MIT用3D打印卫星引擎，成本降至“白菜价”

电喷雾发动机通过对导电液体施加电场产生高速微小液滴射流来推动航天器前进。这些迷你发动机特别适合用于学术研究中常见的微型“立方体卫星（CubeSats）”。

由于电喷雾发动机比传统的化学燃料火箭能够更高效地利用推进剂，因此它们更适合精确的在轨机动。不过，电喷雾发射器产生的推力较小，所以其通常采用一组并联且规格相当的发射器。

难点在于，这些多路电喷雾推进器此前大都是通过昂贵又耗时的半导体洁净室制造的，较高的生产环境要求限制了其大规模制造以及这些设备的应用范围。

为了解决这些挑战，麻省理工学院的工程师们开发出了一种“全 3D 打印”的电喷雾发动机。它通过市售 3D 打印材料和技术就能实现快速生产，制造成本仅为传统推进器的一小部分，并且由于 3D 打印技术与太空制造技术相兼容，这种设备甚至完全可以在太空生产制造。

与此同时，研究人员还通过开发一种融合了两种 3D 打印方法的模块化工艺，成功克服了制造复杂设备（包含宏观和微观组件）时面临的挑战，确保所有组件能够无缝协同工作。

他们开发的这款推进器原型由 32 个电喷雾发射器组成，这些发射器协同运行，进而产生稳定且均匀的推进剂流。更关键的是，其产生的推力不亚于传统的液滴喷射电喷雾发动机。

借助这项技术，宇航员可能很快就能在太空中直接快速打印制造出一个卫星发动机，而不必等待它从地球发送上来。

目前，这项研究成果已经发表在Advanced Science上。这篇论文的通讯作者是麻省理工学院微系统技术实验室首席研究科学家 Luis Fernando Velásquez-García；第一作者是麻省理工学院机械工程研究生 Hyeonseok Kim。

“传统的半导体制造技术与低成本进入太空的理念似乎是相矛盾的，而我们希望实现太空硬件设备制造的简易化和普及化。在这项工作中，我们提出了一种利用更广泛可用的制造技术来生产高性能硬件的新方法，让更多人都能轻松便捷地操作使用。”Velásquez-García 表示。

模块化的设计方法

电喷雾发动机内置推进剂储液罐，推进剂经微流体通道流向一系列发射器。在每个发射器尖端施加静电场，会触发电流体动力学效应，使液体的自由表面形成锥形弯液面，从其顶点喷射出高速带电液滴流，从而产生推力。

发射器的顶端越尖锐，越有利于在低电压下实现推进剂的电动流体喷射，因此，该设备还需要一套复杂的液压系统来储存和调节液体流动，有效地将推进剂输送通过微流体通道。

整体而言，发射器阵列由 8 个发射器模块组成，每个发射器模块包含由 4 个独立发射器构成的单元，这些发射器协同工作并形成一个更大的互连模块系统。

“采用单一的制造方法是行不通的，因为这些组件大小不一，我们的主要思路是结合增材制造方法来实现预期效果，然后找到一种连接所有组件的方法，让它们尽可能高效地协同运作。” Velásquez-García 表示。

为此，研究人员采用了两种不同类型的还原光聚合打印（VPP）技术，其通过将光线照射到光敏树脂上，使其固化形成具有光滑、高分辨率特征的 3D 结构。

研究人员还利用一种称为双光子打印的 VPP 方法制造发射器模块。这种方法使用高度聚焦的激光束，在精确界定的区域内固化树脂，并逐层构建 3D 结构。凭借较高的精度，研究人员能够制造出顶端非常尖锐的发射器，以及狭窄、均匀的用于输送推进剂的毛细管。

发射器模块被安装在一个方形外壳中，其作用是固定住每个模块并为发射器提供推进剂，同时还集成了发射器模块与提取电极，当施加适当的电压时，电极会触发推进剂从发射器顶端喷射。然而，由于双光子打印技术的吞吐量低、打印量有限，用于制造更大的外壳也很困难。

于是，研究人员把目光转向了数字光处理技术，他们利用芯片大小的投影仪将光线照射到树脂中，逐层固化 3D 结构。“每种技术在特定尺度上都非常有效。将它们结合起来，共同生产一个设备，使我们能够取长补短，进而发挥出每种方法的最佳效果。” Velásquez-García 说道。

推动性能提升

需要注意的是，制造出 3D 打印电喷雾发动机组件只是成功的一半。接下来，研究人员还开展了化学实验以确保打印材料与导电液体推进剂兼容，否则，推进剂可能会腐蚀发动机，甚至导致破裂。这对于需要长期运行且几乎无需维护的硬件设备来说至关重要。

同时，他们也开发了一种方法来固定各个部件，避免出现错位影响性能，同时还要确保设备具有较好的密封性。

最终，他们成功制造出 3D 打印设备原型。通过试验发现，它能够比更大、更昂贵的化学燃料火箭更高效地产生推力，并且性能表现也优于传统的液滴电喷雾发动机。

在这项新研究中，他们探索了调整推进剂压力和调节施加到发动机上的电压会如何影响液滴。令人惊讶的是，通过调节电压，他们实现了更加宽泛的推力可调范围。

这意味着，无需复杂的管道、阀门或压力信号网络来调节液体流动，也能打造出更轻便、更经济、更高效的电喷雾发动机。“我们证明了更简单的推进器也可以取得更好的效果。” Velásquez-García 表示。

至于下一步的研究方向，他们希望继续探索电压调节的作用，同时他们还计划制造密度更高、规模更大的发射器模块阵列。

他们还表示，后期可能会探索使用多个电极，将触发推进剂的电动流体动力喷射过程与设定发射射流的形状和速度相结合。从长远来看，他们期望打造出一款新的 CubeSat，其在运行和离轨期间都使用这种全 3D 打印的电喷雾发动机。

这项研究部分由 MathWorks 奖学金和 NewSat 项目资助，部分研究在 MIT.nano 设施中完成。

https://news.mit.edu/2025/mit-engineers-develop-fully-3d-printed-electrospray-engine-0212