Инженеры разрабатывают полностью 3D-печать электрораспылительного двигателя, который может питать крошечные спутники

Электрораспытный двигатель применяет электрическое поле к проводящей жидкости, генерируя высокоскоростную струю крошечных капель, которые могут продвигать космический корабль. Эти миниатюрные двигатели идеально подходят для небольших спутников, называемых кубиками, которые часто используются в академических исследованиях.

Поскольку электрораспылительные двигатели используют топливо более эффективно, чем мощные химические ракеты, используемые на стартовой панели, они лучше подходят для точных, маневра в орбите. Удар, генерируемая электрораспылением, является крошечной, поэтому электрораспылительные двигатели обычно используют массив излучателей, которые равномерно эксплуатируются параллельно.

Тем не менее, эти мультиплексированные электрораспылительные двигатели обычно производятся посредством дорогостоящего и трудоемкого изготовления полупроводниковых чистых комнат, которое ограничивает их, и как можно применять устройства.

Чтобы помочь преодолеть барьеры для космических исследований, инженеры MIT продемонстрировали первое полностью 3D-печать электрораспылительного двигателя. Их устройство, которое может быть получено быстро и за небольшую часть стоимости традиционных двигателей, использует коммерчески доступные материалы и методы 3D -печати. Устройства могут быть полностью изготовлены на орбите, так как 3D-печать совместима с производством в пространстве.

Разрабатывая модульный процесс, который сочетает в себе два метода 3D -печати, исследователи преодолели проблемы, связанные с изготовлением сложного устройства, состоящего из макромасштабных и микромасштабных компонентов, которые должны беспрепятственно работать вместе.

Их загрязняющий двигатель включает в себя 32 электрораспылителя, которые работают вместе, генерируя стабильный и равномерный поток топлива. Устройство с 3D-печатью генерировало столько или большую тягу, чем существующие электрораспылительные двигатели, идущие капли. С помощью этой технологии астронавты могут быстро напечатать двигатель для спутника, не ожидая, когда он будет отправлен с Земли.

«Использование полупроводникового производства не соответствует идее недорогого доступа к пространству. Мы хотим демократизировать космическое оборудование. Игроки »,-говорит Луис Фернандо Веласкес-Гарсия, старший автор статьи, описывающей двигатели, которая опубликована в Продвинутая наукаПолем

Velásquez-García является основным научным сотрудником в технологических лабораториях технологий MIT Microsystems (MTL), и он присоединяется к документу ведущим автором Хейонеком Ким, аспирантом MIT в области машиностроения.

Модульный подход

Электрораспытный двигатель имеет резервуар топлива, который протекает через микрофлюидные каналы в серию излучателей. Электростатическое поле применяется на кончике каждого излучателя, вызывая электрогидродинамический эффект, который формирует свободную поверхность жидкости в конусообразное мениск, который выпускает поток высокоскоростных заряженных капель с вершины, производя тягу.

Советы излучателя должны быть максимально резкими, насколько это возможно, чтобы достичь электрогидродинамического выброса топлива при низком напряжении. Устройство также требует сложной гидравлической системы для хранения и регулирования потока жидкости, эффективно перекрывающего пропеллент через микрофлюидные каналы.

Массив излучателей состоит из восьми модулей излучателя. Каждый модуль излучения содержит массив из четырех отдельных излучателей, которые должны работать в унисон, образуя более крупную систему взаимосвязанных модулей.

«Использование единого подхода к изготовлению общего размера не работает, потому что эти подсистемы находятся в разных масштабах. Наша ключевая идея заключалась в том, чтобы смешать методы аддитивного производства для достижения желаемых результатов, а затем придумать способ взаимодействия всего, чтобы Части работают вместе как можно более эффективно »,-говорит Веласкес-Гарсия.

Чтобы сделать это, исследователи использовали два разных типа печать Photo Photo Photo Photo (VPP). VPP включает в себя сияющий свет на фоточувствительную смолу, которая затвердевает для образования трехмерных структур с гладкими характеристиками высокого разрешения.

Исследователи изготовили модули излучателя, используя метод VPP, называемый двухфотонной печатью. В этом методе используется очень сфокусированный лазерный луч для затвердевания смолы в точно определенной области, одновременно создавая трехмерную структуру один крошечный кирпич или воксель. Этот уровень детализации позволил им производить чрезвычайно острые кончики излучателя и узкие однородные капилляры для ношения топлива.

Модули излучателя включены в прямоугольный корпус, называемый многообразивым блоком, который удерживает каждый на месте и снабжает излучателей пропеллентом. Блок коллектора также интегрирует модули излучателя с экстракторным электродом, который запускает выброс топлива из кончиков эмиттера, когда применяется подходящее напряжение. Изготовление более крупного коллектора с использованием двухфотонной печать была бы невозможна из-за низкой пропускной способности метода и ограниченного объема печати.

Вместо этого исследователи использовали методику, называемую цифровой обработкой света, которая использует проектор размером с чип для освещения света в смолу, укрепляя один слой трехмерной структуры за раз.

«Каждая технология работает очень хорошо в определенном масштабе. Объединение их, поэтому они работают вместе, чтобы создать одно устройство, позволяет нам взять лучшее из каждого метода»,-говорит Веласкес-Гарсия.

Продвижение производительности

Но 3D -печать компонентов электрораспыления двигателя — это только пол битвы. Исследователи также провели химические эксперименты, чтобы обеспечить совместимость печатных материалов с проводящим жидким пропеллентом. Если нет, топливо может корродировать двигатель или привести к тому, что он взломает, что нежелательно для оборудования, предназначенного для долгосрочной работы с практически без технического обслуживания.

Они также разработали метод для сжатия отдельных частей таким образом, чтобы избежать смещений, которые могут затруднить производительность и гарантировать, что устройство остается водонепроницаемым.

В конце концов, их прототип с 3D-печатью был способен генерировать тягу более эффективно, чем более крупные, более дорогие химические ракеты и превосходящие существующие электрораспылительные двигатели.

Исследователи также исследовали, как регулировка давления топлива и модуляция напряжения, приложенного к двигателю, повлияла на поток капель. Удивительно, но они достигли более широкого диапазона тяги за счет модуляции напряжения. Это может устранить необходимость в сложной сети труб, клапанов или сигналов давления для регулирования потока жидкости, что приводит к более легким, более дешевому электрораспылению, который также является более эффективным.

«Мы смогли показать, что более простой двигатель может достичь лучших результатов»,-говорит Веласкес-Гарсия.

Исследователи хотят продолжать изучать преимущества модуляции напряжения в будущей работе. Они также хотят изготовить более плотные и большие массивы эмиттерных модулей. Кроме того, они могут исследовать использование нескольких электродов для отделения процесса запуска электрогидродинамического выброса топлива от настройки формы и скорости испускаемой струи. В долгосрочной перспективе они также надеются продемонстрировать кубик, который использует полностью 3D-печать электрораспылительного двигателя во время работы и деорбитинга.

Эта история переиздана любезно предоставлена ​​MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), популярный сайт, который охватывает новости о исследованиях, инновациях и преподавании MIT.