16 фев 2025 232

Идеал для кубсатов: напечатан двигатель с электростатическим распылением для малых спутников

Электростатические ракетные двигатели (ЭРД) воздействуют электрическим полем на поток жидкости, создавая высокоскоростную струю из крошечных капель. Вылет капель может приводить в движение космический аппарат.

Поскольку ЭРД используют топливо более эффективно, чем мощные ракеты на химическом топливе, они лучше подходят для точных манёвров на орбите. Тяга, создаваемая электростатическим распылителем, очень мала, поэтому в электростатических двигателях обычно используют параллельно несколько таких форсунок.

Однако подобные составные ЭРД обычно изготавливают с помощью дорогостоящей и трудоёмкой полупроводниковой технологии в особо чистых помещениях. А такие требования ограничивают круг возможных производителей и шансы на распространённость описываемых устройств.

Зачем это нужно

Чтобы помочь преодолеть препятствия на пути космических исследований, инженеры из Массачусетского технологического института (MIT) продемонстрировали первый полностью напечатанный на 3D-принтере двигатель для электрораспыления, испускающий брызги.

Разработанный миниатюрный двигатель рассчитан так, чтобы идеально подходить для небольших спутников, называемых кубсатами, которые часто используются в научных исследованиях. Кубсат (от английского cubesat, то есть cube + satellite, «куб» и «спутник») — это формат сверхмалых искусственных спутников Земли для исследования космоса со стороной в 10 см при массе не более 1,33 кг.

Устройство, изобретённое в MIT, можно изготовить быстрее и намного дешевле, чем традиционные ЭРД. Способствует тому использование вполне доступных на рынке материалов и технологий 3D-печати. Более того, новые ЭРД можно полностью создавать прямо на орбите, поскольку объёмная печать совместима условиями в космосе.

Инженеры разработали модульный процесс, объединив два метода 3D-печати. Тем самым удалось преодолеть трудности, связанные с изготовлением сложного и надёжного работающего устройства, в котором есть детали почти микроскопического масштаба.

Экспериментальный двигатель состоит из 32 электростатических форсунок, которые функционируют вместе, создавая стабильный и равномерный поток. Устройство, напечатанное на 3D-принтере, создавало такую же или даже большую тягу, чем существующие ЭРД с распылителями. С помощью новой технологии космонавты смогут быстро напечатать на орбите двигатель для спутника, не дожидаясь, пока его доставят с Земли.

Описал техническое новшество ведущий научный сотрудник лаборатории микросистемных технологий MIT Луис Фернандо Веласкес-Гарсия, один из авторов. В работе над научной статьёй ему помогал соавтор Хёнсок Ким, аспирант.

Веласкес-Гарсия подчеркнул, что ранее известные способы производства с применением полупроводников не соответствовали идеалу о недорогих исследованиях космоса.

Мы хотим сделать космическое оборудование более демократичным. В своём научном проекте мы предлагаем способ создания высокопроизводительного оборудования с использованием технологий, доступных большинству желающих

— Веласкес-Гарсия.

Модульный подход

В электрораспылительном двигателе есть резервуар с топливом, которое поступает по микрожидкостным каналам к ряду форсунок. Наконечник каждой форсунки находится под воздействием электростатического поля, которое запускает электрогидродинамический эффект (ЭГД-эффект). Эффект этот формирует свободную поверхность жидкости в виде конуса, с вершины которого идёт выброс потока высокоскоростных капель, создавая тягу.

Кончики форсунок должны быть как можно острее, чтобы обеспечить электрогидродинамический выброс топлива при низком напряжении тока. Устройство также нуждается в сложной гидравлической системе для хранения жидкости и регулирования потока, эффективно перемещая топливо по каналам с практически капиллярным просветом.

Комплекс форсунок состоит из восьми модулей с четырьмя отверстиями в каждом, которые должны работать синхронно.

Наша ключевая идея заключалась в том, чтобы сочетать методы аддитивного производства (печати) для достижения желаемых результатов. А затем — найти способ объединить всё так, чтобы детали работали вместе максимально эффективно

— Веласкес-Гарсия.

Исследователи использовали два разных типа двухфотонной печати, то есть методы фотополимеризации в ванне (VPP). При VPP на светочувствительную смолу направляют свет, который отверждает массу, образуя трёхмерные структуры с гладкими поверхностями и высокой точностью.

Технология задействует сфокусированный лазерный луч для затвердевания смолы в точно заданной области, создавая трёхмерную структуру по одному вокселю (крошечному «кирпичику») за раз. Такой уровень детализации позволил изготовить чрезвычайно острые наконечники излучателей и узкие однородные капилляры для подачи топлива.

Форсуночные модули установили в прямоугольный корпус, называемый коллектором, который удерживает их на месте и обеспечивает подачу топлива в разбрызгиватели. Коллектор также объединил модули с извлекающим электродом, который запускает подачу топлива из наконечников при подаче соответствующего напряжения. Изготовление более крупного коллектора с помощью двухфотонной печати было бы нецелесообразным из-за низкой производительности метода и ограниченного объёма печати.

Вместо этого исследователи использовали метод, называемый цифровой обработкой света. При этом проектор размером с микросхему направляет свет на смолу, отверждая по одному слою 3D-структуры за один проход.

Каждая технология отлично работает при определённом масштабе. Их сочетание, когда они работают вместе, чтобы сформировать одно устройство, позволяет брать лучшее от каждого метода

— Веласкес-Гарсия.

Движущая сила

Но 3D-печать компонентов двигателя с электрораспылением — это только полдела. Исследователи также провели химические эксперименты, чтобы убедиться, что материалы для печати совместимы с жидким топливом. В противном случае оно могло вызвать коррозию двигателя или привести к растрескиванию. Естественно, это было бы нежелательно для оборудования, рассчитанного на длительную эксплуатацию, причём без какого-либо техобслуживания.

Изображения ЭРД, напечатанного на 3D-принтере: а) устройство без извлекающего электрода рядом с монеткой в 25 центов США; b) устройство в сборе; b) вид сбоку без извлекающего электрода; d) разбрызгивающий модуль крупным планом; e) рентгеновское изображение модуля, доказывающее, что гидравлическая система внутри не забита смолой для печати

Изобретатели также разработали способ соединения отдельных деталей так, чтобы избежать перекосов, которые могут ухудшить работу устройства, тем самым обеспечив водонепроницаемость.

В итоге прототип, напечатанный на 3D-принтере, смог создавать тягу эффективнее, чем более крупные и дорогие ракеты на химическом топливе, а также превзошёл по своим показателям существующие ЭРД.

А ещё исследователи изучили, как регулировка и давления топлива, и напряжения, подаваемого на двигатель, влияют на распыление капель. Регулируя напряжение, они добились более широкого диапазона тяги. Такое достижение может привести к тому, что не будет больше необходимости в сложной сети труб, клапанов и подаче сигналов давления для регулирования потока жидкости. В итоге изобретение помогло бы создать более лёгкий, дешёвый и эффективный ЭРД.

Мы смогли доказать, что с более простым двигателем достижимы наилучшие результаты

— Веласкес-Гарсия.

Исследователи хотят продолжить изучение преимуществ регулировки напряжения в будущих проектах. Они также стремятся создать более плотные и крупные массивы форсуночных модулей. Кроме того, есть планы исследовать использование нескольких электродов, чтобы отделить процесс запуска электрогидродинамического выброса топлива, начиная от стадии формирования выбрасываемой струи и её скорости.

В долгосрочной перспективе инженеры также надеются показать миру кубсат, который во время работы и схода с орбиты будет использовать полностью напечатанный на 3D-принтере ЭРД.