摘要：研究人员证明了第一个完全3D打印的液滴发射电喷雾引擎。低成本设备可以比传统的推进器更快地制造，这可能是从航天器上使用的，并且可以使Cubesats执行精确的，轨道上的操纵，并帮助太空研究项目。...
电喷雾发动机将电场应用于导电液体，从而产生一个可以推动航天器的小滴的高速射流。这些微型发动机非常适合通常在学术研究中使用的小型卫星。
由于电喷雾发动机比发射台上使用的功能强大的化学火箭更有效地利用推进剂，因此它们更适合于精确的，轨道上的操纵。电喷雾发射极产生的推力很小，因此电喷雾发动机通常使用一系列并行操作的发射器。
但是，这些多路复用的电喷雾推进器通常是通过昂贵且耗时的半导体清洁室制造制成的，该制造限制了可以制造它们以及如何应用设备的人。
为了帮助打破太空研究的障碍，麻省理工学院工程明了第一个完全3D打印的发射电喷雾引擎。它们的设备可以迅速生产，并且是传统推进器的一小部分，它使用了商业上可访问的3D打印材料和技术。这些设备甚至可以在轨道上完全制造，因为3D打印与空间制造兼容。
通过开发一个结合两种3D打印方法的模块化过程，研究人员克服了制造由宏观和微观组件组成的复杂设备所涉及的挑战，这些设备必须无缝地工作。
他们的概念验证推进器包括32个电喷射器，它们共同运行，产生稳定且均匀的推进剂流动。与现有发射液滴的电喷雾引擎相比，3D打印的设备产生的推力要大或更大。有了这项技术，宇航员可能会迅速打印出卫星发动机，而无需等待从地球上寄出的发动机。
路易斯·费尔南多·弗尔南多·瓦西斯（Luis Fernandovera）的高级研究杂志说：“使用半导体制造与低成本的空间通道不符。我们希望使太空硬件民主化。在这项工作中，我们正在建议一种使用制造技术来制造高性能硬件的方法，这些技术可用于更多玩家。推进器，出现在高级科学。
MIT机械工程研究生Hyeonseok Kim首席作者Hyeonseok Kim加入了他的行列。
模块化方法
电喷雾发动机具有推进剂的储备，该储量通过微流体通道流向一系列发射器。在每个发射极的尖端施加静电场，触发电氢动力学效应，该效应将液体的自由表面塑造成锥形的半月板，从而从其顶点弹出一系列高速带电的液滴，从而产生推力。
发射极尖端必须尽可能锋利，以在低压下获得推进剂的电流动力弹性。该设备还需要一个复杂的液压系统来存储和调节液体的流动，并通过微流体通道有效地将推进剂穿梭。
发射极阵列由八个发射极模块组成。每个发射极模块包含一个必须齐声工作的四个单独发射器的数组，形成了较大的互连模块系统。
“使用单尺寸适合的制造方法不起作用，因为这些子系统处于不同的尺度。我们的主要见解是融合加法制造方法以实现所需的结果，然后提出一种方法来将所有内容互动，以便零件尽可能有效地协同工作，”Velásquez-García说。
为此，研究人员利用了两种不同类型的增值税照片聚合印刷（VPP）。 VPP涉及光敏感树脂上的光线，该树脂凝固以形成具有光滑，高分辨率特征的3D结构。
研究人员使用称为“两光子打印”的VPP方法制造了发射极模块。该技术利用高度聚焦的激光束在精确定义的区域固化树脂，一次建造一个3D结构，一次是一个小砖或体素。这种细节的水平使他们能够产生极其尖锐的发射尖端和狭窄，均匀的毛细血管携带推进剂。
将发射器模块安装到一个称为歧管块的矩形套管中，该套管将每个块都固定在适当的位置，并为发射器提供推进剂。歧管块还将发射极模块与提取器电极集成在一起，当应用合适的电压时，该电极会从发射极端触发推进剂的射精。由于该方法的低吞吐量和有限的打印量，使用两光子打印制造较大的歧管块是不可行的。
取而代之的是，研究人员使用了一种称为数字光处理的技术，该技术利用芯片大小的投影仪将光照射到树脂中，一次巩固了3D结构的一层。
Velásquez-García说：“每种技术在一定程度上都很好地运行。将它们结合在一起，因此它们共同生产一种设备，让我们尽力每种方法中最好的方法。”
推动性能
但是3D打印电喷雾发动机组件只是战斗的一半。研究人员还进行了化学实验，以确保印刷材料与导电液体推进剂兼容。如果没有，推进剂可能会腐蚀发动机或使其破裂，这对于用于长期操作的硬件是不希望的，几乎没有维护。
他们还开发了一种将单独部分夹在一起的方法，以避免未对准可能会妨碍性能并确保设备保持水密性的方式。
最后，他们的3D打印原型能够比更大的，更昂贵的化学火箭弹产生更有效的推力，并且表现优于现有的液滴电喷雾发动机。
研究人员还研究了如何调节推进剂的压力和调节对发动机的电压的压力，从而影响了液滴的流动。令人惊讶的是，他们通过调节电压实现了更广泛的推力。这可以消除对管道，阀门或压力信号的复杂网络的需求，以调节液体的流动，从而导致更轻，更便宜的电喷雾推进器也更有效。
Velásquez-García说：“我们能够证明更简单的推进器可以取得更好的效果。”
研究人员希望继续探索未来工作中电压调制的好处。他们还想制造较密集的发射器模块。此外，他们可能会探索使用多个电极来将推进剂电水动力弹性触发的过程解散，从而设置发射射流的形状和速度。从长远来看，他们还希望展示一个立方体，该立方体在其操作和解析过程中利用了完全3D打印的电喷雾发动机。
这项研究部分由数学研究金和Newsat项目资助，并部分使用MIT.NANO设施进行。
