來源：MIT News
電噴霧發動機透過對導電液體施加電場產生高速微小液滴射流來推動航天器前進。這些迷你發動機特別適合用於學術研究中常見的微型“立方體衛星（CubeSats）”。
由於電噴霧發動機比傳統的化學燃料火箭能夠更高效地利用推進劑，因此它們更適合精確的在軌機動。不過，電噴霧發射器產生的推力較小，所以其通常採用一組並聯且規格相當的發射器。
難點在於，這些多路電噴霧推進器此前大都是透過昂貴又耗時的半導體潔淨室製造的，較高的生產環境要求限制了其大規模製造以及這些裝置的應用範圍。
為了解決這些挑戰，麻省理工學院的工程師們開發出了一種“全 3D 列印”的電噴霧發動機。它透過市售 3D 列印材料和技術就能實現快速生產，製造成本僅為傳統推進器的一小部分，並且由於 3D 列印技術與太空製造技術相相容，這種裝置甚至完全可以在太空生產製造。
與此同時，研究人員還透過開發一種融合了兩種 3D 列印方法的模組化工藝，成功克服了製造複雜裝置（包含宏觀和微觀元件）時面臨的挑戰，確保所有元件能夠無縫協同工作。
他們開發的這款推進器原型由 32 個電噴霧發射器組成，這些發射器協同執行，進而產生穩定且均勻的推進劑流。更關鍵的是，其產生的推力不亞於傳統的液滴噴射電噴霧發動機。
藉助這項技術，宇航員可能很快就能在太空中直接快速打印製造出一個衛星發動機，而不必等待它從地球傳送上來。
目前，這項研究成果已經發表在 Advanced Science 上。這篇論文的通訊作者是麻省理工學院微系統技術實驗室首席研究科學家 Luis Fernando Velásquez-García；第一作者是麻省理工學院機械工程研究生 Hyeonseok Kim。
“傳統的半導體制造技術與低成本進入太空的理念似乎是相矛盾的，而我們希望實現太空硬體裝置製造的簡易化和普及化。在這項工作中，我們提出了一種利用更廣泛可用的製造技術來生產高效能硬體的新方法，讓更多人都能輕鬆便捷地操作使用。”Velásquez-García 表示。
電噴霧發動機內建推進劑儲液罐，推進劑經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，會觸發電流體動力學效應，使液體的自由表面形成錐形彎液麵，從其頂點噴射出高速帶電液滴流，從而產生推力。
發射器的頂端越尖銳，越有利於在低電壓下實現推進劑的電動流體噴射，因此，該裝置還需要一套複雜的液壓系統來儲存和調節液體流動，有效地將推進劑輸送透過微流體通道。
電噴霧發動機透過噴射出高速帶電液滴來產生推力
來源：MIT News
整體而言，發射器陣列由 8 個發射器模組組成，每個發射器模組包含由 4 個獨立發射器構成的單元，這些發射器協同工作並形成一個更大的互連模組系統。
“採用單一的製造方法是行不通的，因為這些元件大小不一，我們的主要思路是結合增材製造方法來實現預期效果，然後找到一種連線所有元件的方法，讓它們儘可能高效地協同運作。” Velásquez-García 表示。
為此，研究人員採用了兩種不同型別的還原光聚合列印（VPP）技術，其透過將光線照射到光敏樹脂上，使其固化形成具有光滑、高解析度特徵的 3D 結構。
研究人員還利用一種稱為雙光子列印的 VPP 方法制造發射器模組。這種方法使用高度聚焦的雷射束，在精確界定的區域內固化樹脂，並逐層構建 3D 結構。憑藉較高的精度，研究人員能夠製造出頂端非常尖銳的發射器，以及狹窄、均勻的用於輸送推進劑的毛細管。
發射器模組被安裝在一個方形外殼中，其作用是固定住每個模組併為發射器提供推進劑，同時還集成了發射器模組與提取電極，當施加適當的電壓時，電極會觸發推進劑從發射器頂端噴射。然而，由於雙光子列印技術的吞吐量低、列印量有限，用於製造更大的外殼也很困難。
於是，研究人員把目光轉向了數字光處理技術，他們利用晶片大小的投影儀將光線照射到樹脂中，逐層固化 3D 結構。“每種技術在特定尺度上都非常有效。將它們結合起來，共同生產一個裝置，使我們能夠取長補短，進而發揮出每種方法的最佳效果。” Velásquez-García 說道。
需要注意的是，製造出 3D 列印電噴霧發動機元件只是成功的一半。接下來，研究人員還開展了化學實驗以確保列印材料與導電液體推進劑相容，否則，推進劑可能會腐蝕發動機，甚至導致破裂。這對於需要長期執行且幾乎無需維護的硬體裝置來說至關重要。
同時，他們也開發了一種方法來固定各個部件，避免出現錯位影響效能，同時還要確保裝置具有較好的密封性。
最終，他們成功製造出 3D 列印裝置原型。透過試驗發現，它能夠比更大、更昂貴的化學燃料火箭更高效地產生推力，並且效能表現也優於傳統的液滴電噴霧發動機。
透過微流道將推進劑高效地輸送到一系列發射器中
來源：MIT News
在這項新研究中，他們探索了調整推進劑壓力和調節施加到發動機上的電壓會如何影響液滴。令人驚訝的是，透過調節電壓，他們實現了更加寬泛的推力可調範圍。
這意味著，無需複雜的管道、閥門或壓力訊號網路來調節液體流動，也能打造出更輕便、更經濟、更高效的電噴霧發動機。“我們證明了更簡單的推進器也可以取得更好的效果。” Velásquez-García 表示。
至於下一步的研究方向，他們希望繼續探索電壓調節的作用，同時他們還計劃製造密度更高、規模更大的發射器模組陣列。
他們還表示，後期可能會探索使用多個電極，將觸發推進劑的電動流體動力噴射過程與設定發射射流的形狀和速度相結合。從長遠來看，他們期望打造出一款新的 CubeSat，其在執行和離軌期間都使用這種全 3D 列印的電噴霧發動機。
這項研究部分由 MathWorks 獎學金和 NewSat 專案資助，部分研究在 MIT.nano 設施中完成。
https://news.mit.edu/2025/mit-engineers-develop-fully-3d-printed-electrospray-engine-0212
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本文轉載自“麻省理工科技評論APP”，原標題《MIT用3D列印衛星引擎，成本降至“白菜價”》。
為分享前沿資訊及有價值的觀點，太空與網路微信公眾號轉載此文，並經過編輯。
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