这种轻便的装置是推动微型卫星的理想选择，它可以在航天器上生产，而且比传统的推进器成本低得多。
电喷雾发动机对导电液体施加电场，产生高速喷射的微小液滴，可以推动航天器。这些微型发动机对于经常用于学术研究的立方体卫星来说是理想的。
由于电喷雾发动机比发射台上使用的强大化学火箭更有效地利用推进剂，因此它们更适合精确的在轨机动。电喷雾发射器产生的推力很小，因此电喷雾发动机通常使用一组均匀并联运行的发射器。
然而，这些多路电喷雾推进器通常是通过昂贵且耗时的半导体无尘室制造来制造的，这限制了谁可以制造它们以及设备的应用方式。
为了帮助打破太空研究的障碍，麻省理工学院的工程师们展示了第一个完全3D打印的、喷射液滴的电喷雾发动机。他们的设备可以快速生产，成本只是传统推进器的一小部分，使用商业上可获得的3D打印材料和技术。这些设备甚至可以完全在轨道上制造，因为3D打印与太空制造兼容。
通过开发一种结合两种3D打印方法的模块化工艺，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面临的挑战，这些组件必须无缝地协同工作。
他们的概念验证型推进器包括32个电喷雾发射器，它们一起工作，产生稳定均匀的推进剂流。3D打印装置产生的推力与现有的液滴喷射式电喷雾发动机一样多，甚至更多。有了这项技术，宇航员可以快速打印出卫星的发动机，而无需等待从地球上发射升空。
麻省理工学院微系统技术实验室（MTL）的首席研究科学家、《高级科学》杂志上发表的一篇描述推进器的论文的资深作者Luis Fernando Velásquez García说：“使用半导体制造与低成本进入太空的想法不符。我们希望使太空硬件民主化。在这项工作中，我们提出了一种用制造技术制造高性能硬件的方法，这些技术可供更多参与者使用。”
与他一起撰写论文的还有麻省理工学院机械工程研究生金铉硕（Hyeonseok Kim）。
模块化方法
一种电喷雾发动机具有推进剂储存库，该储存库通过微流体通道流向一系列发射器。在每个发射器的尖端施加静电场，触发电流体动力学效应，使液体的自由表面形成锥形半月板，从其顶端喷出高速带电液滴流，产生推力。
为了在低电压下实现推进剂的电流体动力喷射，发射器尖端需要尽可能的锋利。该装置还需要一个复杂的液压系统来储存和调节液体的流动，有效地穿梭推进剂通过微流体通道。
发射极阵列由8个发射极模块组成。每个发射器模块包含一个由四个独立发射器组成的阵列，这些发射器必须协同工作，形成一个更大的互连模块系统。
“使用一刀切的制造方法是行不通的，因为这些子系统的规模不同。我们的关键见解是混合增材制造方法以实现预期的结果，然后提出一种连接所有部件的方法，使部件尽可能有效地协同工作，”Velásquez-García说。
为了实现这一目标，研究人员使用了两种不同类型的还原光聚合印刷（VPP）。VPP涉及将光照射到光敏树脂上，该树脂固化形成具有光滑，高分辨率特征的3D结构。
研究人员使用称为双光子打印的VPP方法制造了发射器模块。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，一次构建一个3D结构 —— 一个微小的砖块或体素。这种细节水平使他们能够生产出极其锋利的发射尖端和狭窄均匀的毛细管来携带推进剂。
发射器模块被安装在一个称为歧管块的矩形外壳中，它将每个模块固定在适当的位置并为发射器提供推进剂。该流形块还将发射器模块与提取电极集成在一起，当施加合适的电压时，提取电极触发发射器尖端的推进剂喷射。由于该方法的低通量和有限的打印体积，使用双光子打印制造更大的流形块是不可行的。
相反，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线照射到树脂中，一次固化一层3D结构。
“每种技术在一定规模下都能很好地发挥作用。将它们结合在一起，这样它们就可以一起生产一种设备，让我们可以利用每种方法的优点，”Velásquez-García说。
推进性能
但3D打印电喷雾发动机部件只是成功的一半。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相容。否则，推进剂可能会腐蚀发动机或导致其破裂，这对于用于长期运行而几乎不需要维护的硬件来说是不理想的。
他们还开发了一种方法，将分离的部件夹在一起，以避免可能影响性能的错位，并确保设备保持水密性。
最终，他们的3D打印原型能够比更大、更昂贵的化学火箭更有效地产生推力，并且优于现有的液滴电喷雾发动机。
研究人员还研究了调整推进剂的压力和调节施加到发动机上的电压是如何影响液滴流动的。令人惊讶的是，他们通过调制电压实现了更大范围的推力。这可以消除复杂的管道、阀门或压力信号网络来调节液体流量的需要，从而产生更轻、更便宜、更高效的电喷雾推进器。
“我们能够证明一个更简单的推进器可以达到更好的效果，”Velásquez-García说。
研究人员希望在未来的工作中继续探索电压调制的好处。他们还想制造密度更大的发射模块阵列。此外，他们可能会探索使用多个电极将推进剂电流体动力喷射的触发过程与设定喷射射流的形状和速度解耦。从长远来看，他们还希望展示一个在运行和脱离轨道过程中使用完全3d打印电喷雾发动机的立方体卫星。
这项研究部分由MathWorks奖学金和NewSat项目资助，部分由麻省理工学院进行。
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