MIT工程师开发首个全3D打印静电喷射引擎

2025年2月25日，南极熊获悉，美国麻省理工学院（MIT）工程师团队日前宣布成功研发出世界首个完全采用3D打印技术制造的静电喷射引擎。这一突破性成果得到了MathWorks奖学金和NewSat项目的支持，部分研究在MIT.nano设施中完成。该引擎通过电场产生高速微液滴提供推进力，特别适用于CubeSat等小型卫星。这款引擎可以更快速、低成本地生产，相比传统制造方法具有明显优势。此外，这项技术支持在轨制造，提高了太空任务的灵活性和操作能力，允许在任务期间进行实时调整。



模块化设计的3D打印静电喷射引擎

MIT团队采用模块化方法，整合了两种3D打印技术来制造宏观和微观尺度的组件。这款概念验证引擎包含32个静电喷射器，协同工作产生均匀的推进剂流。3D打印设备展示出与现有静电喷射引擎相当或更优的性能。使用这项技术，宇航员可以快速打印卫星引擎，无需等待地球发送信号。

MIT首席研究科学家Luis Fernando Velásquez-García表示："使用半导体制造技术与低成本进入太空的理念不相符。我们的目标是实现太空硬件的民主化。在这项工作中，我们提出了一种使用更多参与者可获得的制造技术来生产高性能硬件的方法。"

静电喷射引擎通过微流体通道将推进剂输送至发射器阵列。发射器尖端的静电场产生电流体动力学效应，将液体塑造成锥形液面，喷射带电高速液滴产生推力。发射器尖端专为低电压电流体动力学喷射设计，需要精确的锐度。为调节液体流动，该装置包含一个将推进剂输送通过通道的液压系统。发射器阵列由八个模块组成，每个模块有四个发射器作为互联系统协同工作。

Velásquez-García表示："采用一刀切的制造方法行不通，因为这些子系统处于不同的尺度。我们的关键见解是混合使用增材制造方法来实现预期结果，然后想办法使所有部件接口化，使零件尽可能高效地协同工作。"

3D打印静电喷射引擎的制造过程

制造过程结合了两种光聚合（VPP）打印技术：双光子聚合和数字光处理（DLP）。这种混合方法让研究人员能够利用双光子打印的精确性制作精细细节，同时利用DLP的速度和可扩展性制作结构的较大部件。

双光子聚合使用两个光子在高度聚焦点引发聚合，能够创建复杂的纳米级特征。这种方法在制造尖锐发射器尖端和均匀、窄小的高分辨率毛细管等精细结构方面发挥了关键作用。这些发射器被放置在一个称为歧管块的矩形外壳中，该外壳固定每个模块并向发射器输送推进剂。

MIT研究人员发现，用之前的方法制造较大的歧管块因其低产量和有限的建造体积而不切实际。为解决这个问题，团队使用了DLP技术，该技术可投影整层树脂并用UV光固化。与逐层方法不同，DLP一次固化整层，加快了生产速度，提高了大型组件的制造效率。

静电喷射引擎性能改进

除了优化制造过程，研究人员还进行了化学测试，确保打印材料与导电推进剂相容，防止可能的腐蚀或降解。他们还开发了组件对准和密封技术，确保设备有效运行。最终，原型机相比传统化学火箭和现有静电喷射引擎展现出更好的推力效率。团队还发现，调节施加电压可以获得更广泛的推力范围，表明复杂的流体调节系统可以简化或消除，从而实现更高效和更具成本效益的设计。



未来发展

研究人员计划进一步探索电压调制的优势。此外，他们还计划制造更密集和更大的发射器模块，同时研究新的电极配置以进一步增强静电喷射过程。未来的工作可能还包括展示使用全3D打印静电喷射引擎进行运行和离轨的CubeSat。

航天器应用中3D打印技术的进展

近年来，3D打印技术在航天器组件制造中获得了显著发展。
● 2024年初，Conflux Technology与德国火箭制造商Rocket Factory Augsburg合作，将3D打印热交换器技术整合到轨道火箭中，标志着增材制造在太空任务中应用的重要进步。
● 美国金属3D打印机开发商Rosotics宣布，其Halo系统（一种大型金属3D打印机）将内部整合，用于支持公司轨道转移飞行器的生产。Rosotics计划部署多个自主航天器，设计在进入地球和月球之间稳定引力位置的L5拉格朗日点轨道之前，在月球周围进行机动。

● 意大利3D打印服务机构BEAMIT SpA正在为天鹅座计划提供使用NASA认证AlSi7Mg铝合金3D打印的航空航天部件。该计划专注于为国际空间站（ISS）补给和推进太空探索，使用Northrop Grumman制造的天鹅座航天器。