。每個發射器模組包含一個由四個單獨發射器組成的陣列，這些發射器必須協同工作，形成一個更大的互連模組系統。
貝拉斯克斯 - 加西亞指出：「採用一刀切的製造方法行不通，因為這些子系統的規模不同。我們的關鍵洞見是將增材製造方法相結合，以達到預期的效果，然後想出一種方法將所有部件連接起來，使各部分盡可能高效地協同工作。」
為了實現這一目標，研究人員利用了兩種不同類型的槽式光聚合列印（VPP）技術。VPP技術是將光照射到光敏樹脂上，使其固化形成具有光滑、高解析度特徵的3D結構。
研究人員使用一種稱為雙光子列印的VPP方法製造發射器模組。這種技術利用高度聚焦的雷射光束在精確定義的區域固化樹脂，一次構建一個微小的立方體（體素），從而形成3D結構。這種細節程度使他們能夠製造出極其尖銳的發射器尖端和狹窄、均勻的毛細管，以輸送推進劑。
發射器模組被安裝在一個稱為歧管塊的矩形外殼中，該外殼將每個模組固定到位，並為發射器提供推進劑。歧管塊還將發射器模組與提取電極集成在一起，當施加適當的電壓時，提取電極會引發發射器尖端的推進劑噴射。由於雙光子列印的產量低且列印體積有限，使用該方法製造較大的歧管塊是不可行的。
因此，研究人員使用了一種稱為數位光處理的技術，該技術利用一個芯片大小的投影機將光照射到樹脂中，一次固化3D結構的一層。貝拉斯克斯 - 加西亞表示：「每種技術在特定規模下都能很好地工作。將它們結合起來，使它們共同製造一個裝置，讓我們能夠充分發揮每種方法的優勢。」
然而，3D列印電噴射引擎部件只是成功的一半。研究人員還進行了化學實驗，以確保列印材料與導電液體推進劑兼容。否則，推進劑可能會腐蝕引擎或導致其破裂，這對於需要長期運行且維護極少的硬體來說是不可取的。
他們還開發了一種方法，將各個部件夾緊在一起，避免可能影響性能的對準誤差，並確保裝置保持防水。最終，他們的3D列印原型能夠比更大、更昂貴的化學火箭更有效地產生推力，並且性能超過了現有的液滴電噴射引擎。
研究人員還研究了調節推進劑壓力和調製施加到引擎的電壓如何影響液滴的流動。令人驚訝的是，他們通過調製電壓實現了更寬範圍的推力。這可能消除了使用複雜的管道、閥門或壓力信號網絡來調節液體流動的需求，從而製造出更輕、更便宜且更高效的電噴射推進器。
貝拉斯克斯 - 加西亞表示：「我們證明了一個更簡單的推進器可以取得更好的效果。」研究人員希望在未來的工作中繼續探索電壓調製的好處。他們還希望製造更密集、更大的發射器模組陣列。此外，他們可能會探索使用多個電極，將引發推進劑電流體動力學噴射的過程與設置噴射射流的形狀和速度的過程分離。從長遠來看，他們還希望展示一個在運行和脫軌過程中使用全3D列印電噴射引擎的立方衛星。
